§19. Магнитная цепь

Для того чтобы сосредоточить магнитное поле в определенной части электрической машины, аппарата или прибора и уменьшить мощность, потребляемую катушкой электромагнита, создающего это поле, в конструкции этих устройств широко применяют различные элементы из ферромагнитных материалов. Совокупность таких элементов с разделяющими их воздушными зазорами составляет магнитопровод, или магнитную цепь, электрической машины, аппарата или прибора. Например, магнитная цепь электромагнитного реле (рис. 46, а) состоит из трех участков: сердечника 2, якоря 4 и двух воздушных зазоров 6. По замкнутому контуру, образованному этими участками, проходит магнитный поток 3, создаваемый током катушки 1. При переходе через воздушные зазоры, разделяющие сердечник и якорь, часть магнитного потока замыкается по воздуху, т. е. не проходит через якорь,— возникает поток рассеяния 5.

Магнитное поле в магнитной цепи электрической машины постоянного тока создается током катушек 7 (рис. 46, б), расположенных на полюсах 8. Эти катушки называют обмотками возбуждения. Создаваемый ими магнитный поток проходит через сердечники полюсов, вращающуюся часть машины — якорь 9, воздушные зазоры 11 между полюсами и якорем и замыкается через остов 10.

Магнитодвижущая сила. Способность тока возбуждать магнитное поле оценивается его магнитодвижущей силой (м. д. с). Магнитодвижущая сила F изменяется в амперах. Магнитодвижущая сила проводника с током I равна силе этого тока: F = I.

В общем случае, когда какой-либо замкнутый контур охватывает несколько токов (показан на рис. 47, а штриховой линией), суммарная магнитодвижущая сила равна их алгебраической сумме:

F = ?I (45)

Для случая, показанного на рис. 47, а,

F = I1- I2+ I3

Магнитодвижущая сила катушки (рис. 47, б) представляет произведение тока на число ее витков ?. Это объясняется тем, что

Рис. 46. Магнитные цепи электромагнитного реле (а) и электрической машины постоянного тока (б)Рис. 46. Магнитные цепи электромагнитного реле (а) и электрической машины постоянного тока(б)

Рис. 47. Замкнутый контур магнитной цепи, сцепленный с тремя электрическими токами (а) и катушкой с током (б)Рис. 47. Замкнутый контур магнитной цепи, сцепленный с тремя электрическими токами (а) и катушкой с током (б)

замкнутый контур магнитной цепи (показан штриховой линией), сцепленный с катушкой, охватывает ток I не один, a ? раз, т. е.

F = I? (45′)

Закон Ома для магнитной цепи. Для лучшего понимания условий возникновения магнитного поля в магнитных цепях целесообразно провести аналогию между магнитной цепью и цепью электрической. Это можно сделать, например, для простейшей магнитной цепи, на всем протяжении которой напряженность Н магнитного поля постоянна. Для такой цепи произведение напряженности Н на длину l магнитной цепи по всему ее замкнутому контуру равно алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром:

Hl = ?I = F (46)

Формула (46) выражает закон полного тока для рассматриваемой магнитной цепи. Сумма токов ?I, пронизывающих какой-либо замкнутый контур, называется полным током: отсюда и получил свое название этот закон.
Если в формулу (46) подставим напряженность Н из формулы (43), заменив индукцию В согласно формуле (41), то получим зависимость магнитного потока Ф от магнитодвижущей силы F и параметров данной магнитной цепи, т. е. от ее магнитного сопротивления RM. Эта зависимость называется законом Ома для магнитной цепи. Он формулируется следующим образом. Магнитный поток, проходящий по магнитной цепи, равен магнитодвижущей силе, деленной на магнитное сопротивление цепи,

Ф = F/R м (47)

Магнитное сопротивление RM = l/(?aS) зависит от длины l магнитной цепи, поперечного сечения S и магнитной проницаемости ?a.

Например, магнитный поток Ф, созданный катушкой с числом витков ?,

Ф = F/RM = I? / (l/(?aS)) (47′)

Из формулы (47) следует, что действие магнитодвижущей cилы аналогично действию электродвижущей силы. Подобно тому как э. д. с. является причиной возникновения тока в электрической цепи, так и м. д. с. является причиной возникновения магнитного потока в магнитной цепи. Чем больше магнитодвижущая сила F, создаваемая катушкой электромагнита, тем больший магнитный поток проходит по его магнитной цепи.

Магнитное сопротивление RM играет в магнитной цепи роль, аналогичную электрическому сопротивлению цепи. Так же как в электрической цепи с увеличением сопротивления уменьшается ток, так и в магнитной цепи с увеличением магнитного сопротивления уменьшается магнитный поток. Следует, однако, отметить, что эта аналогия не распространяется на физические процессы, имеющие место в электрических и магнитных цепях. Кроме того, магнитное сопротивление RM является нелинейным. Оно зависит от магнитной проницаемости ?a, которая изменяется при изменении индукции, т. е. магнитного потока, проходящего через данный участок цепи. Поэтому при расчетах магнитных цепей пользуются кривыми намагничивания, т. е. зависимостями напряженности H от индукции В для соответствующего ферромагнитного материала.

Формулы (47) и (47′) показывают, что возрастание магнитного потока в какой-либо электрической машине или аппарате можно обеспечить: увеличением магнитодвижущей силы F катушки, создающей магнитное поле в данной машине или аппарате, т. е. увеличением проходящего по ней тока I или числа витков ? катушки; уменьшением магнитного сопротивления магнитной цепи данной машины или аппарата путем применения ферромагнитных материалов с большей магнитной проницаемостью ?a; уменьшением воздушных зазоров, разделяющих отдельные участки магнитной цепи, выполненные из ферромагнитных материалов (воздушные зазоры, имеющиеся в магнитной цепи, создают весьма большое магнитное сопротивление); увеличением площади поперечного сечения S отдельных участков магнитной цепи или же уменьшением общей длины магнитной цепи и ее отдельных участков.
Все эти меры широко используют при конструировании электрических машин и аппаратов. Магнитопроводы стараются выполнить из высококачественных ферромагнитных материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью (электротехнической стали или специальных сплавов), воздушные зазоры свести до минимальных значений.