Магнитного поля в электрических машинах

Модуль 1: «Трансформаторы»

(Конспект лекций)

ВВЕДЕНИЕ

(Тема1)

В - 1. Классификация электрических машин

В практической деятельности современного человеческого общества наиболее широко применяется электрическая энергия. Это обусловлено тем, что электрическую энергию можно производить в местах локализации источников других видов энергии; легко передавать на большие расстояния и распределять между приёмниками; достаточно просто преобразовывать в другие виды энергии.

Дисциплина “Электрические машины” изучает основные законы электромеханического преобразования энергии, а также конструкции и принцип действия осуществляющих такое преобразование энергии устройств, называемых электрическими машинами.

Электрическая машина это электромагнитный механизм предназначенный для преобразования энергии:механической в электрическую, электрической в механическую, а также электрической энергии в электрическую с другими параметрами юююна рис. В-1 не показаны).

При работе электрической машины в двигательном режиме свободный конец вала 8 соединяют с рабочей машиной, которую вращает электродвигатель. Если электрическая машина используется в режиме генератора, то свободный конец вала соединяют с приводным двигателем, вращающим ротор генератора. То есть в большинстве машин вал служит для подвода к машине или отвода от неё механической энергии.

В электрической машине можно выделить части, непосредственно участвующие в преобразовании энергии. Их условно называют активными, к ним относят магнитопроводы и обмотки.

Магнитопроводы (сердечники) предназначены для облегчения создания, проведения и концентрации магнитного потока машины. Их делают из магнитных материалов с малым магнитным сопротивлением, за счёт этого даже относительно небольшие токи в обмотках образуют сильное магнитное поле. В магнитной цепи машины, состоящей из магнитопровода и зазоров, запасается энергия магнитного поля.

В обмотках машины индуктируются ЭДС, при наличии в них токов обмотки образуют магнитное поле машины. Обмотки выполняют из меди, алюминия и их сплавов. К обмоткам машины подводится или отводится от них электрическая энергия.

Остальные части машины не участвуют непосредственно в преобразовании энергии, а обеспечивают неизменность конструкции машины, возможность её вращения и соединения с другими машинами. Обычно эти части электрической машины называют конструктивными

 

В - 3. Способы образования и графического изображения

магнитного поля в электрических машинах

В большинстве электрических машин магнитное поле образуется токами в обмотках или реже с помощью постоянных магнитов (рис. В-2).

Магнитное поле постоянного магнита (рис. В-2, а) изображают линиями 2, выходящими из северного полюса магнита N и входящими в южный полюс S. Направление магнитного поля показано стрелками.

 

В любой точке А (рис. В-2, а) пространства вектор магнитной индукции  совпадает с направлением магнитного поля. Поэтому линии поля 2 называют также индукционными или силовыми магнитными линиями.

В системе СИ единица измерения индукции Тесла (Тл) – это магнитная индукция такого поля, в котором на каждый метр проводника с током 1 А, расположенного перпендикулярно к вектору индукции, действует сила в 1 Н. В системе СГС магнитную индукцию измеряют в Гауссах (Гс), при этом 1 Гс = 1·10 ^{– 4} Тл.

Линии 2 магнитного поля линейного тока İ представляют собой концентрические окружности (рис. В-2, б). Направление индукционной линии и вектора  определяют по правилу “правого винта” или “буравчика” – вектор  направлен по ходу часовой стрелки, если ток İ входит в плоскость листа бумаги (верхняя часть рис. В-2, б), и против хода часовой стрелки, если ток İ выходит из плоскости листа (нижняя часть рис. В-2, б).

При графических изображениях и расчётах магнитного поля принимают число индукционных линий через единицу площади поверхности, перпендикулярной к направлению поля, равным величине индукции. Так, равномерное магнитное поле (векторы  равны и направлены в одну сторону) с индукцией 1 Тл можно изобразить в виде одной линии, перпендикулярной к поверхности площадью 1 м².

Магнитный поток через произвольную поверхность S (рис. В-2, а), Вб,

,                                   (1.1)

где – вектор индукции, Тл;  – элемент поверхности, м².

Магнитный поток равен числу индукционных линий через перпендикулярную к направлению магнитного поля поверхность S.

Снаружи катушки при наличии в ней тока İ (рис. В-2, в) образуется магнитное поле такое же, как у постоянного магнита (рис. В-2, а). По аналогии с цепью электрического тока (см. п. В-4) причина появления магнитного поля – полный ток катушки называется магнитодвижущей силой (МДС) или намагничивающей силой (н.с.) катушки. МДС катушки, А,

 

,                                        (В-2)

 

где w – число витков катушки; İ – ток, А.

МДС катушки можно рассматривать, как образующую магнитное по- ле снаружи катушки разность скалярных магнитных потенциалов φ_{М a} и φ_{М b} левого и правого концов катушки F = φ_{М a} – φ_{М b}. Можно считать, что и между торцами постоянного магнита (рис. В-2, а) существует разность магнитных потенциалов φ_{М a} – φ_{М b}, образующая магнитное поле снаружи магнита.

Линии создаваемого токами магнитного поля замыкаются вокруг токов и не имею ни конца, ни начала (рис. В-2, б, в), то есть непрерывны. Очевидно, магнитный поток через любую замкнутую поверхность равен нулю.

Магнитная индукция  пропорциональна току İ или МДС F, и зависит от среды распространения магнитного поля. Свойства среды характеризуют коэффициентом μ _а, который называется абсолютной магнитной проницаемостью и равен, Гн/м,

 

,                                                 (В-3)

 

где В – магнитная индукция, Тл; Н – напряжённость магнитного поля, А/м.

Напряженность магнитного поля – это вектор, совпадающий в однородной среде (μ = const) с направлением вектора индукции . Величина вектора  показывает какая часть МДС катушки приходится на единицу длины по направлению магнитной индукции (индукционной или силовой линии) Н = F / l = wI / l, где l – длина индукционной линии.

Из (В-3) видна связь индукции и напряженности магнитного поля

 

.                                              (В-4)

 

Абсолютную магнитную проницаемость можно представить в виде

 

,                                              (В-5)

 

где μ₀ – магнитная проницаемость вакуума, μ₀ = 4π·10 ^{– 7} Гн/м; μ – относительная магнитная проницаемость (или магнитная проницаемость) показывает во сколько раз индукция в данной среде больше, чем в вакууме.

Вследствие непрерывности линий магнитного поля при переходе из одной среды в другую магнитный поток остаётся постоянным. Напряжённость и индукция магнитного поля меняют своё направление (рис. 1.3) на границе раздела сред в соответствие с законом преломления:

 

,                                (В-6)

 

согласно которому угол между вектором индукции и вертикалью пропорционален магнитной проницаемости среды. Поэтому при переходе магнитного потока из среды с низкой магнитной проницаемостью μ₁ = μ₀ (из воздуха) в среду с высокой магнитной проницаемостью μ₂» μ₁ (в сталь) угол α₁ «α₂ и близок к нулю. Следовательно, линии магнитного поля в воздухе на границе раздела сред практически перпендикулярны к поверхности стали. Это обстоятельство облегчает расчёт магнитных полей в электрических машинах.