umm_magncep

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова»

В.М.Коротких, Ю.Г.Мещеряков, Т.М.Халина, М.В.Халин, Г.П.Суворова

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ И ЭЛЕКТРОНИКЕ

(магнитные цепи)

Барнаул 2010

УДК 621.3

В.М.Коротких, Ю.Г.Мещеряков, Т.М.Халина, М.В. Халин, Г.П.Суворова. Учебно-методические материалы к лабораторным работам по электротехнике и электронике (магнитные цепи). / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И.Ползунова.-Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010.- 78 с.

В работе представлены учебно-методические материалы для выполнения лабораторных работ по магнитным цепям, а также теоретические сведения и тестовые задания.

Учебно-методические материалы предназначены для студентов неэлектротехнических специальностей.

Рассмотрены и одобрены на заседании кафедры общей электротехники Протокол № 5 от 29.01.2 010 г.

Рецензент: Заведующий кафедрой электрификации и автоматизации сельского хозяйства Алтайского государственного аграрного университета, доктор техн. наук, профессор А.А. Багаев

2

ПРАВИЛА ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

1.Приступая к выполнению цикла лабораторных работ, студенты проходят вводный инструктаж на рабочем месте у преподавателя, ведущего занятия, о чем делается соответствующая запись в журнале по технике безопасности за подписями студентов и преподавателя.

2.Лабораторные работы выполняются фронтальным способом на универсальных стендах.

3.Каждый стенд имеет выключатель, позволяющий обесточить электрооборудование стенда. Кроме того, все стенды могут быть отключены общим рубильником, отключающим электрическое питание, поступающее в лабораторию.

4.В лаборатории запрещается курить, сорить, громко разговаривать, находится в верхней одежде, без нужды переходить с места на место и загромождать рабочие места посторонними предметами.

5.Перед выполнением лабораторной работы каждому студенту необходимо четко уяснить цель и задачи работы, ознакомиться с описанием лабораторной установки и порядком выполнения работы, знать правила эксплуатации используемых в работе приборов и устройств.

6.Запрещается включать цепь и приступать к измерению без предварительной проверки преподавателем всех соединений. Студент должен рассказать преподавателю о назначении приборов цепи, объяснить, в каком порядке будут проводиться опыты и каким образом будут устанавливаться их необходимые режимы.

7.Категорически запрещается при включенном рубильнике производить какие-либо присоединения отдельных элементов цепи или подсоединение новых элементов проводниками.

8.В случае каких-либо пересоединений в цепи, она должна быть вновь проверена преподавателем.

9.Не касаться руками контактов и зажимных клемм стенда, не будучи убежденными в отсутствии напряжения. При включенном питании стенда категорически запрещается прикасаться к клеммам стенда, к штангам и обмоткам реостатов.

10.Регулировку реостатов производить плавно и только с помощью пластмассовой ручки движка реостата.

11.Операции переключения и регулирования производить только одной рукой, не прикасаясь при этом к корпусу стенда.

3

12. В случае короткого замыкания или других повреждений в стенде необходимо быстро отключить его питание, переведя выключатель в положение "Откл".

13.Всегда помнить, что в цепях, содержащих индуктивности и емкости, напряжение на отдельных участках цепи может значительно превышать напряжение на входе. Следить, чтобы напряжение и токи в цепи не превышали допустимых значений.

14.Измерения напряжений с помощью переносного вольтметра можно производить только при хорошо изолированных проводниках.

15.Все коммутационные переключения производить способами и

впоследовательности согласно рекомендациям, данным в методических указаниях.

16.При включении включателя, подающего напряжение к стенду, каждый раз предупреждать об этом товарищей по работе на стенде.

17.При обнаружении поломки оборудования или неисправности в

работе стенда необходимо обратиться к	лаборанту или
преподавателю.

18.Запрещается оставлять без надзора стенды, находящиеся в рабочем состоянии.

19.По окончании эксперимента отключить питание цепей и всего стенда согласно указаниям, приведенным в методических указаниях.

20.Лица, виновные в нарушении настоящих правил техники безопасности, от дальнейшего прохождения лабораторных работ отстраняются и подвергаются взысканиям в зависимости от степени тяжести и характера нарушения в административном или уголовном порядке.

21.Если нарушение студентом требований данной инструкции не повлекло за собой порчи лабораторного оборудования и не вызвало несчастного случая, такой студент проходит повторный вводный инструктаж в отделе охраны труда университета и инструктаж на

рабочем месте у преподавателя, о чем далее делается соответствующая запись в журнале техники безопасности.

ОКАЗАНИЕ ДОВРАЧЕБНОЙ ПОМОЩИ ПРИ ПОРАЖЕНИИ ЧЕЛОВЕКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ

1. При поражении человека электрическим током необходимо как можно быстрее освободить его от действия тока, так как от времени действия тока зависит тяжесть электротравм. Первым действием оказывающего помощь должно быть отключение того стенда (установки), которой касается пострадавший.

4

2.Если пострадавший находится в бессознательном состоянии, то его необходимо удобно уложить, расстегнуть одежду и создать приток свежего воздуха, дать понюхать нашатырный спирт, растереть и согреть тело.

3.В случае отсутствия дыхания у пострадавшего помощь должна быть направлена на восстановление жизненных функций путем искусственного дыхания и наружного массажа сердца.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Магнитныевеличины

В магнитном поле распределение энергии обусловлено движением электрических зарядов или изменением электрического поля, т. е. электрическим током.

Направление магнитного потока определяют по направлению магнитной стрелки, помещенной в это поле. Магнитное поле представляется в виде направленного магнитного потока Ф, линии которого всегда замкнуты.

Физическая величина, характеризующей интенсивность магнитного потока Ф, служит вектор магнитной индукции В,

направление которого совпадает с направлением магнитного потока. Единицей магнитного потока в системе СИ является вебер (Вб); 1 Вб = 1 В·с.

За единицу магнитной индукции принимают индукцию, при которой через площадь s в 1 м2, расположенную перпендикулярно направлению магнитного потока, проходит поток в 1 Вб. Магнитную индукцию выражают в теслах (Тл): 1 Тл = 1 Вб/м2 = 1 В·с/м2.

Способность источника магнитного поля (электрического тока) создавать магнитный поток характеризуется напряженностью магнитного поля Н, выражаемой в А/м.

Рис.1

5

В воздухе направление векторов магнитной индукции Br и напряженности магнитного поля H совпадают и связаны соотношением Н = В/µ0, где µ0=4π·10-7 Гн/м - магнитная постоянная.

Количественные соотношения, характеризующие магнитное поле, основаны на законе полного тока. Этот закон устанавливает связь между напряженностью магнитного поля Н в любой точке замкнутого контура вокруг проводника с током I. Например, напряженность в точке А (рис. 1, а) равна H = I /(2πr)

где 2πr - длина контура, охватывающего проводник, r - радиус контура.

Если действует п проводников с током I, то напряженность в точке А равна: Н = пI/(2πr). Напряженность поля в центре однослойной катушки (когда l>>r) (рис. 1, б) с числом витков ω равна

H= ωI/l.

Произведение ωI называют магнитодвижущей силой (мдс) и выражают в амперах.

Потокосцепление катушки: ψ = ωФ. В линейной катушке индуктивности потокосцепление пропорционально току.

Коэффициент пропорциональности L = ψ/I называют индуктивностью. Единица индуктивности - генри (Гн). На практике применяют доли; милли- и микрогенри: 1 мГн = 10-3 Гн; 1 мкГн = 10-6 Гн.

Энергия магнитного поля катушки индуктивности (Дж) определяется работой, совершаемой электрическим током в процессе создания магнитного поля: Wм = LI 2 / 2

Магнитные цепи

Классификация магнитных цепей. Элементы магнитной цепи. Магнитная система является одним из основных элементов

электрических машин и ряда электротехнических устройств. В магнитную систему входят источники магнитного поля (обмотка с током, возбуждающая магнитное поле, постоянный магнит) и система магнитопроводов из ферромагнитного материала, по которым замыкается магнитный поток.

При анализе магнитных цепей магнитную систему электротехнического устройства представляют, как и в электрических цепях, эквивалентной схемой.

6

Магнитные цепи бывают неразветвленные и разветвленные, однородные и неоднородные, симметричные и несимметричные.

Неразветвленной магнитной цепью называют цепь, через элементы которой замыкается один и тот же магнитный поток.

Вразветвленной магнитной цепи содержатся ветви, в каждой из которых замыкаются свои магнитные потоки.

Воднородной магнитной цепи, образованной замкнутым магиитопроводом, магнитный поток находится в однородной среде.

Неоднородной называют магнитную цепь, состоящую из участков, имеющих разные сечения, воздушные зазоры, ферромагнитные тела с различными магнитными свойствами.

Способность вещества под воздействием напряженности внешнего магнитного поля Н создавать собственное поле, называемое намагниченностью М, которая характеризуется магнитной восприимчивостью χ: M = χH . При этом магнитная индукция в

веществе

B = µ0 (H + M )= µr µ0 H = µa H

где µr =1+ χ . µa - относительная и абсолютная магнитные

проницаемости, соответственно.

Вещества, имеющие высокое значение магнитной восприимчивости, называют ферромагнитными, или магнитными. К

ним относятся железо (Fe), кобальт (Со), никель (Ni), редкоземельные элементы: гадолиний (Gd), диспрозий (Dy) и др., а также сплавы на базе этих элементов.

Зависимость магнитной индукции в веществе (материале) от напряженности внешнего магнитного поля В(Н) носит нелинейный характер: по мере увеличения Н индукция В сначала возрастает резко, а затем, приближаясь к области насыщения, процесс намагничивания материала замедляется и прекращается Рис.2.

Рис.2.

7

Рис.3. а – однородная неразветвлённая; б – неоднородная неразветвлённая; в - неоднородная разветвлённая.

Если элемент магнитной цепи, например цилиндр из ферромагнитного материала, поместить в однородное магнитное поле, он намагнитится. Если после намагничивания до состояния насыщения внешнее поле убрать (уменьшить до нуля), то цилиндр явится источником магнитного поля за счет намагниченности материала — остаточной намагниченности. Чтобы разрушить эту остаточную намагниченность, нужно создать внешнее поле, направленное противоположно полю, создаваемому цилиндром, для преодоления задерживающей, так называемой коэрцитивной силы Нс, которая стремится сохранить созданную микротоками намагниченность.

В зависимости от значения коэрцитивной силы Нс все магнитные материалы принято делить на магнитомягкие и магнитотвердые.

Магнитомягкие материалы имеют малую коэрцитивную силу (крутоподнимающаяся основная кривая намагничивания и относительно малая площадь петли гистерезиса) Рис.6 - 2.

Петля циклического перемагничивания. Явление запаздывания В от Н – магнитный гистерезис.

Рис.4. Нс - остаточная намагниченность (значение напряженности для полного размагничивания сердечника) коэрцитивная сила, Вr - остаточная индукция.

8

Рис.5. АС и АС – предельная петля гистерезиса

Рис.6. Разные материалы с одной скоростью перемагничивания. 1 - магнитножесткие материалы – с большими значениями коэрцитивной силой (Нс – более 40 а/см) и остаточной магнитной

индукцией Вr ;

2 – магнитномягкие (малая коэрцитивная сила – от единиц до десятков ампер и высокая магнитная проницаемость с малыми потерями на перемагничивание)

Рис.7. Частные циклы перемагничивания. Коэф. возврата	В2 –
В1/ В1 – D
Расчет магнитной цепи
Аналогия между магнитной и электрической цепями
Расчет магнитных цепей производится на основе	закона
полного тока с помощью уравнений магнитного состояния:

9

узловое - алгебраическая сумма магнитных потоков, сходящихся в любом узле (поток через замкнутую поверхность), равна нулю:

∑Ф = 0

контурное - алгебраическая сумма падений магнитных напряжений в любом замкнутом контуре магнитной цепи равна алгебраической сумме магнитодвижущих сил в контуре: ∑Uµ = ∑ωI

Падение магнитного напряжения на заданном участке магнитной цепи определяют как произведение напряженности магнитного поля на длину участка цепи (или магнитного сопротивления участка на магнитный поток) и выражают в амперах:

U µ = Hl =Фl /(µr µ0 S )= RµФ,

гдеRµ = l /(µr µ0 S ) - магнитное сопротивление участка. Для

воздушного зазора µr =1 и Rµ = l(µ0 S ).

Зависимость магнитного потока Ф от магнитодвижущей силы ωI и магнитных сопротивлений Rµ участков магнитной цепи получают из уравнения магнитного состояния ветви магнитной цепи Ф∑Rµ = ∑ωI и записывают в виде формулы:

Между вебер-амперными характеристиками Ф(I) в магнитных цепях и вольт-амперными U(I) в электрических цепях существует полная аналогия. Для магнитной цепи можно изобразить аналогичную режиму нагрузки электрической цепи, схему замещения.

Рис.8.

Например, для магнитной цепи рис. 3, б она имеет вид, представленный на рис. 8, а. Схема содержит источник магнитодвижущей силы ωI и два участка с магнитными сопротивлениями Rµм и Rµв. Как и для электрической цепи, можно

записать уравнение магнитного состояния ωI =Uµм +Uµв

10