Магнитопровод выполняется из ферромагнитного материала для

Почему магнитопровод катушки изготавливается из ферромагнитного материала?

Чтобы минимизировать поток рассеяния.
Для катушки всегда желательно (ну практически всегда) , чтоб магнитное поле, которое она создаёт, не вылезало за пределы самой катушки, потому что это вызывает всякие нежелательные эффекты — наводки на другие элементы системы, потерю энергии и т. п. Вот для того, чтоб этогоне происходило и магнитное поле было наскоько возможно полно упрятано внутрь катушки, и применяется магнитопровод. Магнитная проницаемость ферромагнетиков существенно выше 1 (доходит до нескольких тысяч) , поэтому магнитное сопротивление такого магнитопровода будет в эти несколько тысяч раз меньше, чем у «деревянного» (немагнитного) сердечника. Соответсвтенно снижается и поток рассеяния.

Остальные ответы

Перво-наперво с целью резко увеличить индуктивность, а потом — см. ответ Леонида

без магнитопровода катушка будет работать на воздух.
представь себе что пользуешся магнитом.
а он в двух десятках метров от тебя
эффект такой же.
ферромагнит проводит магнитное поле, что позволяет уменьшить физический размер катушки во столько же раз, во сколько ферромагнит проводит магнитное поле лучше воздуха

Похожие вопросы

Электрические аппараты — Электромагниты

Магнитной цепью называются совокупность деталей и воздушных зазоров, через которые замыкается магнитный поток.
Различают разветвленные и неразветвленные магнитные цепи.
НЕРАЗВЕТВЛЕННАЯ МАГНИТНАЯ ЦЕПЬ:

11 — сердечник
22 — катушка электромагнита
33 — якорь
44-5 — воздушный зазор
6 — возвратная пружина

РАЗВЕТВЛЕННАЯ МАГНИТНАЯ ЦЕПЬ

Воздушный зазор изменяется при перемещении якоря.
ФФd-рабочий поток
ФФs-поток рассеяния

Магнитная цепь характеризуется следующими параметрами:

— Магнитным потоком Ф (фи) в веберах (Вб);
— Магнитной индукцией В=Ф/S в теслах (Тл);
— Напряженностью магнитного поля Н в амперах на метр (А/м);
— Магнитной проницаемостью =В/Н в генри на метр (Гн/м);
— Магнитодвижущей силой F=IW в амперах (А).
Магнитное поле создается током намагничивающей катушки. Чем больше ток (I) катушки и чем больше витков она имеет (W), тем сильнее магнитное поле, поэтому величина F=IW называется магнитодвижущей силой (М..Д.С.), которая рассматривается как причина возникновения магнитного поля.
Магнитопровод выполняется из ферромагнитного материала, который способен намагничиваться, т.е. усиливать магнитное поле, создаваемое током, при этом необходимый намагничивающий ток для создания определенного поля уменьшается в сравнении со случаем отсутствия магнитопровода. Кроме того, магнитопровод направляет поле, создаваемое катушкой, в нужную сторону. (У нас на рисунке к воздушному зазору).
Магнитное поле условно отображается замкнутыми силовыми линиями. (На рисунке пунктир). Направление и интенсивность магнитного поля в каждой точке определяется вектором магнитной индукции , касательным к силовым линиям. Вектор оценивают по механической силе, с которой магнитное поле действует на проводник с током. Чем больше , тем сильнее поле в данной точке.
Если пересечь силовые линии плоскостью S, то векторы магнитной индукции пронизывают ее (подобно струям воды, текущей из крана), образуя скалярную величину:

магнитный поток Ф=,

(где – нормаль к поверхности S).
Для равномерного потока (В равномерно распределено по S), перпендикулярного к S,значение Ф=BS.
В (магнитная индукция) оценивает магнитное поле в каждой точке, а Ф (магнитный поток) – по всему сечению магнитопровода. (Аналогично вода, текущая в трубе, имеет различную скорость в каждой точке сечения, а поток определяет расход через всё сечение трубы.)
Влияние среды, где имеется магнитный поток, оценивается вектором напряженности магнитного поля:
,
где — относительная магнитная проницаемость среды,
=4π*10-7 Гн/м — абсолютная магнитная проницаемость вакуума.
Для неферромагнитных материалов , а для намагничивающихся ферромагнитных >>1. Записав, приходим к выводу — коэффициент примерно показывает, во сколько раз ферромагнитный сердечник усиливает магнитное поле, создаваемое катушкой с током.
Так как ферромагнитные материалы легко намагничиваются, то магнитный поток преимущественно замыкается по магнитопроводу (он играет для магнитного потока такую же роль, как и проводник для электрического тока), магнитная индукция в магнитопроводе намного больше, чем в окружающей среде. Поэтому различают основной магнитный поток Фd, который замыкается через рабочий (воздушный) зазор (а при его отсутствии через рабочий объем магнитопровода) и поток рассеяния Фσ, не доходящий до рабочего объема.
2-6.
Обычно Фd>>Фσ. Если специально не оговорено, будем дальше считать, что основной поток Фd – равномерный, а потоком Фσ будем пренебрегать.
При постоянном намагничивающем токе I направление потока Ф неизменно: это магнитная цепь с постоянной М.Д.С. Источником такого потока могут быть постоянные магниты.
При переменном токе i направление потока переменно: это магнитная цепь с переменной М.Д.С.
На магнитные цепи, как и на электрические, распространяются понятия ветвь, узел, контур.
О магнитных свойствах материалов, мы с Вами говорили в курсе ЭТМ (л/р №8).
И понятие домены, собственная намагниченность, коэрцитивная сила (значение обратной напряженности, при которой материал полностью размагничивается В=0), мягнитомягкие и магнитотвердые материалы Вам знакомы.
Поэтому перейдем к следующему вопросу.

МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ С ПОСТОЯННОЙ М.Д.С.

РАСЧЕТ НЕРАЗВЕТВЛЕННОЙ ОДНОРОДНОЙ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ (из одного материала с неизменным сечением)
Расчеты магнитных цепей основаны на известном из физики законе полного тока
(1)
— интеграл вектора напряженности вдоль замкнутого контура равен полному току, охваченному контуром.
Применим его к тороиду, т.е. к кольцевому соленоиду с ферромагнитным сердечником, поток которого близок к равномерному.
Выделим в соленоиде контур по его средней линии с радиусом R. В силу равномерности поля вектор Н одинаков в каждой точке средней линии и касателен к ней, поэтому
,
где — длина средней линии.
Если катушка имеет W витков, то ток I катушки пересекает контур W раз, поэтому полный ток ΣI=IW.
Тогда формула (1) принимает вид
,
откуда
. (2)
Для однородной магнитной цепи по заданному I однозначно определяется H или наоборот. Изменяя I, можно изменить Н, измеряя при этом Ф, можно определить , т.е. снять экспериментально кривые намагничивания.
Если кривая намагничивания задана, то для однородной магнитной цепи можно решить две задачи:
1) По заданному Ф определить , по В на кривой намагничивания найти Н и => намагничивающий ток. Это – прямая задача расчета магнитной цепи.
Дано: L,S,Ф – магнитный поток.
1)
2)

2) По заданному намагничивающему току I, найти H, по H на кривой намагничивания найти В и =>. Это – обратная задача расчета магнитной цепи.
Дано: L, S, IW – МДС.

3)
Эти две задачи решались без учета рассеяния. В неоднородной магнитной цепи решения этих задач усложняются.
ПРЯМАЯ ЗАДАЧА РАСЧЕТА НЕРАЗВЕТВЛЕННОЙ НЕОДНОРОДНОЙ
МАГНИТНОЙ ЦЕПИ

Пусть заданы геометрические размеры магнитной цепи,

кривая намагничивания электротехнической стали сердечника, магнитный поток Ф.
Требуется определить поперечное сечение сердечника SC и намагничивающий ток.
Сечение сердечника
(3),
где: – оптимальное значение индукции в сердечнике, которое принимают на границе насыщения (на рисунке т.А).
При увеличивается сечение магнитопровода (перерасход стали), при резко увеличивается напряженность поля в магнитопроводе, что потребует увеличения тока и (или) числа витков намагничивающей катушки (перерасход меди). Из формулы (3) следует: чем больше магнитный поток, тем больше сечение магнитопровода.
Для вычисления тока неоднородную цепь делят на однородные участки, вдоль которых Н и В неизменны. Здесь их два: сердечник, имеющий одно сечение, и воздушный зазор. Индукции на каждом участке и , где и — сечения сердечника и зазора. Обычно в зазоре поток выпучивается, однако при коротких зазорах .
По кривой намагничивания по Вср находят Нср в сердечнике. Для воздушного зазора .
Применим закон полного тока (1) () к контуру по средней линии магнитного потока. Заменив интеграл суммой для каждого однородного участка, получим:
, (4)
где и — длины сердечника и зазора.
Из (4) определяем:

и задача решена.
АНАЛИЗ УРАВНЕНИЯ ПОЛНОГО ТОКА ДЛЯ
НЕОДНОРОДНОЙ ЦЕПИ
Произведение называется магнитным напряжением, показывающим, какая доля М.Д.С. расходуется на проведение потока Ф через данный участок магнитной цепи: чем больше напряженность поля и чем больше длина участка, тем больше ампер–витков нужно затратить на проведение через него магнитного потока.
Значения напряженности в воздушном зазоре намного больше, чем в ферромагнитном сердечнике. (Так, для электротехнической стали с =4000 значение , а для воздушного зазора . При равных величинах В имеем , т.е. 1мм воздушного зазора эквивалентен для данной стали 4000 мм сердечника.)
Итак, воздушные зазоры вызывают резкое возрастание намагничивающих токов, поэтому паразитные воздушные зазоры в магнитных цепях должны исключаться.
Для уменьшения намагничивающих токов длины участков магнитных цепей () должны быть минимальными.
Если магнитная цепь имеет заметный воздушный зазор, то в формуле (4) обычно . При расчетах такой цепи можно пренебречь значением , т.е. считать, что сердечник — идеальный магнитопровод, не требующий М.Д.С. на проведение по нему потока. Тогда расчет в первом приближении достаточно проводить только с учетом М.Д.С., необходимой для проведения потока через зазор.
2-15.

ОБРАТНАЯ ЗАДАЧА РАСЧЕТА НЕРАЗВЕТВЛЕННОЙ НЕОДНОРОДНОЙ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ

Заданы размеры и материал магнитопровода, число витков W и ток I магнитной цепи.
Требуется найти поток Ф.
При этом в формуле (4) известна правая часть, но не зная Ф, нельзя знать и , т.е. разделить М.Д.С. между неоднородными участками цепи. Поэтому эту задачу решают методом от обратного. Задаются произвольно несколькими значениями потока Ф1, Ф2, Ф3. Для каждого из них решают прямую задачу, определяя соответствующие им намагничивающие токи I1, I2, I3. Строится график . Отложив на нем заданный ток I, находим искомый поток Ф.

МАГНИТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Кривая устанавливает однозначную зависимость между намагничивающим током (I причиной) и создаваемым им магнитным потоком (следствием). Она называется магнитной или вебер-амперной характеристикой данной магнитной цепи и определяется расчетом или экспериментально. Характеристика нелинейна. Вначале Ф растет пропорционально току (линейная часть характеристики).
После насыщения ферромагнитного сердечника (точка А) даже значительное увеличение (I) тока дает малый прирост (Ф) потока (работа в зоне насыщения). Работа в ней обычно нерациональна.
ЗАКОНЫ МАГНИТНЫХ ЦЕПЕЙ И АНАЛОГИЯ С
ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ЦЕПЯМИ.

Подставив в формулу (4)

, и далее и , получим
, (5)
где , — магнитные сопротивления сердечника и воздушного зазора. По аналогии с электрической цепью уравнение (5) можно назвать уравнением состояния магнитной цепи. Оно показывает, что М.Д.С. расходуется на проведение магнитного потока через магнитные сопротивления и участков магнитной цепи.
Магнитные сопротивления, как и электрические, пропорциональны длинам участков, обратнопропорциональны их сечениям и зависят от материала участка. Магнитные сопротивления воздушных зазоров намного больше, чем сердечников.
Выражение, аналогичное закону Ома для электрической цепи, условно называют законом Ома для магнитной цепи.

. (6)
-магнитный поток равен М.Д.С. (F), деленной на сумму магнитных сопротивлений ().
Между магнитными и электрическими цепями имеется формальная аналогия для следующих велечин.

I – электрический ток
E – э.д.с.
R – электрическое сопротивление
U=RI – элекрическое напряжение
ΣIi=0 – первый з-н Кирхгофа
ΣE=ΣU=ΣIR– второй з-н Кирхгофа

Ф – магнитный поток
F=IW – м.д.с.
Rм – магнитное сопротивление
Uм=HL=RмФ – магнитное напряжение
ΣФi=0 – первый з-н Кирхгофа
ΣF=ΣUM (ΣФRм=ΣIW)– второй з-н Кирхгофа.

1-й – з-н Кирхгова – алгебраическая сумма потоков в узле равна нулю.
2-й – закон – сумма падений магнитных потенциалов по замкнутому контуру равна сумме М.Д.С. по этому контуру.
Для магнитных цепей, как и для электрических возможно составление схем замещения. Эти схемы рассчитываются с помощью указанных выше законов, следует только иметь в виду, что магнитные сопротивления – существенно нелинейны.

– составляющие магнитных
сопротивлений, принадлежащих только
сердечнику.
МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ С “~” М.Д.С.
Электромагнитные процессы.
В установившемся режиме ток намагничивающий катушки постоянного тока I=U/R, при включении этой же катушки в цепь переменного тока
,где: U – напряжение сети;
R – сопротивление проводов катушки;
XL – индуктивное сопротивление катушки, которое формально
учитывает токоограничивающее влияние э.д.с. самоиндукции EL,
возникающей в катушке на переменном токе. (Ток в идеальном индуктивном элементе (не имеющем сопротивления R) ограничивается возникающей в нем э.д.с. самоиндукции, значение которой определяется динамическим равновесием, возникающим в этой цепи в соответствии с причинно – следственной цепочкой , а именно: переменное напряжение (с заданной амплитудой) вызывает переменный ток с такой амплитудой, что создаваемый им переменный магнитный поток с потокосцеплением наводит в индуктивном элементе э.д.с. самоиндукции с такой амплитудой, что она точно уравнивает приложенное напряжение. Известно, что э.д.с. самоиндукции направлена так, чтобы противодействовать изменению тока ).
Из-за влияния XL ток катушки в цепи переменного тока меньше, чем в цепи постоянного тока. Поэтому катушки, рассчитанные на включение в цепь переменного тока, нельзя включать в цепь постоянного тока на то же напряжение (они сгорят).
Если же необходимо включить эту катушку в цепь постоянного тока, нужно снизить напряжение или включить последовательно добавочное токоограничивающее сопротивление.
Обычно на переменном токе , поэтому при изучении главных свойств магнитных цепей переменного тока можно пренебречь , т.е. перейти к рассмотрению идеальной катушки переменного тока с ферромагнитным сердечником, для которой считаем отсутствующими сопротивление проводов и поток рассеяния ().
МАГНИТНЫЙ ПОТОК ИДЕАЛЬНОЙ КАТУШКИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ФЕРРОМАГНИТНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ

При включении такой катушки в цепь переменного тока установившиеся процессы в ней описываются причинно-следственной цепочкой
UiψeL=U (*)
Условно-положительные направления в нее величин указаны на следующем рисунке.

Известно, что значение Э.Д.С.:
eL=,
где W – число витков катушки;
Ф – мгновенное значение ее магнитного потока.
Учитывая (*), можно записать:
U=eL=,откуда:
(**)
Т.е. поток Ф в идеальной катушке переменного тока создается током i, но характер его изменения определяется приложенным напряжением U.
Подставив в (**) значение U=Umsin wt и проинтегрировав, получим:
Ф=Фmsin(wt-900),где — амплитуда магнитного потока.
Откуда следует, что:

– при синусоидальном напряжении, приложенном к идеальной катушке, ее магнитный поток – синусоидален;
– магнитный поток Ф отстает от напряжения U по фазе на 900;
– амплитуда магнитного потока определяется амплитудным значением приложенного напряжения.

С учетом и выражение принимает вид:
.
Это выражение связывает приложенное к идеальной катушке напряжение U с амплитудой магнитного потока Фm, частотой тока f и числом витковW.

МАГНИТНЫЕ ПОТЕРИ
Переменный магнитный поток приводит к нагреву магнитопровода из-за магнитных потерь в стали, которые вызываются перемагничиванием сердечника (гистерезисные потери) и вихревыми токами в сердечнике (вихревые потери).
В каждом поперечном сечении толщи магнитопровода создается переменная Э.Д.С. () по линиям концентрических окружностей.

Под действием Э.Д.С. возникают по тем же окружностям вихревые переменные токи i, нагревающие сердечник.
Для снижения гистерезисных потерь применяют электротехнические стали или сплавы с узкой петлей гистерезиса.
Для уменьшения вихревых потерь сердечник набирают (шихтуют) из пластин толщиной (0,350,5) мм., изолированных друг от друга (лаком, папиросной бумагой и т.д.).
При этом путь для тока в каждой пластине становится уже и длиннее, что (в соответствии с , где — удельное сопротивление проводника, (Ом*мм2)/м, — его длина, м; — площадь поперечного сечения) ведет к возрастанию сопротивления цепи, по которой идет вихревой ток, т.е. к уменьшению величины тока и потерь на нагрев.
Удельные магнитные потери в ферромагнитных материалах приводятся в каталогах в зависимости от материала, частоты тока и индукции (1…4 Вт/кг)
Итак: ферромагнитные сердечники для магнитных цепей постоянного тока могут быть сплошными, а для магнитных цепей переменного тока набираются (шихтуются) из тонких листов электротехнической стали.
ОСНОВНОЕ СВОЙСТВО МАГНИТНОГО ПОТОКА ИДЕАЛЬНОЙ КАТУШКИ С ФЕРРОМАГНИТНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ. ВЛИЯНИЕ ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА.

При увеличении воздушного зазора увеличивается магнитное сопротивление цепи, поэтому магнитный поток должен снижаться.
При включении этой катушки в цепь постоянного тока в установившемся режиме ток катушки , где — сопротивление проводов катушки, т.е. ток не зависит от зазора. Поэтому на постоянном токе с увеличением воздушного зазора магнитный поток уменьшается.
На переменном токе положение другое. При зазоре =0 будет иметь место динамическое равновесие .
Если увеличить зазор, то магнитный поток должен уменьшаться, что привело бы к уменьшению .
Но тогда нарушится равновесие и ( <), что приведет к возрастанию тока, при котором восстановится поток, т.е. динамическое равновесие.
Итак: в идеальной катушке переменного тока значение намагничивающего тока автоматически устанавливается таким, чтобы обеспечить равновесие между приложенным напряжением и противо-э.д.с. самоиндукции.
Любое возмущение, стремящееся к нарушению этого равновесия (например, увеличение воздушного зазора), будет приводить к автоматическому изменению намагничивающего тока для восстановления этого равновесия.
В идеальной катушке переменного тока при увеличении воздушного зазора поток =const, но намагничивающий ток автоматически возрастает.
Индуктивное сопротивление идеальной катушки:

С увеличением воздушного зазора индуктивное сопротивление идеальной катушки переменного тока уменьшается.

Стремление к сохранению значения магнитного потока будем называть основным свойством магнитного потока идеальной катушки переменного тока с ферромагнитным сердечником.
Оно является частным проявлением общего закона физики: замкнутый электрический контур стремится сохранить неизменным свой магнитный поток, и лежит в основе действия трансформаторов и электрических машин переменного тока.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАГНИТНЫХ ЦЕПЕЙ
Магнитные цепи широко используются в трансформаторах и электрических машинах. Свойство катушек переменного тока изменять свое сопротивление с изменением воздушного зазора используется для:-создания индукционных датчиков перемещения. Перемещение якоря ведет к изменению тока, т.е. ток становится мерой перемещения;-создания бесконтактных датчиков перемещения машин. Катушка, размещенная на сердечнике без якоря устанавливается рядом с трассой движения какой-либо машины. Когда машина проходит мимо сердечника, ее железная масса играет роль приближающегося якоря, что ведет к снижению тока. Контролируя ток, можно установить момент приближения машины к точке контроля;-регулирования величины сварочного тока. Катушка включается последовательно со сварочным агрегатом. При большом зазоре ее сопротивление мало и сварочный ток – большой. При малом зазоре наоборот.
Способность электромагнитов притягивать близко расположенные ферромагнитные тела используется в тяговых электромагнитах. Ток, проходя по катушке неподвижного сердечника, создает поток. По сторонам воздушного зазора образуются два противоположных полюса (там, откуда выходят силовые линии – северный полюс N, куда входят – южный S). Противоположные полюса притягиваются, т.е. возникают силы, притягивающие подвижный якорь к неподвижному сердечнику.
Сила, действующая в одном зазоре:
,

(тяговая характеристика – это зависимость тягового усилия электромагнита от величины воздушного зазора)

где — поток в зазоре, — сечение зазора.
Выпускаются электромагниты постоянного и переменного (одно- и трехфазные) токов.
Основные характеристики – общее тяговое усилие (Н), максимальный ход (мм).
ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Электромагнитными называются устройства, предназначенные для создания в определенном пространстве магнитного поля с помощью обмотки, обтекаемой электрическим током.
В электромагнитах постоянного тока рабочий магнитный поток создается с помощью обмотки постоянного тока.
Действие таких электромагнитов не зависит от направления тока в обмотке, они наиболее экономичны и благодаря разнообразию конструктивных исполнений их легко приспосабливать в различных конструкциях к различным условиям работы. Поэтому они получили наибольшее распространение. Значительную часть электромагнитов “—” тока составляют электромагнитные механизмы, использующиеся в качестве привода для осуществления необходимого перемещения.
Примером подобных электромагнитов являются: тяговые электромагниты, предназначенные для совершения механической работы при перемещении их рабочих органов, электромагниты муфт сцепления и торможения и тормозные электромагниты; электромагниты, приводящие в действие контактные устройства в контакторах, пускателях, автоматических выключателях; электромагниты реле, регуляторов и других чувствительных устройств автоматики.
При всем разнообразии электромагнитов отдельные их узлы имеют общее назначение:-катушка с расположенной на ней намагничивающей обмоткой;неподвижная часть магнитопровода (сердечник);-подвижная часть магнитопровода (якорь).
Якорь отделяется от остальных частей магнитопровода рабочим и паразитным зазорами и представляет собой часть электромагнита, которая, воспринимая электромагнитное усилие, передает его соответствующим деталям приводимого в действие механизма.
В зависимости от расположения якоря относительно остальных частей электромагнита и характера воздействия на якорь со стороны магнитного потока электромагниты постоянного тока разделяются на следующие типы:

– электромагниты с втягивающимся якорем;
с внешним притягивающимся якорем;
с внешним поперечно движущимся якорем.

Одна из типичных конструкция 1. Характерной особенностью таких электромагнитов является то, что якорь, или как его в данном случае можно назвать, подвижный сердечник, располагается целиком или частично внутри катушки с обмоткой. В процессе срабатывания электромагнита якорь, перемещаясь поступательно, погружается в катушку. Втягивание якоря происходит как за счет магнитного потока, проходящего через торцевую поверхность якоря, так и за счет действия магнитных потоков, выходящих из его боковой поверхности.

У электромагнитов с внешним притягивающимся якорем якорь расположен снаружи по отношению к катушке. На него действует главным образом рабочий магнитный поток, проходящий от якоря к торцу шляпки сердечника. В результате этого якорь поворачивается в пределах малого угла или совершает поступательное перемещение в направлении линии индукции рабочего магнитного потока.

В случае конструкции с внешним поперечно движущимся якорем якорь также располагается снаружи катушки. Рабочий магнитный поток, действующий на якорь, проходит из его боковой поверхности к полюсным наконечникам, имеющим особую форму, определенным образом согласованную с формой боковой поверхности якоря. В результате воздействия со стороны рабочего магнитного потока якорь движется поперек магнитных линий, поворачиваясь на некоторый угол.
В каждой из трех перечисленных групп электромагнитов “—” тока в свою очередь имеется ряд конструктивных разновидностей, определяемых конструкцией магнитной цепи. Кроме того, в зависимости от способа включения обмотки электромагнита различают электромагниты с обмотками параллельного включения и с обмотками последовательного включения.
В первом случае обмотка выполняется таким образом, что ее включают на полное напряжение источника питания непосредственно или через добавочное сопротивление. Ток в цепи обмотки параллельного включения полностью или в значительной степени определяется ее параметрами.
Обмотка последовательного включения практически не влияет на величину тока той цепи, в которую она включается. Последний определяется параметрами остальных элементов цепи.
Благодаря этим особенностям некоторые характеристики электромагнитов параллельного и последовательного включений, в первую очередь их динамические характеристики оказываются, различными. И, наконец, электромагниты различаются по скорости их срабатывания.
РАБОЧИЙ ЦИКЛ ЭЛЕКТРОМАГНИТА
Работа электромагнита в электромагнитном механизме носит циклический характер. Это определяется тем, что якорь электромагнита, используемого в качестве привода, совершает поступательное или вращательное перемещение в ограниченных пределах, следовательно, необходимо обеспечивать его возврат в исходное положение.
Для рассмотрения работы электромагнита приводим следующие рисунки: зависимость положения якоря от времени и зависимость тока в обмотке электромагнита от времени.

Первым этапом рабочего цикла является процесс срабатывания электромагнита. Он начинается с момента подачи питания на обмотку электромагнита, когда якорь переходит из своего начального положения в конечное и подразделяется на период трогания и период движения.
В ПЕРИОД ТРОГАНИЯ ток в обмотке электромагнита нарастает до , обеспечивающего равенство электромагнитной силы силам, противодействующим движению. После этого якорь приходит в движение.
ВРЕМЯ ТРОГАНИЯ , в течении которого ток нарастает до тока трогания, определяется как схемой включения обмотки электромагнита и условиями ее питания, так и параметрами самого электромагнита и его нагрузки. Для одного и того же электромагнита при разной нагрузке (противодействующих движению силах) время трогания будет различно.
Характер движения зависит от соотношения движущих (электромагнитных) и противодействующих сил, а так же массы движущихся частей, трения и т.д.
В период движения при срабатывании совершается та работа, которую должен произвести электромагнит. Ток в обмотке электромагнита в процессе движения якоря, как правило, изменяется (кривая 2).
Его изменения связаны как с процессом установления тока в обмотке, который имел бы место при неподвижном якоре (кривая 1), так и возникновением противо-э.д.с., связанной с движением якоря. Период движения определяет время движения при срабатывании , которое совместно с временем трогания составляет время срабатывания.
После окончания перемещения якоря следует период включенного состояния, в течение которого система находится в покое, а обмотка остается во включенном состоянии.
В начальной стадии этого периода ток в обмотке электромагнита нарастает до установившегося значения (кривая 3), после чего, если не изменяются напряжение питания и сопротивление обмотки, ток остается неизменным.
Длительность включенного состояния зависит от требований эксплуатации электромагнита. Температура нагрева, которой достигает обмотка электромагнита в процессе включенного состояния, не должна превосходить допустимого значения.
Процесс возврата якоря в исходное состояние, так же как и срабатывание, происходит двумя ступенями. Сначала при отключении обмотки ток спадает до величины тока отпускания , при котором электромагнитная сила становится равной силе, стремящейся возвратить якорь в исходное положение. Длительность этого процесса характеризуется промежутком времени , зависящим от нагрузки, условий отключения обмотки и от задерживающего действия вихревых токов в массивных частях электромагнита и короткозамкнутых контурах, если такие имеются. Перемещение подвижных частей в исходное положение происходит в течении времени , которое зависит от ряда факторов и, в первую очередь, от величины отбрасывающих якорь усилий. Время отпускания и время движения в процессе возврата составляют время возврата .
Цикл работы электромагнита завершается периодом отключенного состояния, в течении которого обмотка электромагнита остается обесточенной и происходит ее охлаждение.
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ
Наиболее общими являются динамические характеристики, которые учитывают изменение намагничивающей силы электромагнита в процессе его срабатывания за счет действия э.д.с. самоиндукции и движения, а также учитывают трение, демпфирование и инерцию подвижных частей. Для некоторых типов электромагнитов (быстродействующие приводы выключателей, электромагнитные вибраторы и т.д.) знание динамических характеристик является обязательным, так как только они характеризуют рабочий процесс такого электромагнита. Однако получение динамических характеристик сопряжено с большим объемом вычислений. Поэтому во многих случаях, особенно когда не требуется точного определения времени срабатывания, ограничиваются рассмотрением статических характеристик.
Последние получаются, если не учитывать влияния на электрическую цепь движущегося якоря электромагнита, а также не учитывать изменения потокосцепления по времени, т.е. считать, что ток в обмотке электромагнита неизменен.
Важнейшими характеристиками электромагнита с точки зрения его оценки являются следующие:

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА.

Представляет зависимость электромагнитной силы () от положения якоря () для различных постоянных значений напряжения, подведенного к обмотке, или тока в обмотке.
при
при
Она должна быть такой, чтобы в любом положении якоря электромагнитная сила была больше противодействующей.

НАГРУЗОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА.

Связывает значение электромагнитной силы и величину напряжения, подведенного к обмотке, или тока в ней при различных положениях якоря
для

УСЛОВНАЯ ПОЛЕЗНАЯ РАБОТА.

Определяется как произведение электромагнитной силы, соответствующей данному положению якоря, на величину его возможного хода
при .
Значение условной полезной работы для данного электромагнита является функцией начального положения якоря и величины тока в обмотке электромагнита.

ВРЕМЯ СРАБАТЫВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА.

При прочих равных условиях является функцией начальной силы, противодействующей перемещению якоря
при

Зависимость температуры нагрева обмотки электромагнита от продолжительности включенного состояния
nобм=f(t)

ПОКАЗАТЕЛЬ ДОБРОТНОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТА.

Отношение веса электромагнита к величине условной полезной работы

ПОКАЗАТЕЛЬ ЭКОНОМИЧНОСТИ.

Отношение потребляемой обмоткой электромагнита мощности к величине условной полезной работы

Все эти характеристики позволяют установить пригодность данного электромагнита к определенным условиям его работы.

Кроме перечисленных характеристик, следует рассмотреть также некоторые из основных параметров электромагнитов.
К ним относятся:
а) МОЩНОСТЬ, ПОТРЕБЛЯЕМАЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТОМ.
Предельная мощность, потребляемая электромагнитом, может ограничиваться как величиной допустимого нагрева его обмотки, так, в некоторых случаях, и условиями питания цепи обмотки электромагнита.
Для силового электромагнита, как правило, ограничением является его нагрев за период включенного состояния. Поэтому величина допустимого нагрева и его правильный учет при проектировании являются наиболее важным фактором.
Выбор рациональной конструкции как в магнитном и механическом отношении, так и в смысле тепловых характеристик позволяет при заданных условиях получить конструкцию с минимальными габаритами и весом, а следовательно, и наименьшей стоимостью. Применение более совершенных магнитных материалов и обмоточных проводов также способствует увеличению эффективности конструкции.
В некоторых случаях электромагниты (для реле регуляторов и др.) проектируют из расчета получения максимального усилия, т.е. минимального потребления мощности при заданной полезной работе. Такие электромагниты характеризуются сравнительно небольшими электромагнитными силами и ходами и легкими подвижными частями. Нагрев их обмоток бывает обычно значительно ниже допустимого. Теоретически мощность, потребляемая электромагнитом, может быть сколь угодно снижена путем соответствующего увеличения размеров его катушки. Практически предел этому создают увеличивающаяся длина среднего витка обмотки и длина средней линии магнитной индукции, вследствие чего увеличение размеров электромагнита становится малоэффективным.
б) КОЭФФИЦИЕНТ ЗАПАСА.
В большинстве случаев намагничивающую силу трогания можно считать равной Н.С. срабатывания электромагнита.
Отношение Н.С., соответствующей установившемуся значению тока, к Н.С. срабатывания (критической Н.С.) носит название коэффициента запаса

Для получения минимального времени трогания, при определенной конструкции электромагнита, ток трогания должен составлять примерно 70% установившегося тока, т.е. .

в) КОЭФФИЦИЕНТ ВОЗВРАТА.
Отношение Н.С., при которой происходит возврат якоря в первоначальное положение, к Н.С. срабатывания называется коэффициентом возврата электромагнита.
Коэффициент возврата имеет наибольшее значение при максимальном приближении противодействующей характеристики к тяговой характеристике электромагнита. Уменьшение хода электромагнита также повышает коэффициент возврата.

ФОРСИРОВКА ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ “—” I
Форсировка электромагнита “—” тока – это значит ускорение срабатывания электромагнита.
Определяющим во времени срабатывания является время трогания. Фактически – изменение постоянной времени цепи.
СПОСОБЫ ФОРСИРОВКИ
а) Включение дополнительного резистора в цепь катушки электромагнита с одновременным увеличением питающего напряжения.

U>Uн, Iустановив.=const, Т=L/(R+RД) – постоянная времени цепи уменьшается.
Уменьшается время трогания и время срабатывания.
б) Включение дополнительного сопротивления, шунтируемого дополнительным (вспомогательным) контактом электромагнита (или С).

В первый момент времени контакт шунтирует резистор и ток быстро достигает тока трогания из-за малого сопротивления обмотки. После включения электромагнита вводится дополнительное сопротивление, ограничивающее значение установившегося тока.
В момент включения емкость представляет собой малое сопротивление, фактически шунтирующее . После того, как якорь трогается, происходит дешунтирование (зарядка С).

Каким образом можно осуществить замедление Вы узнаете из л.р. №7 (при помощи короткозамкнутого витка, надеваемого на сердечник; КЗ виток – это магнитный демпфер. При включении магнитная система разомкнута, время замедления – доли секунды.
Поскольку при отключении система магнитопровода замкнута, то постоянная времени намного больше. Замедление достаточно большое (десятки секунд). Потоки направлены друг против друга.)

ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Широкое распространение имеют электромагниты, питание которых осуществляется от источников переменного тока.
Магнитный поток, создаваемый обмоткой, по которой проходит переменный ток, периодически меняется по величине и направлению (переменный магнитный поток), в результате чего сила электромагнитного притяжения пульсирует от нуля до максимума с удвоенной частотой по отношению к частоте питающего тока. (В ряде случаев эта пульсация весьма полезна. Так, благодаря такой характеристике электромагниты переменного тока находят широкое применение в конструкциях вибраторов, электромагнитных молотков и т.д.).
Однако для тяговых электромагнитов снижение электромагнитной силы ниже определенного уровня недопустимо, т.к. это приводит к вибрации якоря, а в определенных случаях и к прямому нарушению нормальной работы.
Поэтому в тяговых электромагнитах, работающих при переменном магнитном потоке, приходится прибегать к специальным мерам для уменьшения глубины пульсации силы.
Основным способом уменьшения пульсации суммарной силы, действующей на якорь электромагнита с переменным магнитным потоком, является применение магнитных систем с расщепленными путями магнитного потока, по каждому из которых проходят переменные магнитные потоки, сдвинутые по фазе друг относительно друга.
(В электромагнитах, имеющих однофазную обмотку это достигается применением специальных экранирующих обмоток, которые иногда называют короткозамкнутыми витками. Кроме того, имеются двухфазные и трехфазные электромагниты).
В последнее время благодаря появлению компактных экономичных полупроводниковых вентилей широкое распространение получают электромагниты переменного тока с встроенными выпрямителями.
В этом случае магнитная система обтекается не переменным, а пульсирующим магнитным потоком, причем пульсация сглаживается за счет индуктивности обмотки электромагнита.
Электромагниты переменного тока, так же как и электромагниты постоянного тока состоят из следующих основных частей: катушка, сердечник, якорь.
Воздушные промежутки, в которых возникает полезная сила называются рабочими, воздушные промежутки, в которых не возникает усилия в направлении возможного перемещения якоря, являются паразитными.
В зависимости от расположения якоря относительно остальных частей электромагнита различают электромагниты с втягивающимся якорем и электромагниты с внешним притягивающимся якорем.
Для уменьшения потерь на вихревые токи и перемагничивание, магнитные системы электромагнитов переменного тока выполняют из тонколистовой стали с высоким удельным электрическим сопротивлением.

ВИБРАЦИЯ ЯКОРЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
По формуле Максвелла определяем тяговое усилие

(Если поток выразить в веберах, площадь в м2, → сила будет выражена в ньютонах).
Тяговое усилие изменяется по закону:

ГРАФИКИ, ОПИСЫВАЮЩИЕ ЭТОТ ПРОЦЕСС

механическая характеристика равна сумме сил, противодействующих движению якоря.
Только в некоторых областях якорь будет притягиваться (заштрихованные области). В остальных промежутках якорь отпадает.

СПОСОБЫ УСТРАНЕНИЯ ВИБРАЦИИ ЯКОРЯ

Включение электромагнита на выпрямленное напряжение.
На стадии изготовления используют короткозамкнутый виток.

В сердечнике электромагнита делается прорезь и около 80% сечения охватывается короткозамкнутым витком, выполненным из материала с высокой электропроводностью.

Магнитный поток делится на 2 составляющие и . В соответствии с законом Ленца появляется поток от короткозамкнутого витка. Причем, в левой части зазора потоки и складываются, а в правой части (охваченной короткозамкнутым витком) и вычитаются. Результирующие потоки оказываются сдвинутыми во времени на угол (векторная диаграмма). В результате значения магнитных потоков определяются:
Зона, не охваченная короткозамкнутым витком:

Зона, которая охвачена короткозамкнутым витком:В результате получим зависимости тягового усилия во времени
сдвинута относительно на .
Из графика видно, что тяговое усилие больше механического. Таким образом, вибрация якоря отсутствует.
Рассмотрим условия, при которых полностью отсутствует вибрация.

при 1)
2)
Реально =60-650, переменная составляющая – при этом вибрация якоря.

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ К.З. ВИТКА

– площадь сечения, охваченная к.з. витком
– площадь сечения, неохваченная к.з. витком
– конечный зазор при полностью притянутом якоре.

КАТУШКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КАТУШКАМ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ

Надежное включение электромагнита в наихудших условиях, т.е. при пониженном напряжении и повышенной температуре.
Температура не должна превышать допустимую для данного класса изоляции при повышенном напряжении.
Минимальные габариты и экономичная технология в изготовлении.
Механическая прочность.
Влагостойкость, в некоторых случаях кислото и маслостойкость.

Конструктивно катушки делятся на: каркасные, бескаркасные, бандажированные, бескаркасные с намоткой на сердечник.
По способу включения: катушки тока (мало витков провода большого сечения), катушки напряжения (много витков провода малого сечения).
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ПРИ РАСЧЕТЕ КАТУШЕК:

род тока (“—” или “~”);
;
требуемое значение М.Д.С.;
допустимое отклонение напряжения;
режим работы (продолжительный, кратковременный…);
окружающая среда и ее предельная температура (воздух 400, масло 600)

В РЕЗУЛЬТАТЕ РАСЧЕТА ОПРЕДЕЛЯЮТСЯ:

число витков ();
сечение провода ();
диаметр провода ();
сопротивление катушки ();
индуктивность катушки ();
потребляемая мощность ();
превышение температуры катушки над температурой окружающей среды ().

РАССМОТРИМ РАСЧЕТ КАТУШКИ НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА “—” ТОКА
— длина и высота намотки — диаметр катушкиДано: +5%-30%(м.д.с.)
– средняя длина витка
– сечение провода

Коэффициент заполнения обмоточного пространства медью:

Коэффициент укладки:
, — диаметр провода по меди;
1 — диаметр провода с учетом изоляции.

РАСЧЕТ КАТУШКИ НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Дано: , , , конструктивные размеры.
(*)
— нечетное число витков, т.к. не учтено R

Ток катушки
Задаемся плотностью тока:
А/мм2 – продолжительный режим
А/мм2 – повторно-кратковременный
А/мм2 – кратковременный

Проверка уравнения (*) — 10%, если больше 10% делаем перерасчет.
СПОСОБЫ УКЛАДКИ (НАМОТКИ) ПРОВОДОВ
Существует три способа намотки:

1 – рядовая 2 – шахматная
3 – дикая
На практике по диаметру и марке провода находим .

Число витковПосле этого определяем ток в катушке
Сравниваем с заданной М.Д.С.,
если отличие >10% производим перерасчет (изменяя ).
Определяем мощность, выделяемую в катушке:
По формуле Ньютона установившееся превышение температуры:,
— обобщающий коэффициент теплоотдачи с поверхности.
Для катушек такого типа Вт/м2.
Полученное значение температуры сравнивается с допустимым для данного провода. Если , то принимается провод с более высоким уровнем изоляции, если и это не помогает, то такую катушку в продолжительном режиме использовать нельзя.
Коэффициент включения:

Будем смотреть, при каком ПВ или наша катушка работает без перегрева.

Что такое сердечник трансформатора: строение и виды магнитопроводов

Трансформатор устанавливают в электрических сетях для преобразования напряжения переменного тока. Главные части устройства – это сердечник и обмотки. Обмотки – это катушки, которые наматываются из проводящего металла на сердечник. В этих целях чаще всего используют медь или алюминий. Под нагрузкой на первичную обмотку подается напряжение. Ток пронизывает обмотку и приводит к возникновению магнитного потока в сердечнике. В результате во второй обмотке также возникает напряжение. А его величина зависит от количества витков проволоки на первичной и вторичной обмотке.

Что такое магнитопровод трансформатора и зачем он нужен?

Магнитопровод или сердечник трансформатора позволяет более эффективно преобразовывать напряжение, уменьшая при этом потери. Для изготовления сердечников используют специальную ферромагнитную сталь.

Виды сердечников трансформатора

Сердечники по строению разделяют на:

стержневые;
броневые;
тороидальные.

Стержневой сердечник имеет вид буквы П. Обмотки насаживаются на стержни, а сами стержни соединяются ярмом. Такая конструкция магнитопровода позволяет легко осматривать и ремонтировать обмотки. Поэтому такой тип характерен для средних и мощных трансформаторов.

Броневой сердечник Ш-образной формы. Обмотки находятся на центральном стержне. Броневые трансформаторы сложнее в производстве. И ремонтировать обмотки в них не так просто, как в стержневых.

Тороидальный сердечник имеет вид кольца с сечением прямоугольной формы. Обмотки наматываются прямо на него. Поэтому этот тип сердечников считается самым энергетически эффективным.

а – стержневой сердечник, б – броневой сердечник, в – тороидальный сердечник.

Как сократить потери в магнитопроводе трансформатора?

В работающем трансформаторе на сердечник воздействует переменное магнитное поле. В результате вокруг сердечника возникают вихревые токи. Из-за них магнитопровод нагревается – то есть часть полезной энергии уходит впустую.

На потери из-за перемагничивания влияет:

характер материала сердечника. Чем проще намагничивается металл, тем проще его перемагнитить и тем меньше потери в трансформаторе;
частота перемагничивания;
максимальное значение магнитной индукции.

Чтобы снизить потери, для производства сердечников используют сталь с выраженными магнитными свойствами. Такой материал требует меньше энергии на перемагничивание.

В монолитных проводниках вихревые токи приобретают максимальные значения из-за небольшого сопротивления. Следовательно, чтобы уменьшить потери в трансформаторе, нужно увеличить сопротивление материала сердечника. Производители силовых трансформаторов нашли выход: они набирают магнитопровод из металлических листов. Стальные пластины для сердечника берутся не более 0,5 мм толщиной.

Чтобы действительно снизить сопротивление вихревым токам в сердечнике, металлические пластины нужно изолировать. Для этого производители трансформаторов используют лак и окалину. Прослойка не дает влиять вихревым токам на магнитный поток в сердечнике. Поэтому потери снижаются.

Производители собирают пластины двумя способами:

встык – при этом собирается сам сердечник, потом на него насаживаются обмотки и только после этого все скрепляется ярмом в единую конструкцию;
впереплет (шихтованные сердечники) – когда каждый следующий ряд пластин перекрывает стыки на предыдущем.

Встык магнитопровод проще монтировать, но уровень потерь в них выше, чем у шихтованных сердечников. Поэтому большим спросом пользуются шихтованные трансформаторы.

Ремонт трансформаторов и низковольтных аппаратов — Магнитопроводы

магнитопровод

МАГНИТОПРОВОДЫ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Магнитопровод * силового трансформатора представляет собой комплект пластин электротехнической стали или другого ферромагнитного материала, собранных в определенную геометрическую форму, и служит для локализации в нем основного магнитного поля трансформатора. Он является важнейшим и конструктивно сложным элементом трансформатора, участвующим в энергопреобразующем процессе и вместе с обмотками составляющим его активную часть. Магнитопровод обладает магнитным сопротивлением зависящим От длины цепи, его поперечного сечения и свойств материала, из которого он собран1 — Магниткой проницаемости стали. Чтобы при данном магнитном потоке и, следовательно, заданной плотности потока на единицу поперечного сечения (магнитной индукции) уменьшить намагничивающий ток, необходимо значительно снизить магнитное сопротивление активной части магнитопровода, т. е. изготовить его из материала, обладающего высокой проницаемостью. Такими материалами являются горячекатаные и холоднокатаные электротехнические (трансформаторные) стали.
В трансформаторостроении ранее применяли электротехнические стали следующих марок — горячекатаную Э22, Э41, Э42, Э43, Э43А и холоднокатаную текстурованную Э310, Э320, Э330, Э330-А, Э330-АП. В настоящее время используют сталь 38 марок (ГОСТ 21427.0 — 75). Обозначения марок стали состоят из четырех цифр: первая цифра указывает класс по структурному состоянию и виду проката; вторая — содержание кремния, третья — группу по основной нормируемой характеристике, четвертая — порядковый номер типа стали.
Электротехнические стали подразделяют: по структурному состоянию и виду проката на три класса (первый — горячекатаная изотропная ** , второй — холоднокатаная изотропная, третий — холоднокатаная анизотропная *** ); по содержанию кремния на шесть групп; по основной нормируемой характеристике на пять групп, определяемых по удельным потерям при соответствующих магнитной индукции и частоте.

*Магнитопровод — это краткая форма стандартного термина «магнитная система».

**Изотропными называет материалы с одинаковыми физическими свойствами по всем направлениям.

***Анизотропными называют материалы, свойства которых не одинаковы по различным направлениям. Трансформаторы с остовом магнитопровода из анизотропной текстурованной электротехнической стали примерно на 20 — 30% легче трансформаторов с остовом магнитопровода из обычной и широко ранее применяемой горячекатаной стали:

Горячекатаную изотропную электротехническую сталь изготовляют в виде листов (ГОСТ 21427.3 — 75), различаемых по точности проката и толщине — нормальной (Н) и повышенной (П) точности. Листы стали поставляются в термически обработанном состоянии с травленой (Т) или нетравленой (НТ) гладкой поверхностью, не имеющей ржавчины, отслаивающейся окалины и иных дефектов, препятствующих, нанесению на нее изоляции.
4 Холоднокатаную анизотропную электротехническую сталь выпускают в соответствии с ГОСТ 21427.1 — 75 и стандартом СЭВ СТ 102 — 74 и по виду покрытия подразделяют: с электроизоляционным термостойким (ЭТ), не ухудшающим штампуемость — мягкое (М), без покрытия (БП). Холоднокатаную изотропную электротехническую сталь выпускают 11 марок с термостойким электроизоляционным покрытием (ЭТ), с нетермостойким (Э) и без покрытия (БП).
Магнитные свойств электротехнических сталей характеризуются намагничиванием, а потери в них от вихревых токов и гистерезиса определяются удельными потерями (потерями в 1 кг стали при частоте 50 Гц и синусоидальном напряжении). В трансформаторостроении применяют листовую и рулон- ную электротехническую сталь преимущественно толщиной 0,35 и 0,5 мм.
Магнитопроводы трансформаторов собирают из пластин электротехнической стали, изолированных пленкой жаростойкого покрытия или лака * . Магнитопроводы представляют собой жесткую конструкцию, на которой устанавливают и закрепляют обмотки НН и ВН, отводы, переключатели и другие детали активной части трансформаторов. Выпускают два типа магнитопроводов: стержневой и броневой. Наиболее распространен стержневой магнитопровод (рис. 31), который состоит из вертикальных стержней 1 со ступенчатым сечением, вписывающихся в круг. На стержнях расположены обмотки 2 цилиндрической формы. Верхняя и нижняя части магнитопровода, замыкающие стержни и не имеющие обмоток, называются ярмами магнитопровода. Ярма, связывая все стержни магнитопровода, образуют замкнутую магнитную цепь и. одновременно придают определенную жесткость и механическую прочность конструкции, что крайне необходимо, так как на магнитопровод часто действуют большие динамические усилия, вызываемые короткими замыканиями в сети.

*Пластины остова магнитопровода трансформаторов старых конструкций изолированы тонкой бумагой, приклеенной к пластине. Такие трансформаторы еще встречаются довольно часто в ремонтной практике.

Броневой магнитопровод (рис. 32) имеет горизонтально расположенные прямоугольные стержни, на которых размещаются обмотки прямоугольной формы.
В нашей стране находится в эксплуатации небольшое количество трансформаторов иностранных фирм и отечественного изготовления с магнитопроводами броневого типа.

Рис. 32. Броневой магнитопровод
Рис. 31. Стержневой магнитопровод: 1 — стержень, 2 — обмотка, 3 — ярмо

Большинство из них имеется в трансформаторах старых конструкций. Ремонтные предприятия при необходимости производят реконструкцию таких трансформаторов, значительно повышая их мощность и улучшая характеристики. В настоящее время броневые магнитопровода в трансформаторах общего назначения не применяются из-за сложности технологии их изготовления. Их используют только в некоторых типах специальных трансформаторов, например печных.
По способу соединения стержней с ярмами различают стыковую и шихтованную конструкции магнитопроводов.
При стыковой конструкции стержни и ярма собирают раздельно, насаживают обмотки на стержни, а затем сверху приставляют верхнее ярмо. Чтобы избежать замыкания пластин, между стыкующимися частями магнитопровода помещают изоляционные прокладки из электрокартона. После установки верхнего ярма всю конструкцию прессуют и стягивают вертикальными шпильками. Стыковая конструкция существенно облегчает сборку и разборку, поскольку для насадки и демонтажа обмоток достаточно снять верхнее ярмо.
Однако стыковая конструкция магнитопровода не свободна от недостатков, имеющих существенное значение при изготовлении, ремонте и эксплуатации трансформаторов с такими магнитопроводами. К ним относят: большой ток холостого хода (приблизительно в 1,5 раза), чем у магнитопроводов шихтованной конструкции, и повышенное гудение трансформатора при его работе. Больший ток холостого хода — следствие сплошных немагнитных зазоров между ярмами и стержнями. Сила этого тока зависит от точности резки, штамповки стали и сборки магнитопровода, а также толщины изоляционной прокладки, закладываемой в стыки. Чем толще эта подкладка и хуже точность обработки стали, тем выше магнитное сопротивление и соответственно намагничивающий ток. Основным затруднением при ремонте стыкового магнитопровода
является создание ровных стыковых поверхностей ярм и стержней. При перекосе стыка или неодинаковом сжатии прокладок на разных стержнях плохо стянутые в осевом направлении стержни под действием силы магнитного притяжения начинают вибрировать между ярмами, разбивая изоляционную прокладку. В этом случае листы активной стали стержней и ярм замыкаются и в трансформаторе могут возникнуть замкнутые контуры тока, приводящие к серьезной аварии («пожару в стали»).
В настоящее время магнитопроводы силовых трансформаторов общего назначения изготовляют шихтованными. Стержни и ярма собирают в переплет, т. е. разбивают по толщине на слои (обычно по два или три листа), составленные из отдельных пластин так, чтобы в каждом слое часть пластин стержня заходила в ярмо. При этом пластины одного слоя перекрывают стыки пластин смежного слоя. Преимуществами шихтованной конструкции перед стыковой являются меньшая масса и большая механическая прочность, небольшие зазоры в местах стыков и ток холостого хода трансформаторов.
Однако при шихтованной конструкции усложняется сборка трансформатора: для насадки на стержни обмоток приходится сначала расшихтовать верхнее ярмо по отдельным слоям, а затем после насадки, обмоток вновь з ашихтовать. Аналогичные операции производятся и при ремонте трансформаторов с поврежденными обмотками. Шихтовка требует большой тщательности выполнения операций и предельного сокращения зазоров между пластинами стержня и ярма, так как увеличенные зазоры между ними ухудшают условия прохождения магнитного потока и увеличивают ток холостого хода трансформатора.
В отечественном трансформаторостроении в конструкциях стержневых магнитопроводов применяют «косой стык» (образуемый пластинами, стороны которых срезаны чаще всего под углом 45°) с целью уменьшения участка магнитной цепи, на котором направление магнитного потока линий магнитной индукции не совпадает с направлением прокатки листов стали. Для холоднокатаной электротехнической стали, из которой в настоящее время изготовляют магнитопроводы силовых трансформаторов, это имеет существенное значение, поскольку ее магнитная проводимость вдоль прокатки значительно выше, чем под углом к ней. В косых стыках зона некоторого, несовпадения направления потока и прокатки листов ограничивается малым объемом стали, прилегающим к стыку пластин, поэтому увеличение потерь на этом участке меньше.
Рис. 33. Магнитопровод трансформатора мощностью 1800 кВА со стяжными шпильками, пропущенными в отверстия стержней и ярм:

1 — стержень магнитопровода, 2 и 12 — верхнее и нижнее ярма, 3 и 13 — верхние и нижние ярмовые балки, 4 — горизонтальная стяжная шпилька, прессующая ярмо, 5 — вертикальная прессующая шпилька, 6 — изолирующая прокладка, 7 — отверстия для подъемных шпилек, 8 — горизонтальная стяжная шпилька, прессующая стержень, 9 — изоляционная трубка вертикальной прессующей шпильки, 10 — опорная стальная пластина, 11 — деревянная планка

Ярмо магнитопровода

Шихтовка магнитопроводов с косыми срезами в пластинах сложнее, чем с прямоугольными листами, в связи с чем усложняется также устройство стяжки ярм, поэтому трудоемкость сборки магнитопровода с косыми стыками значительно увеличивается. В некоторых конструкциях трехфазных магнитопроводов ограничиваются косыми стыками только у крайних стержней. Средний стержень выполняется с обычными прямыми стыками. При использовании косого стыка в конструкции магнитопровода снижаются потери холостого хода.
Стальные пластины стержней и ярм магнитопровода должны быть прочно спрессованы, для чего в трансформаторостроении до последнего времени в активной стали создавали (путем штамповки пластин) специальные отверстия. В эти отверстия собранного магнитопровода вставлялись горизонтальные шпильки и с их помощью стягивались стержни и ярма магнитопровода. Во избежание замыкания пластин, которое может вызвать увеличение вихревых токов и сильный местный нагрев вплоть до. «пожара в стали», шпильки надежно изолировали от активной стали.
Однако конструкции магнитопроводов с отверстиями в активной стали стержней и ярм (рис. 33) имеют существенные недостатки. Отверстия штампуются на специальных прессах (это одна из наиболее трудоемких операций при изготовлении магнитопроводов); вокруг каждого отверстия появляется зона механически деформированной стали (для снятия возникшего наклепа необходим отжиг пластин); отверстия уменьшают сечений и вызывают местное увеличение потерь холостого хода. Наконец, даже самая надежная изоляция шпилек, прессующих стержни и ярма магнитопровода, может со временем нарушиться с тяжелыми последствиями для трансформатора.

Рис. 34, Ярмо магнитопровода, запрессованное полубандажами:
1 — стальная лента, 2 — шпилька, 3 — пластина из стеклопластика, 4 — прессующая, гайка, 5 — изоляция стальной шпильки трубкой

Поэтому в последнее время широко применяют конструкции «бесшпилечных» магнитопроводов. Существует довольно много конструкций бесшпилечных магнитопроводов, отличающихся способом прессовки стержней и ярм. Так, у трансформаторов мощностью 250 — 630 кВ-А стержни затягивают временными струбцинами еще в горизонтальном положении сразу после сборки. При насадке обмоток (как правило, намотанных на бумажно-бакелитовом цилиндре) струбцины снимают, а между цилиндром и, магнитопроводом устанавливают деревянные планки и клинья, жестко прессующие пластины стержня.
У трансформаторов большей мощности стержни прессуют бандажами стальными или из стеклоленты. Чтобы избежать образования замкнутого витка, стальные, бандажи выполняют с изолирующей пряжкой. Бандажи из стеклоленты наматывают с помощью специального устройства позволяющего равномерно укладывать ленту с необходимым натягом для запрессовки стержня.
Для прессовки ярм используют вынесенные за крайние стержни шпильки, стягивающие ярмовые балки (балки делают механически очень прочными), или стальные полубандажи, охватывающие верхние и нижние ярма. В некоторых конструкциях вместо полубандажей ставят стальные шпильки, требующие, однако, некоторого увеличения окна магнитопровода.
Ярмо магнитопровода, запрессованное стальными полубандажами, показано на рис. 34. Полубандаж представляет собой стальную ленту 1 шириной 40 — 60 мм и толщиной 4 — 6 мм (обычно берут две ленты толщиной по 2 — 3 мм). К концам ленты приваривают стальные шпильки 2, пропускаемые через пластины 3 из прочного изоляционного материала (чаще всего применяют стеклопластики). При затяжке гаек 4, наворачиваемых на шпильки, создается необходимое усилие, запрессовки ярма. Чтобы избежать замыкания пластин стали ярма полубандажом, под него подкладывают коробочку из электрокартона толщиной 2 — 3 мм.
Однако одни полубандажи не могут создать усилий, достаточных для прессовки ярма. Для затяжки ярм обязательно применяют специальные стяжные устройства по торцам магнитопровода, вынесенные за активную сталь. Это могут быть стальные шпильки, изолированные бумажно-бакелитовыми трубками 5 от возможного замыкания со стержнем.
Во время работы трансформатора между его обмотками и заземленными частями (например, баком) существует электрическое поле. Все металлические части трансформатора, находящиеся в этом поле, заряжаются, т. е. приобретают некоторый потенциал. Между заряженными деталями и заземленным баком возникают разности потенциалов. Несмотря на малую величину они могут оказаться достаточными для пробоя небольших, изоляционных промежутков, разделяющих металлические части. Пробои нежелательны, поскольку ведут к разложению и порче масла и всегда сопровождаются характерным треском, что вызывает сомнения в исправности изоляции трансформатора. Поэтому магнитопровод и детали его крепления обязательно заземляют, т. е. придают им всем одинаковый потенциал — потенциал бака (земли); возникающие при этом электрические заряды по заземлениям «стекают» с металлических деталей трансформатора в землю.
Заземляют ярмовые балки, все металлические крепления и детали, за исключением горизонтальных стяжных шпилек, потенциал которых всегда близок к потенциалу стали магнитопровода. Заземление осуществляют с помощью медных лент, вставляемых между пластинами стали магнитопровода и закрепляемых другими концами на ярмовой балке. Верхнюю и нижнюю балки связывают вертикальными стяжными шпильками, а с заземленным баком трансформатора — подъемной шпилькой.
Возможны различные способы заземления металлических деталей; они зависят от конструкции магнитопровода, крепления активной части в баке, связи между отдельными деталями. В любом случае выполнение указаний о заземлении отдельных элементов конструкции трансформатора является обязательным. .
Магнитопровод — наиболее ответственная часть, от правильной сборки и способа выполнения заземления которого в значительной мере зависит нормальная и длительная работа трансформатора.