Учебное пособие: Электрические аппараты

(5.37)

Характеристика размагничивания материала обычно не приводится полностью, а задаются только величины индукции насыщения Bs, остаточной индукции Вг, коэрцитивной силы Нс. Для расчета магнита необходимо знать всю кривую размагничивания, которая для большинства магнитно-твердых материалов хорошо аппроксимируется формулой

(5.38)

Кривая размагничивания, выражаемая (5.30), может быть легко построена графически, если известны Bs, Вг.

б) Определение потока в рабочем зазоре для заданной магнитной цепи. В реальной системе с постоянным магнитом поток в рабочем зазоре отличается от потока в нейтральном сечении (середине магнита) из-за наличия потоков рассеяния и выпучивания (рис.).

Рис.5.8. Магнитной цепи с постоянным магнитом и потоками рассеяния и выпучивания

Поток в нейтральном сечении равен:

(5.39)

гдепоток в нейтральном сечении;

поток выпучивания у полюсов;

поток рассеяния;

рабочий поток.

Коэффициент рассеяния о определяется равенством

(5.40)

Если принять, что потокисоздаются одной и той же разностью магнитных потенциалов, то

(5.41)

Индукцию в нейтральном сечении найдем, определив tga:

и воспользовавшись кривой размагничивания рис.5.6. Индукция в рабочем зазоре равна:

(5.42)

поскольку поток в рабочем зазоре в о раз меньше, чем поток в нейтральном сечении.

Очень часто намагничивание системы происходит в несобранном состоянии, когда проводимость рабочего зазора уменьшена из-за отсутствия деталей из ферромагнитного материала. В этом случае расчет ведется с использованием прямой возврата. Если потоки рассеяния значительны, то расчет рекомендуется вести по участкам, так же как и в случае электромагнита.

Потоки рассеяния в постоянных магнитах играют значительно большую роль, чем в электромагнитах. Дело в том, что магнитная проницаемость магнитно-твердых материалов значительно ниже, чем у магнитно-мягких, из которых изготавливаются системы для электромагнитов. Потоки рассеяния вызывают значительное падение магнитного потенциала вдоль постоянного магнита и уменьшают н. с, а следовательно, и поток в рабочем зазоре.

Коэффициент рассеяния выполненных систем колеблется в довольно широких пределах. Расчет коэффициента рассеяния и потоков рассеяния связан с большими трудностями. Поэтому при разработке новой конструкции величину коэффициента рассеяния рекомендуется определить на специальной модели, в которой постоянный магнит заменен электромагнитом. Намагничивающая обмотка выбирается такой, чтобы получить в рабочем зазоре необходимый поток.

в) Определение размеров магнита по требуемой индукции в рабочем зазоре. Эта задача является еще более трудной, чем определение потока при известных размерах. При выборе размеров магнитной цепи обычно стремятся к тому, чтобы индукция В0 и напряженность Н0 в нейтральном сечении соответствовали максимальному значению произведения Н0В0. При этом объем магнита будет минимальным. Даются следующие рекомендации по выбору материалов. Если требуется при больших зазорах получить большое значение индукции, то наиболее подходящим материалом является магнико. Если при большом зазоре необходимо создать небольшие индукции, то можно рекомендовать альниси. При малых рабочих зазорах и большом значении индукции целесообразно применение альни.

Сечение магнита выбирается из следующих соображений. Индукция в нейтральном сечении выбирается равной В0. Тогда поток в нейтральном сечении

откуда сечение магнита

Величины индукции в рабочем зазоре Вр и площадь полюса являются заданными величинами. Наиболее трудным является определение значения коэффициента рассеяния. Величина его зависит от конструкции и индукции в сердечнике. Если сечение магнита получилось большим, то применяют несколько магнитов, включенных параллельно. Длина магнита определяется из условия создания необходимой н.с. в рабочем зазоре при напряженности в теле магнита Н0:

где бр — величина рабочего зазора.

При больших рабочих зазорах рекомендуется соединять несколько магнитов последовательно.

После выбора основных размеров и конструирования магнита проводится поверочный расчет по методике, описанной ранее.

г) Стабилизация характеристик магнита. В процессе работы магнита наблюдается уменьшение потока в рабочем зазоре системы — старение магнита. Различают структурное, механическое и магнитное старение.

Структурное старение наступает вследствие того, что после закалки материала в нем возникают внутренние напряжения, материал приобретает неоднородную структуру. В процессе работы материал становится более однородным, внутренние напряжения исчезают. При этом остаточная индукция Вт и коэрцитивная сила Нс уменьшаются. Для борьбы со структурным старением материал подвергается термообработке в виде отпуска. При этом внутренние напряжения в материале исчезают. Его характеристики становятся более стабильными. Алюминиево-никелевые сплавы (альни и др.) не требуют структурной стабилизации.

Механическое старение наступает при ударах и вибрациях магнита. Для того чтобы сделать магнит нечувствительным к механическим воздействиям, его подвергают искусственному старению. Образцы магнита перед установкой в аппарат подвергаются таким ударам и вибрации, которые имеют место в эксплуатации.

Магнитное старение — изменение свойств материала под действием внешних магнитных полей. Положительное внешнее поле увеличивает индукцию по прямой воз врата, а отрицательное снижает ее по кривой размагничивания. Для того чтобы сделать магнит более стабильным, его подвергают действию размагничивающего поля, после чего магнит работает на прямой возврата. Из-за меньшей крутизны прямой возврата влияние внешних полей уменьшается. При расчете магнитных систем с постоянными магнитами необходимо учитывать, что в процессе стабилизации магнитный поток уменьшается на 10-15%.

Лекция №6

Тема лекции:

Электродинамические усилия (ЭДУ), методы расчета. Электродинамическая устойчивость. Нагрев электроаппаратов. Нормы нагрева, термическая устойчивость

Электродинамические усилия в элементах аппаратов

При коротком замыкании в сети через токоведущую часть аппарата могут протекать токи, в десятки раз превышающие номинальные. Эти токи, взаимодействуя с магнитным полем, создают электродинамические усилия (э. д. у.), которые стремятся деформировать проводники и изоляторы, на которых они крепятся. В некоторых случаях величина э. д. у. может достигать десятков тонн, при этом возможно даже разрушение аппарата.

Для определения э. д. у. используются два метода.

В первом методе сила рассматривается как результат взаимодействия проводника с током и магнитным полем. Если элементарный проводник dl с токомi находится в магнитном поле с индукцией. создаваемой другими проводниками, то сила действующая на этот элемент, равна

(6.1)

гдеугол между векторами элемента dl и индукции В.

За направление dl принимается направление тока в этом элементе.

Направление индукции, создаваемой проводником, легко найти с помощью правила буравчика. Если винт буравчика движется вдоль тока в проводнике, то направление вращения рукоятки совпадает с направлением магнитной силовой линии, т. е. с вектором индукции.

Направление силы можно определить по правилу левой руки. Для этого левую руку располагают так, чтобы вектор индукции пронизывал ладонь, а направление тока в проводнике совпадало с четырьмя вытянутыми пальцами. Тогда направление силы будет указывать большой палец (рис. ).

Рис.6.1. Правило левой руки

Правило буравчика можно использовать и для определения направления результирующего вектора , следовательно, и направления силы.

Если рукоятку штопора вращать от вектора к векторупо кратчайшему расстоянию, то направление движения винта штопора совпадает с направлением силы, действующей на элемент с током

Для определения полной силы, действующей на проводник длиной l, необходимо просуммировать силы, действующие на все его элементы:

(6.2)

В случае любого расположения проводников в одной плоскости р = 90° уравнение упрощается:

(6.3)

Описанный метод рекомендуется применять тогда, когда можно аналитически найти индукцию в любой точке проводника, для которого необходимо определить силу.

Второй метод определения э. д. у. основан на использовании энергетического баланса системы проводников с током. Если пренебречь электростатической энергией системы и принять, что при деформации токоведущих контуров или их перемещении под действием э. д. у. величина тока во всех контурах остается неизменной, то силу можно найти по уравнению

(6.4)

где              электромагнитная энергия;

возможное перемещение в направлении действия силы F.

Таким образом, сила равна частной производной от электромагнитной энергии данной системы по координате, в направлении которой действует сила.

Электромагнитная энергия системы обусловлена как энергией магнитного поля каждого изолированного контура, так и энергией, определяемой магнитной связью между контурами.

Для системы трех взаимосвязанных контуров электромагнитная энергия

(6.5)

Здесь                             индуктивности контуров;

токи в контурах;

взаимоиндуктивности между контурами.

Первые три члена уравнения определяют энергию независимых контуров, вторые три члена характеризуют энергию, обусловленную магнитной связью.

Уравнение дает возможность рассчитать как силы, действующие в изолированном контуре, так и силу взаимодействия этого контура со всеми остальными.

При коротком замыкании величина тока в цепи не зависит от незначительных деформаций токоведущих контуров или от изменения расстояния между ними, возникающих под действием э. д. у. Поэтому при нахождении сил с помощью уравнения можно считать, что величина тока не меняется, а сила возникает в результате изменения индуктивности или взаимоиндуктивности.

При расчете силы, действующей между контурами, считаем, что энергия меняется только в результате возможного изменения взаимного расположения контуров. При этом энергия, обусловленная собственной индуктивностью, считается неизменной:

(6.7)

Энергетическим методом очень удобно пользоваться тогда, когда известна аналитическая зависимость индуктивности или взаимоиндуктивности от геометрических параметров.

Этот метод позволяет легко найти направление э. д. у. Из уравнения (6.4) следует, что положительному направлению силы F соответствует возрастание энергии системы , т.е. деформация контура или его перемещение происходит под действием силы таким образом, чтобы электромагнитная энергия системы возрастала.

Электромагнитная энергия одного контура

 

(6.8)

где                       потокосцепление;

                            магнитный поток;

                            число витков в контуре.

Сила, действующая в контуре, будет направлена таким образом, чтобы индуктивность, потокосцепление и поток при деформации контура под действием этой силы возрастали.

Возьмем для примера круговой виток рис.6.2.

Рис. 6.2. Силы в витке, обтекаемом током

Если то индуктивность витка достаточно точно выражается уравнением

При протекании тока возникает сила, стремящаяся увеличить радиус витка, поскольку с ростом R растет индуктивность L, а следовательно, увеличивается и электромагнитная энергия системы:

(6.9)

С ростом радиуса возрастает потокосцепление данного контура при условии, что ток в цепи не меняется.

Электродинамические силы, возникающие при изменении сечения проводника

При протекании тока по цилиндрическому проводнику на отдельные нити тока действуют э. д. у., стремящиеся переместить эту нить к центру проводника. Поскольку все линии тока вертикальны, а индукция в любой точке проводника направлена по касательной, то сила, действующая на элементарные нити, направлена по радиусу и не имеет осевой составляющей.

При изменении сечения проводника линии тока искривляются и, кроме поперечной сжимающей силы, возникает продольная, стремящаяся разорвать место перехода вдоль оси проводника. Как видно из рис.6.3, сила, возникающая в месте перехода, направлена в сторону большего сечения.

 

Рис.6.3. Электродинамические силы, действующие в месте изменения поперечного сечения проводника

Формула для расчета этих сил имеет вид:

 

(6.10)

Следует отметить, что эта формула справедлива для любого симметричного перехода от сечения с радиусом гк к сечению с радиусом ги. Так, в случае многократного конуса

 

(6.11)

где                       радиус конечного сечения;

                            радиус начального сечения.

Плавный переход от одного сечения к другому можно рассматривать как переход, образованный большим числом конусных переходов. Таким образом, электродинамическая сила, возникающая при изменении сечения, зависит только от отношения конечного и начального радиусов и не зависит от формы перехода. Этот вывод справедлив для равномерного распределения тока по сечению проводника.

Известно, что в электрическом контакте при переходе тока из одного контакта в другой происходит искривление линий тока, аналогичное показанному на рис. 6.3. Для одноточечного контакта касание контактов происходит по площадке смятия. Если положить, что эта площадка находится в центре цилиндрических проводников, то сила, действующая на каждый контакт, может быть рассчитана по формуле

 

(6.12)

Где             радиус цилиндрического контакта;

                   радиус круглой площадки касания.

При номинальном токе эта отбрасывающая сила ничтожна. При коротком замыкании в одноточечном контакте отбрасывающая сила может достигать сотен ньютонов. Для того чтобы контакт был динамически устойчив, сила нажатия должна быть больше силы отброса.

В реальных контактах, кроме силы отброса, возникающей из-за изменения сечения проводника, появляется дополнительное э. д. у. за счет взаимодействий, создаваемых токоведущим контуром.

Силы втягивания дуги (проводника) в стальную решетку

В дугогасительных камерах аппаратов высокого и низкого напряжений применяется решетка из набора ферромагнитных пластин с пазами.

Электрическая дуга, возникающая между контактами аппарата, является своеобразным проводником тока. Взаимодействие этого проводника с решеткой создает электромагнитную силу, двигающую дугу. Наиболее широко распространены решетки из стальных пластин с клиновидными пазами.

Рассмотрим силу, действующую на проводник (дугу), симметрично расположенный в пазу прямоугольного сечения (рис.6.3).

При расчете примем следующие упрощения: магнитное сопротивление стали равно нулю; потоком рассеяния, выходящим с торца решетки пренебрегаем; ток течет по геометрической ОСИ проводника.

В данном случае для расчета силы удобно воспользоваться энергетическим методом. Сила, действующая на проводник, в данном случае будет равна

(6.13)

Рис.6.4.К расчету сил, действующих на проводник расположенный в прямоугольном пазу ферромагнитного тела

Индуктивность системы L можно выразить через поток

(6.14)

Поскольку тогда

(6.15)

Поток, связанный с проводником, равен

(6.16)

где

         активная длина решетки;

         расстояние от проводника до начала паза;

         ширина паза.

Подставляя , получим

(6.17)

При сделанных допущениях сила, действующая на проводник, не зависит от положения проводника в пазу.

В дугогасительных устройствах низкого напряжения дуга, втягиваясь в решетку, пересекает ее и останавливается в точке а, в которой сила, действующая на дугу, должна быть равна нулю.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25