background image

POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA

Katedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki Świetlnej

Materiałoznawstwo Elektryczne

ĆWICZENIE 11

BADANIE  OBWODU  MAGNETYCZNEGO ZE  SZCZELINĄ

I. WIADOMOŚCI  TEORETYCZNE

1. Własności magnetyczne materiałów

Wszystkie substancje możemy podzielić pod względem własności magnetycznych na trzy grupy:

 

diamagnetyki,

 

paramagnetyki,

 

ferromagnetyki (lub krócej: magnetyki).

W przypadku diamagnetyków indukowany w czasie wzrostu natężenia pola zewnętrznego magnetycz-

ny moment wewnętrzny, skierowany przeciwnie do tego pola, utrzymuje się nadal po ustaleniu się warto-
ś

ci H pola zewnętrznego. Na skutek tego ciało wykazuje bardzo słaby  moment  magnetyczny  o  odwrot-

nym znaku do znaku pola zewnętrznego. Następuje odejmowanie się pól magnetycznych, co powoduje,
ż

e indukcja B w diamagnetyku jest przy tym samym natężeniu pola magnetycznego H  mniejsza  niż  in-

dukcja B

0

 w próżni. Oznacza to, że przenikalność magnetyczna diamagnetyków jest mniejsza od przeni-

kalności próżni.

Zjawisko paramagnetyzmu zachodzi w ciałach, których atomy mają nieparzystą liczbę elektronów. W

przypadku  działania  zewnętrznego  pola  magnetycznego  na  paramagnetyki,  do  pola  tego  dodają  się  w
niewielkiej ilości nieskompensowane momenty magnetyczne elektronów. Takie częściowe porządkowa-
nie kierunków jest procesem powolnym – w pierwszej chwili wszystkie ciała wykazują własności diama-
gnetyczne  -  dopiero  później  w  paramagnetykach  pojawia  się  uporządkowana  indukcja  zgodna  z  polem
zewnętrznym.  Przenikalność  magnetyczna  paramagnetyków  jest  niewiele  większa  od  przenikalności
próżni.

Materiały magnetyczne (magnetyki) można podzielić na dwie grupy:

a) 

 

materiały magnetycznie miękkie,

b) 

 

materiały magnetycznie twarde.

Do opisywania materiałów magnetycznie miękkich służą następujące wielkości i charakterystyki:

 

indukcja nasycenia B

nas

,

 

komutacyjna krzywa magnesowania B = f(H),

 

przenikalność magnetyczna normalna początkowa 

µ

pocz

,

 

przenikalność magnetyczna normalna maksymalna 

µ

max

,

 

stratność magnetyczna 

P

Fe

.

Materiały ferromagnetyczne mają tzw. strukturę domenową, tj. składającą się z obszarów zwanych do-

menami Weissa w których występuje równoległe ustawienie momentów magnetycznych atomów w wyniku
porządkującego  działania  sił  wymiany.  Sąsiadujące  ze  sobą  domeny  są  oddzielone  tzw.  ściankami  Blocha
o grubości 30 

µ

m. Magnetyk nie poddany działaniu zewnętrznego pola magnetycznego jest na zewnątrz

obojętny na skutek chaotycznego ustawienia domen. W przypadku działania zewnętrznego pola magne-
tycznego o określonym kierunku wektora H, ścianki Blocha, w miarę wzrostu natężenia pola magnetycz-
nego, ulegają stopniowym przesunięciom aż do zupełnego ich zaniku, wskutek czego powstaje jedna domena
o kierunku najbardziej zbliżonym do kierunku wektora H. Dalszy wzrost natężenia pola powoduje stop-
niowe  obracanie  się  wektorów  wypadkowego  momentu  magnetycznego  kryształu  do  pozycji  zgodnej  z
kierunkiem wektora H. Jest to tzw. stan nasycenia. Kolejny wzrost natężenia pola nie powoduje już wzro-

background image

Ć

wiczenie 11

2

stu  indukcji  własnej  B

w

,  która  uzyskuje  wartość  B

wnas

.  Indukcja  wypadkowa  B  (B  =  B

+  B

0

)  wzrasta

nieznacznie i liniowo z nachyleniem odpowiadającym magnesowaniu próżni (rys. 11.1).

B

B

H

P

ar

ap

ro

c

es

 

o

bs

za

n

a

sy

ce

n

ia

P

rz

es

u

w

an

ie

 ś

ci

an

ek

 

B

lo

c

h

a

O

br

ac

a

n

ie

 d

ip

o

li

wnas

B

nas

B

w

B

0

B

m

H

Rys. 11.1. Krzywa magnesowania ferromagnetyka: B - indukcja wypadkowa, B

w

 - in-

dukcja własna (magnetyzacja), B

0

 - indukcja w próżni

Indukcja nasycenia B

nas

 zależy od rodzaju materiału i temperatury. Wzrost temperatury powoduje ni-

weczenie porządkujących sił wymiany przez drgania cieplne atomów. W temperaturze zwanej temperatu-
rą Curie następuje rozpad domen i ferromagnetyk zachowuje się jak paramagnetyk.

Jeżeli po namagnesowaniu ferromagnetyka będziemy zmniejszać natężenie pola magnetycznego H do

zera,  to  zależność  B  =  f

 

(H)  nie  będzie  pokrywać  się  z  pierwotną  krzywą  magnesowania.  Zjawisko  to

wyjaśnia  się  zachowywaniem  przez  większość  domen  Weissa  uzyskanego  uprzednio  stanu  uporządko-
wania. Stan taki charakteryzowany jest przez tzw. pozostałość magnetyczną B

r

.

W celu zmniejszenia indukcji B

r

 do zera należy zmienić kierunek magnesowania na przeciwny i wy-

tworzyć pole magnetyczne o natężeniu H

c

 zwanym natężeniem powściągającym. Wówczas część domen

przybierze  nową  orientację,  obróconą  o  180

°

  względem  orientacji  poprzedniej.  Strumień  magnetyczny

tych  domen  zrównoważy  strumień  domen  utrzymujących  nadal  poprzednią  orientację.  Pełny  cykl  prze-
magnesowania ferromagnetyka (z głębokim wejściem w obszary nasycenia dodatniego i ujemnego) nosi
nazwę granicznej pętli histerezy. Pętlę taką przedstawia rysunek 11.2 w postaci krzywej abcdefa.

r

B

H

f

c

c

H

d

e

B

b

a

Rys. 11.2. Graniczna pętla histerezy magnetycznej: B

r

 - pozostałość

magnetyczna, H

c

 - natężenie powściągające

background image

Badanie obwodu magnetycznego ze szczeliną

3

Jedną z podstawowych wielkości charakteryzujących materiał magnetyczny jest przenikalność ma-

gnetyczna normalna określona zależnością

µ =

B

H

.

(11.10

Jest  to  przenikalność  magnetyczna  bezwzględna.  W  praktyce  częściej  posługujemy  się  przenikalno-

ś

cią magnetyczną względną

µ

µ

µ

r

=

0

,        gdzie 

µ

0

 = 4

π⋅

10

–7

  H/m.

(11.2)

Przenikalność magnetyczna ferromagnetyków zależy od natężenia pola magnetycznego H i to w spo-

sób niejednoznaczny a także od temperatury.

Ciała  diamagnetyczne  charakteryzują  się  stałością  przenikalności  magnetycznej,  przy  czym 

µ

r

  jest

liczbą nieco mniejszą od jedności (woda – 

µ

r

 = 0,999991, rtęć – 

µ

r

 = 0,999997, miedź – 

µ

r

 = 0,999998).

Ciała  paramagnetyczne  mają  również  stałą  przenikalność  magnetyczną  względną,  przy  czym 

µ

r

  jest

liczbą nieco większą od jedności, np. powietrze (

µ

r

 = 1,000004), platyna (

µ

r

 = 1,000015), aluminium (

µ

r

 =

1,000001).

W przypadku magnetyków wprowadza się trzy rodzaje przenikalności magnetycznej:

 

normalną,

 

różniczkową,

 

odwracalną.

Przenikalność  magnetyczna 

normalna  związana  jest  z  pierwotną  krzywą  magnesowania  (rys.  11.3).

Określa ją zależność

µ

α

=

= ⋅

B

H

k tg .

(11.3)

α

α

max

B

st

y

cz

n

a

α

pocz

α

0

H

Rys. 11.3. Interpretacja przenikalności magnetycznej normalnej

Z rysunku 11.3 wynika, że przenikalność magnetyczna normalna wzrasta ze wzrostem H od wartości

początkowej 

µ

pocz

  =  k

 

 

tg

α

pocz

  (

α

pocz

  jest  kątem  nachylenia  stycznej  do  krzywej  w  punkcie  H  =  0)  do

wartości 

µ

max

  odpowiadającej  tangensowi  największego  kąta  nachylenia  prostej  przechodzącej  przez

punkt zero i stycznej do krzywej magnesowania, a następnie maleje do 

µ

0

 przy H 

 

. Współczynnik k

jest współczynnikiem skali – przy jednakowych podziałkach obu osi k = 1. Kąt 

α

0

 odpowiada nachyleniu

prostej magnesowania próżni, 

µ

0

 = k

 

 

tg

α

0

.

background image

Ć

wiczenie 11

4

Przenikalność  magnetyczna  różniczkowa  również  jest  związana  z  pierwotną  krzywą  magnesowania

(rys. 11.4). Definiowana jest jako

µ

β

d

H

B

H

dB

dH

k tg

=

=

= ⋅

lim

0

.

(11.4)

Przenikalność magnetyczna 

różniczkowa jest proporcjonalna do tangensa kąta 

β

 jaki tworzy styczna

do pierwotnej krzywej magnesowania. Dla H = 0 

µ

d

 = 

µ

pocz

, ponieważ 

α

pocz

 = 

β

pocz

. Największa wartość

przenikalności  magnetycznej  różniczkowej 

µ

dmax

  jest  większa  od  maksymalnej  przenikalności  normalnej

gdyż 

β

max

 > 

α

max

. Przy H 

 

 przenikalność magnetyczna różniczkowa maleje asymptotycznie do 

µ

0

.

α

0

st

y

cz

n

a

β

max

B

s

ty

c

z

n

a

α

max

β = 

H

pocz

β

=

α

pocz

Rys. 11.4. Interpretacja przenikalności magnetycznej różniczkowej

Z przenikalnością magnetyczną odwracalną (rewersyjną) mamy do czynienia w przypadku nakładania się

na  pole  magnetyczne  o  znacznym  natężeniu  H  pola  magnetycznego  okresowo  zmiennego.  Definiowana  jest
następująco

µ

γ

rev

H

B

H

k tg

=

= ⋅

lim

0

.

(11.5)

Przenikalność ta jest proporcjonalna do tg

 

γ

 (rys. 11.5) i jest mniejsza od 

µ

 i 

µ

d

.

H

α

0

pocz

γ

α

pocz

=

0

γ

B

H

B

Rys. 11.5. Interpretacja przenikalności magnetycznej odwracalnej

background image

Badanie obwodu magnetycznego ze szczeliną

5

Rysunek 11.6 przedstawia zależność zdefiniowanych przenikalności magnetycznych od natężenia pola ma-

gnetycznego H.

H

µ

0

µ

rev

µ

pocz

µ

µ

d

µ

Rys. 11.6.  Zależność przenikalności magnetycznych od natężenia pola ma-

gnetycznego

2. Obwody magnetyczne ze szczeliną

W  obwodach  magnetycznych  występują  często  szczeliny  powietrzne.  Zmieniają  one  własności  obwodu

magnetycznego  (zmienia  się  opór  magnetyczny),  jednocześnie  w magnetycznym  rdzeniu  cewki  wytwarzany
jest jednak strumień o wiele większy niż w przypadku układu bezrdzeniowego.

Szczeliny magnetyczne występują w maszynach elektrycznych, dławikach, przekaźnikach itp.
Prawidłowe działanie obwodu magnetycznego ze szczeliną wymaga wytworzenia w szczelinie odpowied-

niego strumienia magnetycznego 

Φ

. Wymagania najczęściej dotyczą indukcji magnetycznej B czyli gęstości

tego strumienia a zagadnienie sprowadza się ogólnie rzecz biorąc do obliczenia amperozwojów magnesujących
potrzebnych dla zapewnienia tej indukcji.

Prawo przepływu dla obwodu magnetycznego ze szczeliną ma postać

H l

H

1 1

2

+

=

δ θ

,

(11.6)

gdzie: H

1

 - natężenie pola magnetycznego w rdzeniu, l

1

 - średnia długość drogi strumienia w rdzeniu, H

2

 - natę-

ż

enie pola magnetycznego w szczelinie, 

δ

 - grubość szczeliny powietrznej, 

θ

 = I

 

 

z - przepływ.

Gęstość strumienia w szczelinie jest taka sama jak w rdzeniu przy bardzo wąskich szczelinach. Zazwyczaj

jednak  należy  przyjąć  przekrój  szczeliny  nieco  większy  niż  rdzenia.  Dla  obwodu  magnetycznego  z  rysunku
11.8 przekrój szczeliny obliczamy z wzoru

S

a

b

2

= + ⋅ +

(

) (

)

δ

δ

.

(11.7)

Dla wymaganej indukcji B

2

 strumień magnetyczny w szczelinie będzie wynosił

Φ =

= + ⋅ + ⋅

S

B

a

b

B

2

2

2

(

) (

)

δ

δ

(11.8)

i  będzie  równy  strumieniowi  w  rdzeniu.  Ponieważ  jednak  przekrój  rdzenia  jest  mniejszy  to  indukcja  w

rdzeniu będzie wynosić

B

S

a

b

a b

B

1

1

2

=

=

+ ⋅ +

Φ

(

) (

)

δ

δ

.

(11.9)

background image

Ć

wiczenie 11

6

Mając  obliczoną  indukcję  B

1

  odczytujemy  natężenie  pola  H

1

  z  krzywej  magnesowania  danego  materiału

(patrz rysunek 11.9). Wymagany przepływ (lub prąd magnesujący) obliczamy z prawa przepływu

θ

µ

δ

=

+

H l

B

1 1

2

0

,

(11.10)

gdzie 

µ

0

 = 4

π⋅

10

–7

 - przenikalność magnetyczna próżni.

3. Pytania kontrolne

1.

 

Własności magnetyczne materiałów

2.

 

Omówić proces magnesowania ferromagnetyków

3.

 

Definicje przenikalności magnetycznych

4.

 

Zależność przenikalności magnetycznej od natężenia pola magnetycznego

5.

 

Sposób obliczania obwodów magnetycznych ze szczeliną

Literatura

1.

 

Kobus A., Tuszyński J., Warsza Z. L.: 

Technika hallotronowa. WNT, Warszawa 1980

2.

 

Kolbiński K., Słowikowski J.: 

Materiałoznawstwo elektrotechniczne. WNT, Warszawa 1988

3.

 

Paciorek  Z.,  Stryszowski  S.: 

Laboratorium  inżynierii  materiałowej.  Skrypt  Politechniki  Święto-

krzyskiej nr 209, Kielce 1991

4.

 

Starczakow W.: 

Materiałoznawstwo elektryczne. Skrypt Politechniki Łódzkiej, Łódź 1969

II. BADANIA

1. Zdjęcie charakterystyki B = f(

θθθθ

) dla materiału magnetycznego ze szczeliną

Wykonujemy pomiary napięcia Halla U

H

 w funkcji prądu płynącego przez uzwojenie próbki. Schemat

układu pomiarowego przedstawia rysunek 11.7.

mA

mV

ZS

ZM

220 V

Próbka

Tr

+

H

U

H

1

R

A

2

R

4

R

3

R

Rys. 11.7. Schemat układu pomiarowego: ZM - zasilacz prądu magnesującego, Tr - transformator regulacyjny, H

- hallotron, U

H

 - napięcie Halla mierzone przez miliwoltomierz, ZS - zasilacz prądu sterującego, R

1

,

R

2

, R

3

, R

4

 - rezystory regulacyjne

background image

Badanie obwodu magnetycznego ze szczeliną

7

Rys. 11.8. Badany obwód magnetyczny

Kolejność czynności:

 

załączyć zasilacz prądu sterującego,

 

ustawić prąd sterujący hallotronu na 10 mA,

 

rozmagnesować rdzeń za pomocą prądu przemiennego (ustawić prąd ok. 15  A  a  następnie  powoli
zmniejszyć do zera),

 

za pomocą rezystorów (R

2

) skompensować ewentualne napięcie asymetrii

,

 

załączyć źródło prądu magnesującego,

 

zmieniając prąd magnesujący odczytywać napięcie Halla w celu zdjęcia charakterystyki magne-
sowania i pętli histerezy magnetycznej.

Etapy pomiaru:

magnesowanie (+)

- prąd  magn.  0 

÷

 12 A (krzywa magnesowa-

nia),
odmagnesowywanie 

- prąd  magn.  12 A 

÷

 0 (pętla histerezy),

odmagnesowywanie i magnesowanie (-)

- prąd  magn.  0 

÷

 -12 A (pętla histerezy),

magnesowanie (-)

- prąd  magn.  -12 A 

÷

 0 (pętla histerezy),

odmagnesowywanie i magnesowanie (+)

- prąd  magn.  0 

÷

12 A (pętla histerezy),

 

dla  poszczególnych  punktów  pomiarowych  obliczyć  indukcję  w szczelinie  rdzenia  oraz  ampe-
rozwoje magnesujące

B

U

H

=

γ

,                

θ = ⋅

I z

,

(11.11)

gdzie: B  -  indukcja  w  szczelinie  w  „T”,  U

H

  -  napięcie  Halla  w  „mV”, 

γ

  -  czułość  hallotronu  w

„mV/T” (czułość ta wynosi 0,5

10

4

 mV/T), 

θ

 - amperozwoje magnesujące, I - prąd magne-

sujący w „A”, z - liczba zwo-jów uzwojenia magnesującego.

Aby wyznaczyć indukcję B i natężenie pola H w materiale magnetycznym trzeba posłużyć się prawem

przepływu:

θ

δ

=

+

ś

r

0

l

H

H

gdzie: H

0

 – natężenie pola magnetycznego w szczelinie, 

δ

 - grubość szczeliny, H – natężenie pola

w rdzeniu, długość drogi magnetycznej w rdzeniu.

Biorąc  pod  uwagę  powyższy  wzór  oraz  zależność  H

0

  =  B

0

/

µ

0

  możemy  wyznaczyć  natężenie  pola

w rdzeniu

ś

r

0

0

l

B

H

µ

δ

θ

=

 Dane obwodu magnetycznego:

a = 45 mm,
b = 32 mm,
d = 120 mm,
D = 210 mm,

δ

 = 6 mm,

z = 180,
l

ś

r

 = 514 mm.

b

a

δ

l

sr

d

D

background image

Ć

wiczenie 11

8

Przy  wąskiej  szczelinie  można  przyjąć,  że  indukcja  w  rdzeniu  jest  równa  indukcji  w szczelinie.  Po-

nieważ  w  naszym  przypadku  szczelina  jest  dosyć  duża  (wymiary  obwodu  magnetycznego  przedstawia
rysunek 11.8) należy przyjąć przekrój szczeliny większy niż przekrój rdzenia. wynika to z faktu, że stru-
mień magnetyczny w szczelinie „rozmietla się”. Indukcję w rdzeniu można wyznaczyć z równości stru-
mieni 

φ

0

 = 

φ

.

B

0

S

0

 = B

S,

B

0

(a + 

δ

)

(b + 

δ

) = B

a

b.

gdzie: S

0

 – przekrój szczeliny, S – przekrój rdzenia

Indukcja w rdzeniu wynosi:

b

a

)

b

)(

a

(

B

B

0

+

+

=

δ

δ

.

 

wyniki pomiarów i obliczeń przedstawić w tabeli 11.1.

Tab. 11.1. Wyniki pomiarów i obliczeń

Lp.

I

U

H

θ

B

0

H

0

 = B

0

/

µ

0

B

H

A

mV

Az

T

A/m

T

A/m

1

2

3

2. Opracowanie wyników pomiarów

 

 

wykreślić charakterystykę B

0

 = f

 

(

θ

) dla obwodu magnetycznego ze szczeliną,

 

wykreślić charakterystykę B = f(H) dla rdzenia pracującego ze szczeliną,

 

obliczyć prąd magnesujący potrzebny dla otrzymania indukcji w szczelinie B

0

 = 0,8 T w przy-

padku  zastosowania  na  obwód  magnetyczny  staliwa  oraz  żelaza  elektrolitycznego.  Wymiary
obwodu pozostają bez zmian.

Przykład obliczenia:

strumień magnetyczny w szczelinie    

Φ

 = S

 

B

0

   [Wb],

przekrój szczeliny

S

0

 = (a + 

δ

)

(b + 

δ

) [m

2

],

przekrój rdzenia

S = a

 

 

b   [m

2

],

obliczamy indukcję w rdzeniu

b

a

B

)

b

(

)

a

(

S

B

S

S

B

0

0

0

δ

+

δ

+

=

=

Φ

=

 

 [T],

 

(11.12)

dla  obliczonej  wartości  indukcji  w  rdzeniu  odczytujemy  wartość  natężenia  pola  magnetycznego
w rdzeniu (H) z załączonej krzywej magnesowania B = f

 

(H) (rys. 11.9).

Prąd magnesujący obliczamy korzystając z prawa przepływu

δ

+

=

=

θ

0

ś

r

H

l

H

z

I

,      

z

H

l

H

I

0

ś

r

δ

+

=

,

(11.13)

gdzie H

0

 = B

0

/

µ

0

 - natężenie pola magnetycznego w szczelinie,   

 

obliczyć maksymalną przenikalność magnetyczną (normalną) materiałów (z załączonych wykre-
sów).

µ

α

max

max

= ⋅

=

k tg

B

H

,

(11.14)

background image

Badanie obwodu magnetycznego ze szczeliną

9

przenikalność magnetyczna względna  

µ

µ

µ

'

max

max

=

0

.

Jednostki: 1T (tesla) = 1Wb/m

2

 = 10

4

 Gs (gauss),

1Wb (weber) = 1V

s,

1H

 (henr) = 1Wb/A = 1V

s/A

 

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900 1000 1100 1200 1300

Natężenie pola magnetycznego H,  (A/m.)

In

d

u

k

cj

m

ag

n

et

y

cz

n

B

 (

T

)

Rys. 11.9. Krzywe magnesowania B = f

 

(H)

 stal

 Żelazo elektrolityczne

background image

Ć

wiczenie 11

10

3. Wnioski

 

omówić wpływ szczeliny na własności magnetyczne obwodu magnetycznego (krzywą magne-
sowania i statyczną pętlę histerezy),

 

omówić wpływ krzywej magnesowania materiału ferromagnetycznego na własności obwodu
magnetycznego ze szczeliną. Czy własności magnetyczne materiału mają znaczący wpływ na
wartość prądu magnesującego potrzebnego do uzyskania wymaganej indukcji w szczelinie?