- Автомобильный справочник
- для настоящих любителей техники
- Магнитное поле в автомобиле
- Магнитное поле
- Магнитное поле и вещество
- Петля гистерезиса
- Ферромагнитные материалы
- Магнитотвердые материалы
- Магнитомягкие материалы
- Потери на перемагничивание
- Магнитное поле и электрический ток
- Закон электромагнитной индукции
- Самоиндукция
- Магнитная цепь
- Добавить комментарий Отменить ответ
- Главы
- О справочнике
Автомобильный справочник
для настоящих любителей техники
Магнитное поле в автомобиле
Магнитное поле образуется движущимися электрическими зарядами, токонесущими проводниками, намагниченными телами или переменным электрическим полем. Магнитное поле проявляется в его действии на движущийся электрический заряд (сила Лоренца) или в образовании магнитных диполей (одноименные полюса отталкиваются, разноименные полюса притягиваются). Вот о том, как работает магнитное поле в автомобиле, мы и поговорим в этой статье.
Магнитное поле
Магнитное поле характеризуется вектором магнитной индукции В. Проводник, находящийся под силой тока I1 создает на расстоянии а магнитную индукцию, величина которой определяется по формуле:
Эта магнитная индукция притягивает второй параллельно расположенный проводник длиной l, по которому проходит электрический ток I2, с силой
Магнитная индукция может быть определена путем измерения напряжения, возникающего при изменении магнитного поля в петлевом проводнике:
U = dФ/dt
dФ — изменение магнитной индукции в петлевом проводнике;
dt -изменение времени.
Магнитная индукция В находится в следующей зависимости с магнитным потоком Ф (q — площадь поперечного сечения):
Ф = Вq
Зависимость магнитной индукции в вакууме от напряженности магнитного потока Н определяется уравнением:
Магнитное поле и вещество
В материальной среде магнитная индукция B теоретически состоит из двух компонентов. Один возникает от приложенного поля (μ0·H), другой — от материальной среды (J) (см. также взаимосвязь между плотностью электрического смещения и напряженностью электрического поля).
где J — магнитная поляризованность, характеризующая вклад материальной среды в магнитную индукцию. Физически J обозначает магнитный дипольный момент каждой единицы объема и в целом является функцией напряженности магнитного поля Н. Для многих материалов J>>μ0Н и пропорциональна Н. Тогда:
где μr — относительная магнитная проницаемость; в вакууме μr =1
wm = 1/2 BH
называется плотностью энергии магнитного поля. При ее умножении на объем получается энергия магнитного поля Wm.
В соответствии со значением относительной магнитной проницаемости материалы делятся натри группы:
- Диамагнитные материалы. μr не зависит от напряженности магнитного поля и составляет менее 1; значения находятся в диапазоне (1-10 -5 ) μr -11 ). Например, Ag, Au, Cd, Си, Нд, Pb, Zn, вода, органические материалы, газ.
- Парамагнитные материалы. μr не зависит от напряженности магнитного поля и составляет более 1; значения находятся в диапазоне (1 +10 -8 ) μr-4 ). Например, О2, Al, Pt, Ti.
- Ферромагнитные материалы. У ферромагнитных материалов магнитная поляризация достигает очень высоких значений и меняется в зависимости от напряженности магнитного поля Н нелинейно. Также эти материалы характеризуются гистерезисом намагничивания. Тем не менее, если выбирается, как это принято в электротехнике, соотношение В=μrμоН, то μr является функцией H и имеющегося гистерезиса, значения для μr находятся в диапазоне 10 2 μr 5 . Например, Fe, Со, Ni, феррит.
Петля гистерезиса
Петля гистерезиса (рис. «Петля гистерезиса для твердого феррита» ), показывающая зависимость между В и H, также как и между J и H, объясняется следующим образом: если материал находится в немагнитном состоянии (В = J = 0, H = 0), под действием магнитного поля H он намагничивается в соответствии с кривой (1).
Важнейшими параметрами петли гистерезиса являются:
- Поляризованность насыщения Js;
- Остаточная магнитная индукция Вr (остаточная индукция для H = 0);
- Коэрцитивная сила HсВ (размагничивающая напряженность поля при В = 0);
- Коэрцитивная сила Hcj (размагничивающая напряженность поля при J = 0, имеет значение только для магнитотвердых материалов);
- Граничная напряженность поля HG (до этой напряженности магнитотвердые материалы остаются стабильными);
- Максимальная магнитная проницаемость ртах (максимальный подъем кривой первоначального намагничивания, имеет значение только для магнитомягких материалов);
- Потери гистерезиса (потери энергии в материале в течение одного цикла перемагничивания, соответствуют площади петли гистерезиса В-Н, имеет значение только для магнитомягких материалов).
Ферромагнитные материалы
Ферромагнитные материалы подразделяются на магнитомягкие и магнитотвердые. Необходимо подчеркнуть, что воздействию коэрцитивной силы подвергаются каждые восемь из десяти таких материалов.
Магнитотвердые материалы
Магнитотвердые материалы имеют высокую коэрцитивную силу. Ее значения находятся в области:
Hcj > 1 кA/м
Вместе с этим может возникнуть большое размагничивающее поле H, из-за которого материал теряет свою магнитную поляризацию. Магнитное состояние и рабочая область постоянного магнита лежат во втором квадранте петли гистерезиса на кривой размагничивания. На практике рабочая точка постоянного магнита никогда не лежит в точке остаточного магнетизма, так как из-за саморазмагничивания магнит всегда используется в размагничивающем поле, которое сдвигает рабочую точку во второй квадрант.
Точка на кривой размагничивания, в которой произведение В·Н достигает максимального значения (В·Н)maх, характеризует максимально достижимую энергию в воздушном зазоре. Эта величина, в дополнение к остаточной магнитной индукции и коэрцитивной силе, имеет важное значение для характеристики постоянных магнитов. Важнейшими магнитотвердыми материалами для промышленного применения являются магниты, состоящие из AINiCo, феррита, FeNdB (REFe) и SeCo; их кривые размагничивания (рис. «Кривые размагничивания для различных магнитотвердых материалов» ) демонстрируют типичные характеристики для отдельных типов магнитов.
Магнитомягкие материалы
Магнитомягкие материалы имеют низкую коэрцитивную силу:
и узкую петлю гистерезиса. Магнитная индукция принимает высокие значения (большие значения μr) уже при небольших величинах напряженности поля, так что обычно J >>μr·Н, то есть практически нет необходимости делать различие между кривыми В(Н) и J(H).
Магнитомягкие материалы, из-за высокой индукции при низкой напряженности магнитного поля, применяются в качестве магнито- проводов. Так как эти материалы показывают низкие потери при перемагничивании (потери на гистерезис), они, имея низкую коэрцитивную силу, отлично подходят для применения в переменных магнитных полях.
Характеристики мягкомагнитных материалов существенно зависят от их предварительной обработки. Механическая обработка повышает коэрцитивную силу, а петля гистерезиса становится шире. Во избежание этого применяется специальный отжиг материала при высоких температурах (магнитный финальный отжиг). На рис. «Кривые намагничивания для магнитомягких материалов» представлены кривые намагничивания, выражающие зависимость В-Н, для нескольких важных магнитомягких материалов.
Потери на перемагничивание
В таблице «Потери на перемагничивание» даны потери на перемагничивание Р1 и Р1,5 для индукции в 1 и 1,5 Тл при частоте 50 Гц и температуре 20 °С.
Эти потери состоят из потерь на гистерезис и потерь от вихревых токов. Потери от вихревых токов вызываются напряжением, которое индуцируется в сердечнике при изменении магнитного потока. Уменьшение потерь от вихревых токов и снижение электрической проводимости могут быть выполнены за счет применения:
- Сердечника из листа;
- Легированных материалов (например, ферросилиция);
- Разделения на гранулированные частицы (порошок) в области высоких частот;
- Керамических материалов (феррита).
Магнитное поле и электрический ток
Магнитное поле создается движущимся электрическим зарядом, то есть оно образуется вокруг проводника с электрическим током. Направление электрического тока (⊗ — ток течет в страницу, О — ток течет от страницы) и направление магнитной силовой линии подчиняются правилу буравчика правого винта. В таблице «Напряженность магнитного поля для различного расположения проводников» приведены данные напряженности магнитного поля при различном расположении проводников.
Направление этой силы можно определить с помощью правила правой руки (рис. «Правило правой руки» ): если большой палец расположить по направлению силы тока, указательный палец — по направлению магнитного поля, то средний палец покажет направление силы.
Закон электромагнитной индукции
Любое изменение магнитного потока Ф, пересекающего петлевой проводник, например, при движении петли или при изменении силы поля, индуцирует в петлевом проводнике напряжение UI.
В — магнитная индукция;
l — длина проводника;
Для двигателя постоянного тока:
UI — индуцируемое напряжение, В;
Ф — магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, Вб;
z — число проводников на поверхности якоря;
а — половинное число параллельных ветвей обмотки;
п — частота вращения, мин -1 .
Для двигателя переменного тока:
UI — эффективное значение индуцируемого напряжения, В;
Ф — магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, Вб;
р — число полюсов;
п — частота вращения, мин -1 ;
z — число проводников на поверхности якоря.
Для трансформатора:
Ф — эффективное значение магнитного потока Ф(t), Вб;
w1, w2 — число витков соответственных обмоток, пересекаемых магнитным потоком Ф.
В зависимости от времени поток Ф(t) представляет собой результат наложения значений силы тока i1(t) и i2(t):
AL называют AL-параметром — он зависит от конструкции трансформатора.
Выходное напряжение U на зажимах меньше (для генератора) и больше (для двигателя), чем UI, — за счет омических потерь напряжения в обмотках (примерно 5 %).
Самоиндукция
Магнитное поле проводника или обмотки меняется при изменении протекающего по ним электрического тока. За счет этого в проводнике индуцируется напряжение, пропорциональное изменению электрического тока:
Индуктивность L зависит от магнитной проницаемости μr, которая для большинства материалов практически равна 1 и постоянна. Исключение составляют ферромагнетики. Поэтому для обмоток с ферромагнитным сердечником L в значительной степени зависит от условий работы. В таблице «Индуктивность для различного расположения проводников» приведены значения индуктивности L для проводников различного расположения.
При низких частотах индуктивность проводников увеличивается за счет внутренней индуктивности LI проводов. Для круглых кабелей:
Индуктивность катушек, соединенных последовательно и параллельно, равна:
Ltotal = L1 + L2(последовательное соединение, рис. а, «Соединение катушек индуктивности» );
1/Ltotal = 1/L1 + 1/L2 (параллельное соединение, рис. Ь, «Соединение катушек индуктивности» ).
Энергия магнитного поля для катушки с индуктивностью L, по которой проходит электрический ток I, равна:
(L постоянна во времени):
- постоянный электрический ток I: —> напряжение U= 0;
- начальный электрический ток I0, напряжение постоянного тока U: —> сила тока I =I0 + Ut,
- синусоидальный электрический ток I = î·sin (ωt): —> косинусоидальное напряжение U=ω Lî cos(ωt), U=ω L î sin(ωt + π/2),
î — амплитуда силы тока;
Часто также используются эффективные значения ueff = û/√2 и ieff = î/√2.
При протекании через катушку индуктивности переменного (гармонического) электрического тока векторы напряжения и электрического тока сдвинуты на угол ω = +π/2. Это свойство иллюстрирует векторная диаграмма (рис. «Векторная диаграмма катушки индуктивности» ).
Особый случай возникает, когда катушка индуктивности подключается к сопротивлению, установленному со стороны источника напряжения постоянного тока U0, или отключается от сопротивления. Решающим фактором нарастания или падения электрического тока в цепи является постоянная времени τ = L/R.
U= U0e -е/τ
I=U0 /R(1-e -е/τ )
При отключении катушки:
U = I0R·e -е/τ
I- сила тока, протекающего по катушке;
I 0 — сила тока, протекающего по катушке, при отключении;
R — сопротивление резистора, последовательно соединенного с катушкой;
Электрический ток при подключении и отключении катушки протекает по ней в противоположных направлениях.
Магнитная цепь
В дополнение к уравнениям существуют законы расчета магнитных цепей:
- Закон Ампера (закон полного электрического тока)
для магнитной цепи действует следующее равенство:
Iw = Θ — магнитодвижущая сила (алгебраическая сумма ампер-витков);
HI·LI = VI — разность магнитных потенциалов (HI·LI служит для расчета компонентов цепи, при котором HI, является постоянной).
- Закон непрерывности (принцип непрерывности магнитного потока)
Магнитный поток Ф = В·А состоит из потоков на отдельных участках магнитной цепи.
Ф = const, для всех участков цепи, А — площадь поперечного сечения соответствующего участка.
Магнитный поток, проходящий через участок цепи, можно разбить на частные потоки Ф1,Ф2…, сумма которых в любом случае будет равна постоянному значению общего потока Ф.
Качество магнитных цепей определяется замыканием магнитного потока при его прохождении через рабочий воздушный зазор, имеющийся в цепи. Этот поток называется рабочим. Поток рассеяния, замыкаемый вне того места, где используется рабочий поток, представляет собой разность между общим и рабочим потоками. Отношение потока рассеяния к суммарному потоку (для постоянного магнита или электромагнита) называется коэффициентом рассеяния σ (практическая величина σ находится в диапазоне от 0,2 до 0,9).
РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:
Добавить комментарий Отменить ответ
Главы
- Энциклопедия техники (19)
- История автомобилестроения (20)
- Полезные советы (3)
- Действующие единицы (1)
- Законы физики в автомобиле (15)
- Математическое моделирование в автомобилестроении (3)
- Материалы в автомобилестроении (10)
- Рабочие жидкости (5)
- Детали машин (6)
- Способы соединения деталей (8)
- Физика автомобиля (10)
- Двигатели внутреннего сгорания (23)
- Диагностика двигателя (8)
- Нормы контроля и диагностики токсичности отработавших газов (17)
- Системы управления бензиновыми двигателями (11)
- Работа двигателя на альтернативных видах топлива (2)
- Системы управления дизельными двигателями (9)
- Альтернативные виды приводов (3)
- Трансмиссия (47)
- Системы шасси (18)
- Управление шасси и активная безопасность (6)
- Автомобильные кузова (10)
- Пассивная безопасность автомобиля (1)
- Системы охраны автомобилей (1)
- Охранные автомобильные системы (1)
- Автомобильное электрооборудование (11)
- Свечи зажигания (6)
- Автомобильная электроника (21)
- Системы комфорта и удобства (2)
- Пользовательские интерфейсы (3)
- Системы повышения безопасности дорожного движения (7)
О справочнике
За последние время автомобилестроение превратилось в чрезвычайно сложную отрасль. Все труднее и труднее становится представить всю отрасль в целом, и еще сложнее постоянно следить за направлениями, которые важны для автомобилестроения. Многие из этих направлений подробно описаны в специальной литературе. Тем не менее, для тех, кто впервые сталкивается с данными темами, имеющаяся специальная литература не представляется легкой и тяжело усваивается в ограниченные сроки. В этой связи этот «Автомобильный справочник» будет очень кстати. Он структурирован таким образом, чтобы быть понятным даже для тех читателей, которые впервые встречаются с каким-либо разделом. Наиболее важные темы, относящиеся к автомобилестроению, собраны в компактном, простом для понимания и удобном с практической точки зрения виде.
Источник статьи: http://press.ocenin.ru/magnitnoe-pole-v-avtomobile/