Co je to magnetický obvod a kde se používá

Dva složené kořeny "magnet" a "vodič" spojené písmenem "o" určují účel tohoto elektrického zařízení, vytvořeného pro spolehlivý přenos magnetického toku speciálním vodičem s minimálními nebo v některých případech jistými ztrátami.

Elektrotechnický průmysl široce využívá vzájemnou závislost elektrické a magnetické energie, jejich přechod z jednoho stavu do druhého. Na tomto principu pracuje mnoho transformátorů, tlumivek, stykačů, relé, startérů, elektromotorů, generátorů a dalších podobných zařízení.

Jejich konstrukce zahrnuje magnetický obvod, který přenáší magnetický tok vybuzený průchodem elektrického proudu k další přeměně elektrické energie. Je jednou ze součástí magnetického systému elektrických zařízení.

Magnetické jádro elektrického výrobku (zařízení) (vodič toku cívky) — magnetický systém elektrického výrobku (zařízení) nebo soubor několika jeho částí ve formě samostatné konstrukční jednotky (GOST 18311-80).

Z čeho je vyrobeno magnetické jádro?

Magnetické charakteristiky

Látky, které jsou součástí jeho konstrukce, mohou mít různé magnetické vlastnosti. Obvykle se dělí na 2 typy:

1. slabě magnetické;

2. vysoce magnetické.

K jejich rozlišení se používá termín "Magnetická permeabilita µ", který určuje závislost vzniklé magnetické indukce B (síly) na hodnotě působící síly H.

Výše uvedený graf ukazuje, že feromagnetika mají silné magnetické vlastnosti, zatímco u paramagnetů a diamagnetů jsou slabé.

Indukce feromagnetik s dalším nárůstem napětí však začíná klesat, přičemž má výrazný bod s maximální hodnotou, která charakterizuje okamžik nasycení látky. Používá se při výpočtu a provozu magnetických obvodů.

Po ukončení působení napětí zůstává látce část magnetických vlastností, a pokud na ni působí opačné pole, pak část její energie bude vynaložena na překonání tohoto zlomku.

Proto v obvodech se střídavým elektromagnetickým polem dochází k indukčnímu zpoždění od působící síly. Podobnou závislost na magnetizaci látky feromagnetik charakterizuje graf tzv hystereze.

Na něm body Hk ukazují šířku obrysu, který charakterizuje zbytkový magnetismus (koercitivní sílu). Podle velikosti se feromagnetika dělí do dvou kategorií:

1. měkký, vyznačující se úzkou smyčkou;

2. tvrdý, s vysokou donucovací silou.

Do první kategorie patří měkké slitiny železa a permoly. Používají se k výrobě jader pro transformátory, elektromotory a alternátory, protože vytvářejí minimální spotřebu energie na obrácení magnetizace.

Tvrdá feromagnetika z uhlíkových ocelí a speciálních slitin se používají v různých provedeních permanentních magnetů.

Při výběru materiálu pro magnetický obvod se berou v úvahu ztráty pro:

• hystereze;

• vířivé proudy generované působením EMF indukovaného magnetickým tokem;

• důsledkem magnetické viskozity.

Materiály (upravit)

Charakteristika slitin

Pro konstrukce střídavých magnetických obvodů se vyrábějí speciální druhy plechů nebo vinutých tenkostěnných ocelí s různým stupněm legovacích přísad, které se vyrábějí válcováním za studena nebo za tepla. Také ocel válcovaná za studena je dražší, ale má menší indukční ztráty.

Ocelové plechy a svitky jsou opracovány do plátů nebo pásů. Jsou pokryty vrstvou laku pro ochranu a izolaci. Oboustranné krytí je spolehlivější.

U relé, spouštěčů a stykačů pracujících ve stejnosměrných obvodech jsou magnetická jádra zalita v pevných blocích.

AC obvody

Magnetická jádra transformátorů

Jednofázové zařízení

Mezi nimi jsou běžné dva typy magnetických obvodů:

1. hůl;

2. Obrněné.

První typ se vyrábí se dvěma tyčemi, na každé z nich jsou samostatně umístěny dvě cívky s vysokonapěťovými nebo nízkonapěťovými cívkami. Pokud je na tyč umístěna NN a NN cívka, pak dochází k velkým ztrátovým tokům energie a zvyšuje se složka reaktance.

Magnetický tok procházející tyčemi je uzavřen horním a spodním třmenem.

Pancéřovaný typ má tyč s cívkami a třmeny, ze kterých se magnetický tok rozděluje na dvě poloviny. Proto je jeho plocha dvojnásobkem průřezu třmenu.Takové konstrukce se častěji nacházejí v transformátorech s nízkým výkonem, kde na konstrukci nevznikají velké tepelné zatížení.

Výkonové transformátory vyžadují velkou chladicí plochu s vinutím z důvodu konverze vyšších zátěží. Pro ně je vhodnější konsolidované schéma.

Třífázová zařízení

Pro ně můžete využít tři jednofázové magnetické obvody umístěné ve třetině obvodu nebo v jejich klecích sbírat cívky běžného železa.

Pokud vezmeme v úvahu společný magnetický obvod tří stejných struktur umístěných pod úhlem 120 stupňů, jak je znázorněno v levém horním rohu obrázku, pak uvnitř centrální tyče bude celkový magnetický tok vyrovnaný a rovný nule.

V praxi se však častěji používá zjednodušené provedení umístěné ve stejné rovině, kdy jsou tři různá vinutí umístěna na samostatné tyči. Při této metodě magnetický tok z koncových cívek prochází velkými a malými kroužky a ze středu - přes dva sousední. Vznikem nerovnoměrného rozložení vzdáleností vzniká určitá nerovnováha magnetických odporů.

Ukládá samostatná omezení pro konstrukční výpočty a některé režimy provozu, zejména volnoběh. Ale obecně je takové schéma magnetického obvodu v praxi široce používáno.

Magnetické obvody zobrazené na výše uvedených fotografiích jsou vyrobeny z desek a cívky jsou umístěny na sestavených tyčích. Tato technologie se používá v automatizovaných továrnách s velkým strojním parkem.

V malých průmyslových odvětvích lze použít technologii ruční montáže díky páskovým polotovarům, kdy je cívka nejprve vyrobena s vinutým drátem a poté je kolem ní instalován magnetický obvod z pásky transformátorového železa s postupnými otáčkami.

Takovéto kroucené magnetické obvody jsou také vytvořeny podle tyčového a pancéřovaného typu.

Pro pásovou technologii je přípustná tloušťka materiálu 0,2 nebo 0,35 mm a pro instalaci s deskami lze zvolit 0,35 nebo 0,5 nebo i více. To je způsobeno nutností těsně navinout pásku mezi vrstvami, což je obtížné ručně při práci s tlustými materiály.

Pokud při navíjení pásky na cívku její délka nestačí, lze k ní připojit nástavec a spolehlivě jej přitisknout novou vrstvou. Stejně tak jsou desky z tyčí a třmenů sestaveny do lamelových magnetických obvodů.Ve všech těchto případech musí být spoje provedeny s minimálními rozměry, protože ovlivňují celkovou reluktanci a energetické ztráty obecně.

Pro přesnou práci se snaží zabránit vytváření takových spojů, a když je nelze vyloučit, používají se broušení hran, čímž se dosáhne těsného lícování kovu.

Při ruční montáži konstrukce je poměrně obtížné přesně orientovat desky k sobě. Proto byly do nich vyvrtány otvory a vloženy čepy, které zajistily dobré vystředění. Tato metoda však mírně snižuje plochu magnetického obvodu, narušuje průchod siločar a magnetický odpor obecně.

Velké automatizované podniky specializující se na výrobu magnetických jader pro přesné transformátory, relé, startéry opustily děrovací otvory uvnitř desek a používají jiné montážní technologie.

Plášťové a přední konstrukce

Magnetická jádra vytvořená na základě desek lze sestavit samostatnou přípravou třmenových tyčí a následným namontováním cívek s cívkami, jak je znázorněno na fotografii.

Napravo je znázorněno zjednodušené schéma montáže na tupo. Může mít vážnou nevýhodu — „oheň v oceli“, který se vyznačuje vzhledem vířivé proudy v jádru na kritickou hodnotu, jak je znázorněno na obrázku níže vlevo s vlnovkou červenou čárou. Tím vzniká stav nouze.

Tato vada je eliminována izolační vrstvou, která výrazně ovlivňuje zvýšení magnetizačního toku. A to jsou zbytečné ztráty energie.

V některých případech je nutné tuto mezeru zvětšit, aby se zvýšila reaktivita. Tato technika se používá v induktorech a tlumivkách.

Z výše uvedených důvodů se schéma čelní montáže používá v nekritických strukturách. Pro přesnou činnost magnetického obvodu se používá laminovaná deska.

Jeho princip je založen na jasném rozložení vrstev a vytvoření stejných mezer v tyči a třmenu tak, aby při montáži byly všechny vytvořené dutiny vyplněny minimálními spárami. V tomto případě jsou desky tyče a třmenu vzájemně propleteny a tvoří silnou a tuhou strukturu.

Předchozí fotografie výše ukazuje vrstvený způsob spojování obdélníkových desek.Šikmé struktury, obvykle vytvářené pod úhlem 45 stupňů, však mají nižší ztráty magnetické energie. Používají se ve výkonných magnetických obvodech výkonových transformátorů.

Fotografie ukazuje montáž několika šikmých desek s částečným odlehčením celkové konstrukce.

I u této metody je nutné sledovat kvalitu opěrných ploch a nepřítomnost nepřijatelných mezer v nich.

Způsob použití šikmých desek zajišťuje minimální ztráty magnetického toku v rozích magnetického obvodu, výrazně však komplikuje výrobní proces a technologii montáže. Vzhledem ke zvýšené složitosti práce se používá velmi zřídka.

Laminovaný způsob montáže je spolehlivější. Konstrukce je robustní, vyžaduje méně dílů a je sestavena předem připravenou metodou.

Touto metodou se z plátů vytvoří společná struktura. Po kompletní montáži magnetického obvodu je nutné na něj nainstalovat cívku.

K tomu je nutné demontovat již sestavený horní třmen a postupně odstranit všechny jeho desky. Aby se taková zbytečná operace eliminovala, byla vyvinuta technologie sestavení magnetického obvodu přímo uvnitř připravených vinutí s cívkami.

Zjednodušené modely vrstvených konstrukcí

Nízkovýkonové transformátory často nevyžadují přesné magnetické ovládání. Pro ně jsou vytvořeny přířezy metodami ražení podle připravených šablon s následným nátěrem izolačním lakem a nejčastěji jednostranně.

Levá sestava magnetického obvodu vzniká vložením polotovarů do cívek nahoře a dole a pravá umožňuje ohnout a vložit středovou tyč do vnitřního otvoru cívky. U těchto metod se mezi nosnými deskami vytvoří malá vzduchová mezera.

Po sestavení sady jsou desky pevně přitlačeny upevňovacími prvky. Pro snížení vířivých proudů s magnetickými ztrátami se na ně nanáší vrstva izolace.

Charakteristika magnetických obvodů relé, spouštěčů

Principy vytváření dráhy pro průchod magnetického toku zůstaly stejné. Pouze magnetický obvod je rozdělen na dvě části:

1. movitý;

2. trvale pevné.

Při vzniku magnetického toku je pohyblivá kotva spolu s kontakty na ní upevněnými principem elektromagnetu přitahována a po jejím vymizení se působením mechanických pružin vrací do původního stavu.

Zkrat

Střídavý proud se neustále mění co do velikosti a amplitudy. Tyto změny se přenášejí na magnetický tok a pohyblivou část kotvy, která může hučet a vibrovat. Pro odstranění tohoto jevu je magnetický obvod oddělen vložením zkratu.

Vzniká v něm bifurkace magnetického toku a fázový posun jedné z jeho částí. Poté při překročení nulového bodu jedné větve působí síla zabraňující vibracím ve druhé a naopak.

Magnetická jádra pro stejnosměrná zařízení

V těchto obvodech není třeba řešit škodlivé účinky vířivých proudů, které se projevují harmonickými sinusovými oscilacemi.Pro magnetická jádra se nepoužívají sestavy tenkých desek, ale vyrábí se s pravoúhlými nebo zaoblenými díly metodou jednodílných odlitků.

V tomto případě je jádro, na kterém je namontována cívka, kulaté a pouzdro a třmen jsou obdélníkové.

Aby se snížila počáteční tažná síla, vzduchová mezera mezi oddělenými částmi magnetického obvodu je malá.

Magnetické obvody elektrických strojů

Přítomnost pohyblivého rotoru, který se otáčí v poli statoru, vyžaduje speciální vlastnosti konstrukce elektromotorů a generátory. Uvnitř nich je nutné uspořádat cívky, kterými protéká elektrický proud, tak, aby byly zajištěny minimální rozměry.

Za tímto účelem jsou vytvořeny dutiny pro pokládání vodičů přímo v magnetických obvodech. Za tímto účelem se v nich ihned při lisování desek vytvoří kanály, které jsou po sestavení připravené linky pro cívky.

Magnetický obvod je tedy nedílnou součástí mnoha elektrických zařízení a slouží k přenosu magnetického toku.