Электрические аппараты

Для контактных соединений применяются следующие материалы, свойства которых рассмотрены ниже.

Медь. Положительные свойства: высокие электрическая проводимость и теплопроводность, достаточная твердость, что позволяет применять при частых включениях и отключениях.

Недостатки: низкая температура плавления, на воздухе образуется плёнка прочных окислов, имеющих высокое сопротивление, требует больших сил нажатия. Для защиты меди от окисления поверхность контактов покрывается электролитическим способом слоем серебра толщиной 20—30 мкм. На главных контактах иногда ставятся серебряные пластинки (в аппаратах, включаемых относительно редко). Применяется как материал для плоских и круглых шин, контактов аппаратов высокого напряжения, контакторов, автоматов и др. Вследствие низкой дугостойкости нежелательно применение в аппаратах, отключающих мощную дугу и имеющих большое число включений в час.

Серебро. Положительные свойства: высокая электропроводность и теплопроводность, плёнка окислов серебра имеет малую механическую прочность и быстро разрушается при нагреве контактной точки. Устойчивость контакта и малое переходное сопротивление являются характерными свойствами серебра.

Отрицательные свойства: малая дугостойкость и недостаточная твердость серебра препятствуют использованию его при наличии мощной дуги и при частых включениях и отключениях. Применяется при токах до 20 А.

Алюминий. Этот материал имеет достаточно высокую электрическую проводимость и теплопроводность. Благодаря малой плотности токоведущая часть круглого сечения из алюминия на такой же ток, как и медный проводник, имеет почти на 48% меньшую массу. Это позволяет уменьшить массу аппарата.

Недостатки  алюминия: образование на воздухе и в активных средах плёнок с высокой механической прочностью и высоким сопротивлением; низкая дугостойкость (температура плавления значительно меньше, чем у меди и серебра); малая механическая прочность; при контакте с медью образуется пара, подверженная сильной электрохимической коррозии. В связи с этим при механическом соединении с медью алюминий должен покрываться тонким слоем меди электролитическим путем либо оба металла необходимо покрывать серебром.

Алюминий и его сплавы (дюраль, силумин) применяются главным образом как материал для шин и конструкционных деталей аппаратов. Для коммутирующих контактов алюминий непригоден.

Вольфрам. Положительными свойствами вольфрама являются высокая дугостойкость, большая стойкость против эрозии и сваривания. Высокая твердость вольфрама позволяет применять его при частых включениях и отключениях.

Недостатками  вольфрама являются: высокое удельное сопротивление, малая теплопроводность, образование прочных оксидных и сульфидных пленок. В связи с высокой механической прочностью и образованием пленок вольфрамовые контакты требуют большой силы нажатия.

Платина, золото, молибден. Применяются для коммутирующих контактов на очень малые токи при малых нажатиях. Платина и золото не образуют окисных плёнок. Контакты из этих металлов имеют малое переходное сопротивление. Для повышения износостойкости применяют сплавы из платины с иридием, молибденом или палладием.

Металлокерамические материалы. Рассмотрение свойств чистых металлов показывает, что ни один из них не удовлетворяет полностью всем требованиям, предъявляемым к разрывным контактам.

Материалы, обладающие желаемыми свойствами, получают методом порошковой металлургии. Металлокерамика – это механическая смесь двух практически не сплавляющихся металлов, получаемая методом спекания смеси их порошков при высокой температуре и давлении. Физические свойства металлов при изготовлении металлокерамических контактов сохраняются. Дугостойкость керамике сообщается такими металлами, как вольфрам, молибден. Для получения низкого переходного сопротивления контакта в качестве второго компонента используют серебро или медь. Наиболее распространёнными композициями металлокерамики являются: серебро – вольфрам; серебро – молибден; серебро – никель; серебро – окись кадмия; серебро – графит; серебро – окись меди и др.

 

 

1.4. Электромагнитные явления в электрических аппаратах

1.4.1. Источники и распространение электромагнитного поля

Функционирование любого электрического или электронного аппарата сопровождается электромагнитными явлениями, которые воспроизводят основные и вспомогательные функции устройства, а также, возможно, создают нежелательные паразитные эффекты. Многообразие происходящих явлений подчиняется известным законам, обобщающим знания о возникновении, распространении и взаимодействии электромагнитных полей со средой. На основании этих законов строятся математические модели для анализа поля, т.е. замкнутые системы расчётных уравнений, учитывающие условия конкретной задачи.

Математическое описание физически  определённого векторного поля базируется на фундаментальном постулате о существовании двух элементарных составляющих – вихревой и потенциальной. С помощью них можно воссоздать любую топографию распределения векторов в пространстве.

Примером, подтверждающим вышеизложенное, является опыт с железными опилками в магнитном поле. Вихревая составляющая образует замкнутые цепочки, а потенциальная – сходящиеся или расходящиеся не замкнутые на себя цепочки.

Физические поля создаются источниками. Из теоремы разложения следует, что эти источники располагаются в части пространства с отличными от нуля ротором или дивергенцией вектора поля. Значение ротора – это объёмная плотность векторного источника вихревой составляющей поля, а значение дивергенции – объёмная плотность скалярного источника потенциальной составляющей поля.

При анализе электрических аппаратов  используются приближения, позволяющие  разделить общее понятие электромагнитного поля и рассматривать отдельные идеализированные компоненты: неизменные во времени стационарные электростатическое и магнитное поля и переменное во времени, распространяющееся мгновенно во всём пространстве квазистационарное электромагнитное поле. Волновые процессы при этом во внимание не принимаются.

В электростатическом поле основными  переменными являются вектор напряжённости электрического поля Е, вектор электрического смещения (электрическая индукция) D и вектор электрической поляризации Р. Напряжённость Е – векторная величина, характеризующая силовое воздействие электрического поля на единичный пробный заряд в данной точке. Электрическое смещение связано с напряженностью поля прямо пропорциональной зависимостью, а также определяется суммой векторов напряженности и поляризации:

или

где: электрическая постоянная; относительная диэлектрическая проницаемость.

В нелинейных средах относительная диэлектрическая проницаемость и вектор поляризации зависят от напряженности. В анизотропных средах зависимость проницаемости имеет тензорный характер, а вектор поляризации – вид векторной функции напряжённости.

При анализе стационарного магнитного поля рассматриваются векторные переменные: магнитная индукция В, напряженность магнитного поля Н и намагниченность среды М. Векторы магнитного поля связаны соотношениями:

или

где: магнитная постоянная; относительная магнитная проницаемость.

1.4.2. Силовые  взаимодействия в электромагнитном  поле

Анализ силовых взаимодействий в электромеханических устройствах  требуется для установления количественной связи между электрическими и механическими параметрами. В частности, для электромагнитов электрических аппаратов одной из основных характеристик является зависимость электромагнитной силы от положения якоря для различных постоянных значений напряжения, подведённого в обмотке или тока в обмотке. Такую характеристику называют тяговой. Возникающая при преобразовании электрической энергии в механическую электромагнитная сила полностью определяется параметрами электромагнитного поля.

Для любой конструкции магнитной  системы электрического аппарата с различными электрофизическими свойствами используемых материалов всегда может быть построена расчётная математическая модель с однородной средой, в которой размещены источники полей. Сами источники исходно определены физическими понятиями плотностей зарядов, токов и намагниченностью вещества. Силовые взаимодействия в электромагнитном поле проявляются в возникновении сил, воздействующих на эти источники.

На распределённые в пространстве электрические объёмные заряды плотностью и поверхностные заряды плотностью воздействует электростатическая сила (закон Кулона для распределённых зарядов)

где: V и S – объём и площадь поверхностей, занимаемые зарядами, с которыми определяется силовое взаимодействие поля; E – напряжённость внешнего, по отношению к текущей точке интегрирования, электрического поля, т.е. поля, созданного всеми внешними, по отношению к данной точке, зарядами.

Если несущие заряды объём и поверхность представляют собой жёсткую конструкцию, то силовые взаимодействия зарядов между собой будут скомпенсированы реакцией механических связей.

Движущийся электрический заряд  взаимодействует с магнитным  полем. Возникающая сила Лоренца определяется как

где – вектор скорости заряда q.

Закон Ампера для силовых  взаимодействий магнитного поля с токами, распределёнными в объёме V с плотностью J и на поверхности S плотностью i записывается в виде:

где В – магнитная индукция внешнего, по отношению к текущей точке, интегрированного поля, для которой справедливы те же замечания, что и для Е.

 

1.4.3. Намагничивание  и магнитные материалы

Наличие у вещества магнитных  свойств проявляется в изменении  параметров магнитного поля по сравнению с полем в немагнитном пространстве. Происходящие физические процессы в микроскопическом представлении связывают с возникновением в материале под воздействием магнитного поля магнитных моментов микротоков, объёмная плотность которых называется вектором намагниченности.

Возникновение намагниченности  в веществе при помещении его  в магнитное поле объясняется процессом постепенной преимущественной ориентации магнитных моментов циркулирующих в нём микротоков в направлении поля. Подавляющий вклад в создание микротоков в веществе вносит движение электронов: спиновое и орбитальное движение связанных с атомами электронов, спиновое и свободное движение электронов проводимости.

По магнитным свойствам  все материалы подразделяются на парамагнетики, диамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферриты. Принадлежность материала к тому или иному классу определяется характером отклика магнитных моментов электронов на магнитное поле в условиях сильных взаимодействий электронов между собой в многоэлектронных атомах и кристаллических структурах.

Диамагнетики и парамагнетики  относятся к материалам со слабыми магнитными свойствами. Значительно более сильный эффект намагничивания наблюдается у ферромагнетиков. Магнитная восприимчивость (отношение абсолютных значений векторов намагниченности и напряженности поля) у таких материалов положительная и может достигать нескольких десятков тысяч. У ферромагнетиков образуются области самопроизвольной спонтанной однонаправленной намагниченности - домены. Ферромагнетизм наблюдается у кристаллов переходных металлов: железа, кобальта, никеля и у ряда сплавов. При наложении внешнего магнитного поля с возрастающей напряженностью векторы спонтанной намагниченности, изначально ориентированные в разных доменах по-разному, постепенно выстраиваются в одном направлении. Этот процесс называется техническим намагничиванием. Он характеризуется кривой начального намагничивания (рис. 4.1) - зависимостью индукции или намагниченности от напряженности результирующего магнитного поля в материале. При относительно небольшой напряженности поля (участок I) происходит быстрое возрастание намагниченности преимущественно из-за увеличения размеров доменов, имеющих ориентацию намагниченности в положительной полусфере направлений векторов напряженности поля. Одновременно пропорционально сокращаются размеры доменов в отрицательной полусфере. В меньшей степени изменяются размеры тех доменов, намагниченность которых ориентирована ближе к плоскости, ортогональной вектору напряженности.

При дальнейшем увеличении напряженности преобладают процессы поворота векторов намагниченности доменов по полю (участок II) до достижения технического насыщения (точка S). Последующему возрастанию результирующей намагниченности и достижению одинаковой ориентации всех доменов по полю препятствует тепловое движение электронов. Область III близка по характеру процессов к парамагнетикам, где увеличение намагниченности происходит из-за ориентации немногих спиновых магнитных моментов, дезориентированных тепловым движением. С увеличением температуры дезориентирующее тепловое движение усиливается и намагниченность вещества уменьшается.

Для конкретного ферромагнитного  материала существует определенная температура, при которой ферромагнитное упорядочение доменной структуры и намагниченности исчезают. Материал становится парамагнитным. Эта температура носит название точки Кюри. Для железа точка Кюри соответствует 790 °С для никеля - 340 °С, для кобальта - 1150 °С.