Теоретическая часть лабораторных исследований
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Лабораторный практикум
Омск
Издательство ОмГТУ
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Омский государственный технический университет»
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Лабораторный практикум
Под редакцией профессора А. П. Попова
Омск
Издательство ОмГТУ
УДК 621.3
ББК 22.313
П58
Рецензенты:
А. А. Кузнецов, д-р техн. наук, профессор
кафедры «Теоретическая электротехника»
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС)
А. В. Гидлевский, профессор
кафедры «Автотракторное электрооборудование»
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)
Электромагнитное поле. Лабораторный практикум/ Попов, А. П., Татевосян, А. С., Шамрай, В. И. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2009 г. 82 с.
Лабораторный практикум содержит краткие теоретические сведения по теории квазистатического электромагнитного поля и порядок выполнения лабораторных работ, выполняемых студентами по электротехническим дисциплинам в соответствии с учебными программами дисциплин «Теоретические основы электротехники» раздел «Электромагнитное поле» и «Электричество и магнетизм».
В лабораторном практикуме приведено также описание лабораторных стендов, разработанных на кафедре «Теоретическая и общая электротехника» ОмГТУ, оснащенных современными цифровыми измерительно-вычислительными комплексами. При выполнении расчета электромагнитного поля используются комплекс программ ELCUT-5.6 (профессиональная версия).
Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского государственного технического университета.
УДК 621.3
ББК 22.313
© Омский государственный
технический университет, 2009
ОГЛАВЛЕНИЕ
Лабораторная работа № 1. Исследование электромагнитного поля
цилиндрической катушки с переменным током и электромагнитного
экранирования………………………………………………………………….5
Лабораторная работа № 2.Исследование магнитного поля
электромагнита постоянного тока…………………………………………...16
Лабораторная работа № 3.Исследование проникновения электро-
магнитного поля во внутрь проводящей ферромагнитной
среды…………………………………………………………………………..32
Лабораторная работа № 4. Поверхностный эффект в шине, помещен- ной в паз электрической машины……………………………………………44
Лабораторная работа № 5. Намагничивание и размагничивание
магнитотвердого кольцевого сердечника…………………………………...60
Приложение № 1…………………………………………..…..………….......78
Приложение № 2……………………………………………………………...81
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ
ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ КАТУШКИ С ПЕРЕМЕННЫМ ТОКОМ И
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ЭКРАНИРОВАНИЯ
Цель работы
Целью работы является:
– изучение магнитного поля цилиндрической катушки с переменным током и электромагнитного экранирования поля катушки с использованием двух типов цилиндрических экранов, один из которых представляет собой отрезок медной трубы (µ = µ0 = 4π∙10-7Гн/м, электропроводность γ = 5,7 ∙ 107 1/Ом∙м), другой – отрезок стальной трубы (сталь 3, µ >> µ0, γ = 0,8 ∙ 107 1/Ом∙м), вставляемых внутрь цилиндрической катушки, создающей первичное поле;
– углубление понимания закона полного тока;
– приобретение навыков работы с современными средствами измерения магнитного поля.
Теоретическая часть лабораторных исследований
2.1 Расчет магнитного поля, создаваемого цилиндрической катушкой
На основании закона Био-Савара-Лапласа [1] модуль вектора напряженности магнитного поля Н на оси цилиндрической однослойной катушки диаметром dК и длинной l, по которой протекает ток i, определяется выражением:
, (1)
где 
; 
,
α1 и α2 – значения углов между осью катушки и радиус-векторами, направленными от крайних витков катушки к точке, в которой определяется значение напряженности магнитного поля (рис. 1), dкср – средний диаметр катушки,
Х – расстояние от середины катушки до точек, в которых определяется напряженность магнитного поля Н. Напряженность магнитного поля для отрицательных значений Х не рассчитывается, т.к. при одинаковых расстояниях от центра катушки (Х = 0) в сторону отрицательных значений Х по оси катушки до рассматриваемой точки напряженность Н имеет такое же значение, как и для положительных значений Х (картина силовых линий магнитного поля катушки симметрична относительно центральной плоскости катушки).
Рис. 1
Выражение (1) применяется в данной работе для расчета напряженности магнитного поля на осевой линии катушки в различных точках, лежащих как внутри катушки, так и за ее пределами на осевой линии.
Численный пример расчета напряженности магнитного поля на оси катушки
Предположим катушка намотана в один слой (рис. 2). Число витков W = 200; длина катушки l = 120 мм = 0,12 м; средний диаметр катушки dк = 40 мм = 0,04 м; ω = 2πf; f = 50 Гц; Im = 1 А.
Рассчитаем значение напряженности магнитного поля на оси катушки в точках Х = 0, 20 мм, 40 мм, 60 мм, 80 мм.
Рис. 2
Таблица данных по расчету напряженности магнитного поля
на оси этой катушки
| Х, мм | |||||
| cos α1 | 0,95 | 0,97 | 0,98 | 0,986 | 0,98996 |
| cos α2 | -0,95 | -0,89 | -0,71 | 0,71 | |
| Hт, А/М |
Ниже на графике показана зависимость напряженности магнитного поля на оси этой катушки от координаты Х. График построен по данным таблицы.
Рис. 3 Распределение напряженности магнитного поля по оси катушки
(dкср = 40 мм, l = 120 мм, Iт = 1 А)
Как видно из расчетных данных для этой катушки, напряженность магнитного поля на оси незначительно изменяется в диапазоне -40мм 
+40 мм, т.е. на большей части длины катушки в ее центральной части поле практически однородно.
2.2 Электромагнитное экранирование. Коэффициент экранирования, расчет магнитного поля в экранированной области
Электромагнитные экраны широко применяются для защиты от внешних электромагнитных полей (ЭМП), создающих электромагнитные помехи для различного электронного оборудования и электротехнических устройств, которые стремятся расположить в экранированном пространстве. Для защиты от действия переменного электромагнитного поля высокой частоты обычно применяют немагнитные электропроводящие материалы (медь, алюминий и др.), обладающие высокой электропроводностью и магнитной проницаемостью близкой к магнитной проницаемости воздуха (µ0). Для экранирования низкочастотных электромагнитных полей и экранирования действия постоянных магнитных полей часто применяют ферромагнитные электропроводящие материалы (например, стальные стаканы, цилиндры и т.п.), обладающие высокой магнитной проницаемостью (µ >> µ0) и сравнительно высокой электропроводностью, в связи с чем экранирующее действие стальных экранов велико.
Рис. 4
В лабораторной установке при исследовании электромагнитного экранирования используется два типа цилиндрических экранов:
– медный экран (d1 = 20 мм, d2 = 7,0 мм, µ 
µ0 = 4π∙10-7Гн/м,
γ = 5,7 ∙ 107 1/Ом∙м, длина экрана lЭ1 = 173 мм);
– стальной экран (d1 = 22 мм, d2 = 16 мм, µ 1000µ0,
γ = 0,8 ∙ 107 1/Ом∙м, длина экрана lЭ2 = 170 мм);
При расчете коэффициента экранирования S = Hi / Ha или напряженности магнитного поля во внутренней полости Hi = S ∙ Ha полагаем, что длина экрана достаточно велика, т.е. длина экрана существенно больше диаметра его, а внешнее поле Ha однородно и имеет только осевую составляющую, как показано на рис. 4. При достаточно большой длине экрана и катушки можно пренебречь краевым эффектом и считать, что поле внутри экранированной области однородно.
В работе [2] показано, что для случая длинного цилиндрического экрана при воздействии однородного магнитного поля Ha комплексное значение напряженности магнитного поля в экранированном пространстве при синусоидальном токе, возбуждающем поле Ha (см. рис. 4), будет определяться выражением
, (2)
где 
– толщина стенки экрана;
;
;
µ = µr ∙ µ0 – абсолютная магнитная проницаемость;
µr – относительная магнитная проницаемость;
µ0 – 4π∙10-7 Гн/м.
При решении задачи проникновения поля в проводящую среду вводится понятие глубины проникновения поля 
. Под глубиной проникновения магнитного поля Ha в проводящую среду принято понимать расстояние от поверхности тела в глубь тела экрана, на котором внешнее поле Ha убывает в 2,73 раза.
Из (2) следует, что поле в экранированной области сильно зависит от толщины стенки экрана и частоты синусоидального тока 
, возбуждающего внешнее поле Ha, а также магнитной проницаемости стенок µ и электропроводности γ.
Как видно из этого выражения, чем толще стенка экрана, чем больше электропроводность и магнитная проницаемость материала стенок экрана, тем сильнее экранируется внешнее поле.
Рассмотрим упрощенную формулу для расчета поля в экранированной области. Для этого установим понятие о двух областях частот, граница между которыми определяется соотношением величин глубины проникновения Δ и толщины стенки экрана d.
Низкими частотами назовем частоты, при которых толщина стенки экрана d меньше Δ, т.е. Δ > d. Частоты, при которых Δ < d, будем считать высокими, т.е. на этих частотах кольцевые вихревые токи в стенке экрана вытесняются на поверхность (поверхностный эффект). При низких частотах поверхностный эффект практически не проявляется и экран ведет себя как короткозамкнутый виток, при этом плотность кольцевого тока в нем практически равномерно распределена по толщине стенки экрана.
На низких частотах в выражении (2) можно принять:
, 
.
На высоких частотах (Δ < d) можно допустить приближение:
.
Тогда для области низких частот получаем из (2) следующую формулу для расчета Нi
, (3)
а для области высоких частот
(4)
Как видно из (4), чем больше толщина стенки экрана d, а также чем больше величины ω, µ, γ ( ), тем сильнее эффект экранирования внешнего поля Ha.