Принцип действия
Чтобы понять, как работают электромагниты, надо рассмотреть их конструкцию. Простое устройство объясняет принцип действия электромагнита. При протекании электрического заряда в теле обмотки возникает излучение магнитного поля, пронизывающее магнитопровод.
Формула магнитного потока
Внутри металла или ферромагнита, в соответствии с законами физики, формируются микроскопические магнитные поля, именуемые доменами. Их поля под внешним воздействием обмотки выстраиваются в определённом порядке. В результате магнитные силы доменов суммируются, образуя сильное магнитное поле, сообщая магнитопроводу способность притягивать массивные металлические предметы.
Важно! Чтобы остановить электромагнитную индукцию, достаточно отключить ЭМ от источника тока. При этом сохранится частица магнитного поля. Такой эффект называют гистерезисом.
Классификация
Ротор — что это такое
ЭМ различают по способам создания магнитных полей. Существуют электромагниты трёх разновидностей:
- электромагнит переменного тока;
- нейтральный прибор постоянного тока;
- поляризованный ЭМ постоянного тока.
Магниты, работающие на переменном токе, меняют направление магнитного потока вместе с удвоенной частотой электротока.
Нейтральные ЭМ, подключённые к источнику постоянного тока, создают магнитные потоки, не зависящие от направления электротока.
В поляризованных устройствах ориентировка магнитного потока привязана к направлению электрического тока. Поляризованные ЭМ состоят из двух магнитов. Один из них направляет поляризующий поток магнитного поля на второй электромагнит для его отключения.
Преимущества использования электромагнитов
Главным преимуществом электрического магнита перед постоянным источником магнитного поля заключается в том, что он приводится в рабочее состояние под воздействием электрического тока. То есть, когда нужно оказать магнитное влияние на определённую часть прострaнcтва, ток включают. Это позволяет обеспечивать ритмичную работу ЭМ, что с успехом применяется в разных видах электро оборудования, приборов и устройств.
Электромагнит можно обнаружить в электрических счётчиках, сепараторных установках, трaнcформаторах, теле,- и аудиотехнике и других устройствах.
Мощные магниты установлены на мостовых кранах в цехах металлургических заводов и лебёдках предприятий по сбору металлолома.
Грузоподъёмные электромагниты
Одно из первых применений ЭМ – это динамики. Звуковое устройство в своей основе имеет электромагнит, который заставляет колeбaться мембрану в звуковом диапазоне.
ЭМ используются в металлоискателях для обнаружения металлосодержащих предметов под землёй, в воде и различных массивах.
Электромагнитное реле
« УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ » « ПРИМЕНЕНИЕ »
Реле — электромеханическое устройство, предназначенное для коммутации электрических цепей, цепей сигнализации и управления. Чаще всего реле используется в системах управления и зачастую являются как коммутационными, так и усиливающими элементами цепи.
Следует помнить, что по характеру включения сеть устройства могут быть первичными и вторичными. Первичные реле включаются непосредственно в управляющие цепи управления, вторичные подключаются через измерительные трансформаторы, лабораторные резисторы, шунтирующие сопротивления.
Также одним из достоинств релейных устройств и элементов является очень высокое сопротивление между открытыми контактами, что выгодно отличает их твердотелых реле, использующих вместо катушки полупроводниковые элементы.
Твердотельные устройства очень чувствительны к качеству управляющего сигнала и имеют высокую вероятность ложного срабатывание в результате внештатного электромагнитного импульса или при увеличении напряжения в управляемой сети сверх оптимальных значений.
Помимо стандартных электромагнитных реле некоторые источники относят к этой группе устройств и герконовые реле, главной отличительной чертой которых является использование, в качестве управляющего сигнала, вместо электрического сигнала магнитное поле вырабатываемое постоянным или электромагнитом.
Устройство и принцип действия электромагнитного реле
Конструктивно электромагнитное реле представляет собой катушку выполняющую роль втягивающего устройства. Она состоит из основания из немагнитного материала, на которое намотан медный провод, который, в зависимости от исполнения, может быть в изоляции из тканевых, синтетических материалов, но в большинстве случаев проводник покрывается диэлектрическим лаком.
При подаче напряжения на катушку происходит втягивание металлического сердечника, связанного с толкателем, который приводит в движение контакты.
В зависимости от назначения контактный блок реле может состоять из нормально открытых (разомкнутых) или нормально закрытых (замкнутых) контактов, в некоторых случаях блок контактов может совмещать в себе оба типа контактов.
Более подробно устройство реле можно понять если разбить его составляющие на блоки:
- управляющий — служит для преобразования управляющего сигнала (в нашем случае из электрического — в магнитное поле);
- блок промежуточных элементов — приводит в действие исполнительный механизм;
- исполнительный блок — воздействует непосредственно на управляемую цепь. В качестве исполнительного блока можно рассматривать контактную группу устройства.
Также, при проектировании управляющих цепей с использованием электромагнитных реле необходимо учитывать, что ввиду того что чувствительным элементом является электромагнитная катушка, то ток в обмотке увеличивается или уменьшается не мгновенно, а в течении некоторого времени.
В связи с этим следует учитывать возможное время задержки срабатывания. Оно достаточно мало, но в некоторых ситуациях может оказывать влияние на работу других элементов схемы.
Электромагнитные реле можно классифицировать по следующим признакам:
области применения:
для цепей управления, защиты или сигнализации;
мощности управления:
малой мощности, управляющий сигнал ≤1 Вт, средней мощности, сигнал управления находится в пределах от 1 до 9 Вт, высокой мощности — мощность сигнала ≥10 Вт;
времени реакции на сигнал управления:
безынерционные время реакции ≤ 0,001 сек., быстродействующие — время реакции от 0,001 до 0,05 сек., замедленные время реакции от 0,05 до 1 сек., а также реле времени с регулируемой задержкой срабатывания.
характеру управляющего напряжения:
постоянного тока —нейтральные, поляризованные и переменного тока.
Отдельно стоит остановиться на особенностях реле постоянного тока. Как было выше сказано они подразделяются на нейтральные и поляризационные. Главное отличие этих двух групп заключается в том, что поляризационные устройства чувствительны к полярности приложенного напряжения, то есть подвижный сердечник меняет свое направление с правого на левое или наоборот в зависимости от полярности напряжения.
Электромагнитные реле постоянного тока делятся на:
- двухпозиционные;
- двухпозиционные с преобладанием;
- трехпозиционные или реле с нечувствительной зоной.
Срабатывание же устройств нейтрального типа не зависит от полярности подаваемого напряжения. К недостаткам реле использующих, в качестве управляющего сигнала, постоянный ток можно отнести необходимость установки блоков питания, для подачи постоянного тока и высокая стоимость самого устройства.
Реле переменного тока этого лишены, но и у них есть свои недостатки такие как — необходимость доработки конструкции для устранения вибрации сердечника. Рабочие параметры хуже, чем у устройств использующих линейную форму управляющего сигнала, а именно — хуже чувствительность, гораздо меньшее электрическое усилие. Но в тоже время они могут напрямую подключаться к электрической сети переменного тока.
В начало
Применение электромагнитных реле
Пожалуй, наиболее широкое распространение реле, работающие с использованием электромагнитного принципа получили в сфере распределения и производства электрической энергии. Релейная защита высоковольтных линий обеспечивает безаварийный режим работы подстанций и другого подключенного оборудования.
Управляющие элементы, используемые в установках релейной защиты рассчитаны на коммутацию присоединения при рабочих напряжениях, достигающих нескольких сотен тысяч вольт.
Широкое распространение релейной защиты высоковольтных линий обусловлено:
- высокой долговечностью релейных элементов;
- быстрой реакцией на изменение параметров подключенных линий;
- способностью работы в условиях высокой напряженности электромагнитных полей и нечувствительностью к появлению паразитных электрических потенциалов.
Также посредством установок релейной защиты осуществляется резервирование линий электропередач и моментальный вывод из работы поврежденных участков электросети, к примеру, при замыкании линии на землю или обрыве токоведущих частей. На сегодняшний день еще не изобретены более надежные средства защиты линий электропередач чем релейная защита.
Кроме того, в настоящее время электромагнитный тип реле широко используется в системах управления производственными, конвейерными линиями. Чаще всего данный вид систем управления используется на производствах с наличием высоких паразитных потенциалов делающих невозможным использование полупроводниковых систем управления.
К примеру, известен случай, когда при модернизации систем управления конвейерными линиями на одном из элеваторов новое оборудование, построенное новейших полупроводниковых элементах, постоянно выходило из строя.
Как позже выяснилось причиной поломки стало статическое электричество, возникающее при движении зерна по конвейерной ленте, а так как система выравнивания потенциалов была не предусмотрена в данных помещениях, то стал вопрос о переносе пульта управления в защищенное помещение.
Это было сопряжено с огромными материальными затратами. В результате было принято решение перейти на релейные блоки управления, нечувствительные к статическому напряжению.
Сверхпроводящий электромагнит
Сверхпроводимостью считают свойство материалов с сопротивлением, близким к нулю. Электромагниты с пpaктически нулевым показателем сопротивления обладают сверхмощным магнитным полем. Сила магнитного воздействия может заставить парить в прострaнcтве такие диамагнетики, как кусочки свинца и органические объекты.
Как было замечено физиками, металлы приобретают свойство сверхпроводимости при сверхнизкой температуре. Чтобы получить эффект сверхпроводимости, обмотки ЭМ помещают в сосуд Дьюара с жидким гелием, который снабжён клапаном для сброса паров вещества. Сверхпроводящие магниты применяют в медицинском оборудовании – аппаратах МРТ (магнитный резонансный томограф). В экспериментальных поездах на воздушной подушке применяются сверхпроводящие магниты.
Сверхпроводящий магнит
Применение грузоподъемных и крупномасштабных электромагнитов
Электродвигатели и генераторы жизненно важны в современном мире. Мотор принимает электрическую энергию и использует магнит, чтобы превратить электрическую энергию в кинетическую. Генератор, наоборот, преобразует движение, используя магниты, чтобы вырабатывать электричество. При перемещении габаритных металлических объектов используются грузоподъемные электромагниты. Они также необходимы при сортировке металлолома, для отделения чугуна и других черных металлов от цветных.
Настоящее чудо техники – японский левитирующий поезд, способный развивать скорость до 320 километров в час. В нем используются электромагниты, помогающие парить в воздухе и невероятно быстро передвигаться.
Военно-морские силы США проводят высокотехнологичные эксперименты с футуристической электромагнитной рельсовой пушкой. Она может направлять свои снаряды на значительные расстояния с огромной скоростью. Снаряды обладают огромной кинетической энергией, поэтому могут поражать цели без использования взрывчатых веществ.
Как сделать электромагнит 12в
Самый просто способ, как сделать электромагнит, – это взять обычный гвоздь, провод и батарейку. По всей длине стержня наматывают изолированный провод. Концы проводника прижимают к полюсам батарейки. Для того чтобы заряд не расходовался зря, один конец провода припаивают к положительному контакту. Другое окончание нужно делать в виде подпружиненной дуги, которую прижимают к клемме батарейки со знаком минус. На нижнем фото видно, как можно сделать электромагнит в домашних условиях.
Электромагнит своими руками
Обратите внимание! При изготовлении электромагнита с батарейкой можно использовать контактную колодку со старого устройства. Для отключения магнита будет достаточно вынуть батарейку из контактной коробки.
Снижение потери ВхТ
Обмотку для электромагнита выполняют из медных или алюминиевых изолированных проводов. Существуют и сверхпроводящие электромагниты. Магнитный провод делают из магнитно-мягкого материла, чаще всего стали (конструкционной, литой и электротехнической), чугуна и сплавов железа с кобальтом или никелем. Снижение потери на вихревой ток (ВхТ) осуществляется при помощи создания магнитопровода из множества листов.
Расчёты
Перед тем, как начать собирать электромагнит своими руками, делают предварительный расчёт его параметров. Элементы конструкции рассчитывают отдельно для ЭМ постоянного и переменного тока.
Для постоянного тока
Перед тем, как производить расчёты, определяются с требуемой величиной магнитодвижущей силы (МДС) катушки. Параметры обмотки должны обеспечивать нужную МДС, в то же время катушка не должна перегреваться, иначе будет потерян изоляционный слой провода намотки. Исходными данными для расчёта являются напряжение в проводе электромагнитной катушки и требуемая величина магнитодвижущей силы.
Методики расчёта электромагнитов постоянного тока постоянно публикуются в сети интернета. Там же можно подобрать формулы для определения МДС, поперечного сечения сердечника и провода обмотки, его длины.
Дополнительная информация. В основном в интернете ищут расчёты электромагнитов на 12 вольт, сделанных своими руками. В зависимости от потребностей, можно пойти разными путями расчётов. В основном выбирают «рецепты» по определению сечения и длины провода обмотки с питанием от стандартной батарейки формата «А» или «АА».
Для переменного тока
Основой для ЭМ переменного тока является расчёт обмотки. Как и в предыдущем случае, руководствуются исходными требованиями величины МДС. Несмотря на большое количество рекомендуемых формул расчёта, чаще всего «способности» устройства определяют опытным подбором параметров деталей его конструкции. Методики расчёта ЭМ переменного тока всегда можно найти во всемирной информационной паутине (интернете).
Основные части электромагнитов постоянного тока
Нейтральные электромагниты постоянного тока обладают наиболее благоприятными характеристиками и наиболее экономичны. Благодаря большому количеству возможных конструктивных исполнений эти электромагниты легко приспосабливать к различным условиям работы и различным конструкциям устройств, в которых они используются. Поэтому они получили наибольшее распространение.
При всем разнообразии встречающихся на практике таких электромагнитов они имеют следующие основные части одинакового назначения (рис. 2.1 — 2.3):
Ø катушку с расположенной на ней намагничивающей обмоткой 1;
Ø неподвижную часть магнитопровода из ферромагнитного материала 2;
Ø подвижную часть магнитопровода — якорь 3.
Якорь отделяется от остальных частей магнитопровода рабочим и паразитным зазорами и представляет собой часть электромагнита, которая, воспринимая электромаг-нитное усилие, передает его соответствующим деталям приводимого в действие механизма.
В зависимости от расположения якоря относительно остальных частей электромагнита и характера воздействия на якорь со стороны магнитного потока электромагниты постоянного тока рзделяются на следующие типы:
¨ электромагниты со втягивающимся якорем;
¨ электромагниты с внешним притягивающимся якорем;
¨ электромагниты с внешним поперечно движущимся якорем.
Одна из типичных конструкций электромагнита с втягивающимся якорем показана на рисунок 10.1. Характерной особенностью таких электромагнитов
является то, что якорь или,
Рисунок 10.1. Электромагнит с втягивающимся якорем.
как его в данном случае можно назвать, подвижный сердечник, располагается целиком или частично внутри катушки с обмоткой. В процессе срабатывания электромагнита якорь, перемещаясь поступательно, погружается в катушку. Втягивание якоря происходит как за счет магнитного потока, проходящего через торцовую поверхность якоря, так и за счет действия магнитных потоков, выходящих из его боковой поверхности. На рисунок 10.2 изображена одна из разновидностей электромагнитов с внешним
Рисунок 10.2. Электромагнит с внешним притягивающимся якорем. а — внешний вид реле с электромагнитом с притягивающимся якорем;
б — разрез электромагнита. притягивающимся якорем.
У этих электромагнитов якорь расположен снаружи по отношению к катушке. На него действует главным образом рабочий магнитный поток, проходящий от якоря к торцу шляпки сердечника. В результате этого якорь поворачивается в пределах малого угла или совершает поступательное перемещение в направлении линии индукции рабочего магнитного потока.
Конструкция электромагнита с внешним поперечно движущимся якорем показана на рис. 10.3.
Рисунок 10.3. Электромагнит с внешним поперечно движужимся якорем.
Якорь в подобных электромагнитах располагается снаружи катушки. Рабочий магнитный поток, действующий на якорь, проходит из его боковой поверхности к полюсным наконечникам, имеющим особую форму, определенным об- разом согласованную с формой боковой поверхности якоря. В результате воздействия со стороны рабочего магнитного потока якорь движется поперек магнитных линий, поворачиваясь на некоторый ограниченный угол.
В каждой из трех перечисленных групп электромагнитов потоянного тока в свою очередь имеется ряд конструктивных разновидностей, определяемых конструкцией магнитной цепи. Кроме того, в зависимости от способа включения обмотки электромагнита различают:
¨ электромагниты с оботками параллельного включения;
¨ электромагниты с обмотками поледовательного включения.
В первом случае обмотка выолняется таким образом, что ее включают на полное наряжение источника питания непосредственно или через неоторое добавочное сопротивление. Ток в цепи обмотки параллельного включения полностью или, во всяком случае в значительной степени определяется ее параметрами. Обмотка последовательного включения практически не влияет на величину тока той цепи, куда она включается. Последний определяется параметрами остальных элементов этой цепи. Благодаря этим особенностям некоторые характеристики электромагнитов параллельного и последовательного включения и в первую очередь их динамические характеристики оказываются различными.
б) Основные части электромагнитов переменного тока.
Характеристики и конструкция таких электромагнитов имеют коренные отличия по сравнению с электромагнитами постоянного тока,
Магнитный поток, создаваемый обмоткой, по которой проходит переменный ток, периодически меняется по величине и направлению (переменный магнитный поток), в результате чего сила электромагнитного притяжения пульсирует от нуля до максимума с удвоен- ной частотой по отношению к частоте питающего тока’.
Однако для тяговых электромагнитов снижение электромагнитной силы ниже определенного уровня недопустимо, так как приводит к вибрации якоря, а в отдельных случаях — к прямому нарушению нормальной работы.
Поэтому в тяговых электромагнитах, работающих при переменном магнитном потоке, приходится прибегать к специальным мерам для уменьшения глубины пульсации силы.
Основным способом уменьшения пульсации суммарной силы, действующей на якорь электромагнита с переменным магнитным потоком, является применение магнитных систем с расщепленными путями магнитного по- тока, по каждому из которых проходят переменные магнитные потоки, сдвинутые по фазе относительно друг друга.
Пpи всем разнообразии встречающихся на практике тяговых электромагнитов они состоят из следующих основных частей одинакового назначения (рис. 10-4).
1 — катушка с расположенной на ней намагничиваю- щей обмоткой (может быть несколько катушек и несколько обмоток);
2 — неподвижная часть магнитопровода, выполняемого из ферромагнитного материала (основание и сердечник);
3 — подвижная часть магнитопровода (якорь).
а) б) в)
Рисунок 10.4: а) эскиз электромагнита с внешним б) эскиз электромагнита с притягивающимся якорем. в) втягивающимся частично якорем
Якорь отделяется от остальных частей магнитопровода воздушными промежутками и представляет собой часть электромагнита, которая, воспринимая электромагнитное усилие, передает его соответствующим деталям приводимого в действие механизма.
Количество и форма воздушных промежутков, отделяющих подвижную часть магнитопровода от неподвижной, зависят от конструкции электромагнита. Воздушные промежутки, в которых возникает полезная сила, называются рабочими; воздушные промежутки, в которых не возникает усилие в направлении возможного перемещения якоря, являются паразитными.
Поверхности подвижной или неподвижной части магнитопровода, ограничивающие рабочий воздушный промежуток, называют полюсами.
В зависимости от расположения якоря относительно остальных частей электромагнита различают электромагниты
¨ с внешним притягивающимся якорем (рисунок 10.5 а),
¨ электромагниты с втягивающимся якорем (рисунок 10.4 б)
¨ электромагниты с поперечно движущимся якорем.
Последняя система в электромагнитах переменного тока практически не применяется. Зато во многих случаях применяются конструкции с якорем, имеющим черты как втягивающегося, так и внешнего притягивающегося (рисунок 10.4 в)
Формы конструктивного выполнения электромагнитов переменного тока ограничены из-за необходимости выполнять их магнитопроводы шихтованными из тонких листов электротехнической стали. Последнее диктуется стремлением свести к минимуму потери на вихревые токи. С этой же целью, а также для уменьшения потерь на гистерезис приходится применять специальные технологические приемы при изготовлении электромагнитов, что в свою очередь также сказывается на их конструкции.
Электромагниты различают также по ряду других признаков:
v по способу включения обмоток — с параллельными и последовательными обмотками;
v по характеру работы — работающие в длительном, прерывистом и кратковременном режимах;
v по скорости действия — быстродействующие и замедленного действия и т. д.
Магнитные материалы и их характеристики. Применение в электромагнитах.
Для изготовления магнитопроводов электромагнитов применяют- ся магнитно-мягкие материалы. Они характеризуются высокой проницаемостью в слабых и средних полях и низкой коэрцитивной силой. Для них, как впрочем и для всех ферромагнитных материалов, характерным является зависимость намагниченности от температуры и наличие определенной температуры (точка Кюри) в пределах твердого состояния, при которой материал становится немагнитным.
а) Характеристика магнитного состояния.Для ферромагнитных материалов связь между магнитной индукцией и напряженностью поля не является однозначной. Она зависит от предыдущего магнитного со стояния и определяется точка- ми, находящимися внутри предельной петли магнитного гистерезиса (рисунок 10.5).
Рисунок 10.5 — Петли магнитного гистерезиса
Если в первоначально размагниченном образце увеличивать напряженность по- ля, то индукции будет возрастать по кривой первоначального намагничивания (кривая 1, рисунок 10.5). При циклическом изменении напряженности поля между равными по величине положительными и отрицательными значениями Н
индукция будет следовать так называемым симметричным или основным петля магнитного гистерезиса, конфигуация которых для данного — материала определяется пределами изменения напряженности поля.
Кривая, идущая от начала координат и соединяющая вершины основных петель, Рисунок 10.5. Петли магнитного гисерезиса ферромагнитного материала называется основной или коммутационной — кривой намагничивания (кривая 2 рисунок 10.5).
В электромагнитах, работающих при переменном магнитном потоке, происходит непрерывное циклическое перемагничивание. Поэтому магнитное состояние их магнитопровода определяет именно ком- мутационная кривая намагничивания, причем небезразлично, каким образом эта кривая снята: коммутационным методом на постоянном токе или на переменном. При расчетах тех или иных магнитов следует пользоваться данными, полученными для магнитов постоянного или переменного тока.
В тех случаях, когда напряженность поля, имея постоянную составляющую, меняется в небольших пределах, изменение индукции происходит по малому ч частному циклу — гистерезиса. В этом случае связь между индукцией и напряженностью поля может быть приближенно выражена через среднюю проницаемость в частном цикле:
μΔ= где ΔΒ и ΔΗ — приращения индукции и напряженности, определяю- щие частный цикл. Ее величина в каждой точке нормальной кривой меньше проницаемости μ, и зависит от величины смещающего поля и величины ΔΗ. Предел, к которому стремится μΔ при уменьшении ΔΗ до нуля, называется обратимой проницаемостью μΔ.
Также у материалов для магнитов на переменном токе учитываются еще
б)Потери на перемагничивание.При перемагничивании (изменении магнитного состояния) образца из ферромагнитного материала затрачивается определенная энергия, выделяющаяся в виде тепла. Энергия, выделяющаяся за один цикл перемагничивания, характеризуется площадью, заключенной внутри соответствующей петли маг- нитного гистерезиса.
в) Потери от вихревых то- ков и общие потери.При переменном магнитном поле в ферромагнетике кроме потерь, связанных с гистерезисом, возни- кают также потери из-за вихре- вых токов. Эти токи появляются под действием э. д. с., на- водимой переменным магнитным потоком в ферромагне- тике. Для снижения потерь от вихревых токов магнитопровод приходится делать шихтованным, т. е. выполнять из набора тонких пластин, изолированных в электрическом отношении друг от друга. Если пластины тонкие, то можно считать, что магнитный поток по их толщи- не распределен равномерно, а контуры вихревых токов имеют стороны, параллельные сторонам по- перечного сечения пластины. Магнитные материалы, применяемые в электрома- гнитах.
При изготовлении магнитопроводов электромагнитов постоянного и переменного тока находят применение низкоуглеродистые электротехнические стали, кремнистые электротехнические стали, качественные конструкционные стали с содержанием углерода до 0,2 — 0,25%, стальное литье, чугуны, специальные железоникелевые и железокобальтовые стали. Для магнитопроводов электромагнитов высокочувствительных электромагнитных устройств применяются железоникелевые сплавы, обладающие очень малой коэрцитивной силой (0,01 — 0,1 а/см) и чрезвычайно высокой проницаемостью в слабых полях ( доходит до 300000). Недостатком этих сплавов являются сравнительно низкая ин- дукции насыщения (7000 — 10000
гс
) и большая чувстви- тельность к механическим воздействиям. Появляющийся в этом случае наклеп приводит к сильному ухудшению магнитных свойств. Низкоуглеродитые электротехнические стали (ма- рок Э, А и т. п.), содержащие углерод в количестве до 0,04% и выпускаемые в виде листов и прутков, наиболее часто применяются для изготовления маломощных электромагнитов. Они имеют незначительную коэрцитивную силу (0,3 — 1,2
а/см
) при высокой проницаемости ( оходит до 6000) и индукции насыщения до 21400
гс
. Благодаря этому можно допускать значительно большие значения индукции, чем при применении железоникелевых сплавов, что существенно в электромагнитах на большие рабочие усилия.
При отсутствии жестких требований к значениям Нс
и , например в силовых электромагнитах, электромагнитах многих коммутационных аппаратов и реле управления, для изготовления магнитопроводов применяют качественные конструкционные стали (марок 0; 1; 2 и тонко листовые 0,5; 0,8; 10; 15 и 20), имеющие при соответствующей термической обработке коэрцитивную силу от
0,7
до 3,5
а/см
и максимальную проницаемость 2000— 4000.
В некоторых случаях, особенно для больших электромагнитов, из технологических соображений части магнитопроводов выполняются из стального литья и чугуна, обладающих сравнительно низкими магнитными свойствами. При обычном изготовлении стальные и чугунные отливки не подвергаются дополнительной термической обработке, однако отжиг может значительно улучшить их магнитные свойства. Кремнистые стали (марок Э11, Э21 и др.) применяют для изготовления магнитопроводов быстродействующих электромагнитов постоянного тока. Обладая высокими магнитными свойствами (Нс =0,2 — О,7 а/см
=5000 — 10000 и ВS=19200 — 21000
гс
) они имеют в не- сколько раз меньшую электропроводность, что приводит к снижению вихревых токов и, следовательно, уменьшает их влияние на скорость срабатывания электромагнита. Они также широко применяются в электромагнитах переменного тока.
С точки зрения снижения габаритов и веса электромагнитов, что особенно существенно для многих случаев их специального применения, большой интерес представляют сплавы железа с кобальтом (типа пермендюр) вследствие их большой индукции насыщения (ВS =23600 гс)
при до- статочно низкой коэрцитивной силе (1,2 — 1,6
а/см
) и вы- сокой проницаемости ( достигает 4500) .
Для изготовления магнитопроводов электромагнитов, работаю- щих при переменном магнитном потоке, применяют почти исключи- тельно кремнистые электротехнические стали. Им присущи малые потери на гистерезис благодаря незначительной — коэрцитивной силе и низкие потери на вихревые токи благодаря повы- шенному удельному электрическому сопротивлению. Для снижения потерь на вихревые токи магнитопроводы изготовляются в виде тон- ких листов толщиной от 0,1 до 1 м и.
Химический состав и свойства этих сталей нормируются ГОСТ 802-54, который включает 28 марок. Основное различие между ними, определяющее их свойства, заключается в содержании кремния и ха- рактере механической обработки (прокатки) в процессе производства листов.
Увеличение содержания кремния приводит к повышению магнит- ной проницаемости в слабых и средних полях, снижению потерь и коэрцитивной силы. Однако при этом повышается твердость и хруп- кость материала, что затрудняет изготовление из него деталей.
Железноникелевые стали, обладающие весьма высокой начальной и максимальной проницаемостью, малыми потерями и низкими значениями коэрцитивной силы, для электромагнитов применяются только в исключительных случаях, когда требуется особо высокая чувствительность. Вообще же из-за низкой индукции насыщения их использование в электромагнитах, как правило, нецелесообразно.
Нейтральные электромагниты постоянного тока обладают наиболее благоприятными характеристиками и наиболее экономичны. Благодаря большому количеству возможных конструктивных исполнений эти электромагниты легко приспосабливать к различным условиям работы и различным конструкциям устройств, в которых они используются. Поэтому они получили наибольшее распространение.
При всем разнообразии встречающихся на практике таких электромагнитов они имеют следующие основные части одинакового назначения (рис. 2.1 — 2.3):
Ø катушку с расположенной на ней намагничивающей обмоткой 1;
Ø неподвижную часть магнитопровода из ферромагнитного материала 2;
Ø подвижную часть магнитопровода — якорь 3.
Якорь отделяется от остальных частей магнитопровода рабочим и паразитным зазорами и представляет собой часть электромагнита, которая, воспринимая электромаг-нитное усилие, передает его соответствующим деталям приводимого в действие механизма.
В зависимости от расположения якоря относительно остальных частей электромагнита и характера воздействия на якорь со стороны магнитного потока электромагниты постоянного тока рзделяются на следующие типы:
¨ электромагниты со втягивающимся якорем;
¨ электромагниты с внешним притягивающимся якорем;
¨ электромагниты с внешним поперечно движущимся якорем.
Одна из типичных конструкций электромагнита с втягивающимся якорем показана на рисунок 10.1. Характерной особенностью таких электромагнитов
является то, что якорь или,
Рисунок 10.1. Электромагнит с втягивающимся якорем.
как его в данном случае можно назвать, подвижный сердечник, располагается целиком или частично внутри катушки с обмоткой. В процессе срабатывания электромагнита якорь, перемещаясь поступательно, погружается в катушку. Втягивание якоря происходит как за счет магнитного потока, проходящего через торцовую поверхность якоря, так и за счет действия магнитных потоков, выходящих из его боковой поверхности. На рисунок 10.2 изображена одна из разновидностей электромагнитов с внешним
Рисунок 10.2. Электромагнит с внешним притягивающимся якорем. а — внешний вид реле с электромагнитом с притягивающимся якорем;
б — разрез электромагнита. притягивающимся якорем.
У этих электромагнитов якорь расположен снаружи по отношению к катушке. На него действует главным образом рабочий магнитный поток, проходящий от якоря к торцу шляпки сердечника. В результате этого якорь поворачивается в пределах малого угла или совершает поступательное перемещение в направлении линии индукции рабочего магнитного потока.
Конструкция электромагнита с внешним поперечно движущимся якорем показана на рис. 10.3.
Рисунок 10.3. Электромагнит с внешним поперечно движужимся якорем.
Якорь в подобных электромагнитах располагается снаружи катушки. Рабочий магнитный поток, действующий на якорь, проходит из его боковой поверхности к полюсным наконечникам, имеющим особую форму, определенным об- разом согласованную с формой боковой поверхности якоря. В результате воздействия со стороны рабочего магнитного потока якорь движется поперек магнитных линий, поворачиваясь на некоторый ограниченный угол.
В каждой из трех перечисленных групп электромагнитов потоянного тока в свою очередь имеется ряд конструктивных разновидностей, определяемых конструкцией магнитной цепи. Кроме того, в зависимости от способа включения обмотки электромагнита различают:
¨ электромагниты с оботками параллельного включения;
¨ электромагниты с обмотками поледовательного включения.
В первом случае обмотка выолняется таким образом, что ее включают на полное наряжение источника питания непосредственно или через неоторое добавочное сопротивление. Ток в цепи обмотки параллельного включения полностью или, во всяком случае в значительной степени определяется ее параметрами. Обмотка последовательного включения практически не влияет на величину тока той цепи, куда она включается. Последний определяется параметрами остальных элементов этой цепи. Благодаря этим особенностям некоторые характеристики электромагнитов параллельного и последовательного включения и в первую очередь их динамические характеристики оказываются различными.
б) Основные части электромагнитов переменного тока.
Характеристики и конструкция таких электромагнитов имеют коренные отличия по сравнению с электромагнитами постоянного тока,
Магнитный поток, создаваемый обмоткой, по которой проходит переменный ток, периодически меняется по величине и направлению (переменный магнитный поток), в результате чего сила электромагнитного притяжения пульсирует от нуля до максимума с удвоен- ной частотой по отношению к частоте питающего тока’.
Однако для тяговых электромагнитов снижение электромагнитной силы ниже определенного уровня недопустимо, так как приводит к вибрации якоря, а в отдельных случаях — к прямому нарушению нормальной работы.
Поэтому в тяговых электромагнитах, работающих при переменном магнитном потоке, приходится прибегать к специальным мерам для уменьшения глубины пульсации силы.
Основным способом уменьшения пульсации суммарной силы, действующей на якорь электромагнита с переменным магнитным потоком, является применение магнитных систем с расщепленными путями магнитного по- тока, по каждому из которых проходят переменные магнитные потоки, сдвинутые по фазе относительно друг друга.
Пpи всем разнообразии встречающихся на практике тяговых электромагнитов они состоят из следующих основных частей одинакового назначения (рис. 10-4).
1 — катушка с расположенной на ней намагничиваю- щей обмоткой (может быть несколько катушек и несколько обмоток);
2 — неподвижная часть магнитопровода, выполняемого из ферромагнитного материала (основание и сердечник);
3 — подвижная часть магнитопровода (якорь).
а) б) в)
Рисунок 10.4: а) эскиз электромагнита с внешним б) эскиз электромагнита с притягивающимся якорем. в) втягивающимся частично якорем
Якорь отделяется от остальных частей магнитопровода воздушными промежутками и представляет собой часть электромагнита, которая, воспринимая электромагнитное усилие, передает его соответствующим деталям приводимого в действие механизма.
Количество и форма воздушных промежутков, отделяющих подвижную часть магнитопровода от неподвижной, зависят от конструкции электромагнита. Воздушные промежутки, в которых возникает полезная сила, называются рабочими; воздушные промежутки, в которых не возникает усилие в направлении возможного перемещения якоря, являются паразитными.
Поверхности подвижной или неподвижной части магнитопровода, ограничивающие рабочий воздушный промежуток, называют полюсами.
В зависимости от расположения якоря относительно остальных частей электромагнита различают электромагниты
¨ с внешним притягивающимся якорем (рисунок 10.5 а),
¨ электромагниты с втягивающимся якорем (рисунок 10.4 б)
¨ электромагниты с поперечно движущимся якорем.
Последняя система в электромагнитах переменного тока практически не применяется. Зато во многих случаях применяются конструкции с якорем, имеющим черты как втягивающегося, так и внешнего притягивающегося (рисунок 10.4 в)
Формы конструктивного выполнения электромагнитов переменного тока ограничены из-за необходимости выполнять их магнитопроводы шихтованными из тонких листов электротехнической стали. Последнее диктуется стремлением свести к минимуму потери на вихревые токи. С этой же целью, а также для уменьшения потерь на гистерезис приходится применять специальные технологические приемы при изготовлении электромагнитов, что в свою очередь также сказывается на их конструкции.
Электромагниты различают также по ряду других признаков:
v по способу включения обмоток — с параллельными и последовательными обмотками;
v по характеру работы — работающие в длительном, прерывистом и кратковременном режимах;
v по скорости действия — быстродействующие и замедленного действия и т. д.
Магнитные материалы и их характеристики. Применение в электромагнитах.
Для изготовления магнитопроводов электромагнитов применяют- ся магнитно-мягкие материалы. Они характеризуются высокой проницаемостью в слабых и средних полях и низкой коэрцитивной силой. Для них, как впрочем и для всех ферромагнитных материалов, характерным является зависимость намагниченности от температуры и наличие определенной температуры (точка Кюри) в пределах твердого состояния, при которой материал становится немагнитным.
а) Характеристика магнитного состояния.Для ферромагнитных материалов связь между магнитной индукцией и напряженностью поля не является однозначной. Она зависит от предыдущего магнитного со стояния и определяется точка- ми, находящимися внутри предельной петли магнитного гистерезиса (рисунок 10.5).
Рисунок 10.5 — Петли магнитного гистерезиса
Если в первоначально размагниченном образце увеличивать напряженность по- ля, то индукции будет возрастать по кривой первоначального намагничивания (кривая 1, рисунок 10.5). При циклическом изменении напряженности поля между равными по величине положительными и отрицательными значениями Н
индукция будет следовать так называемым симметричным или основным петля магнитного гистерезиса, конфигуация которых для данного — материала определяется пределами изменения напряженности поля.
Кривая, идущая от начала координат и соединяющая вершины основных петель, Рисунок 10.5. Петли магнитного гисерезиса ферромагнитного материала называется основной или коммутационной — кривой намагничивания (кривая 2 рисунок 10.5).
В электромагнитах, работающих при переменном магнитном потоке, происходит непрерывное циклическое перемагничивание. Поэтому магнитное состояние их магнитопровода определяет именно ком- мутационная кривая намагничивания, причем небезразлично, каким образом эта кривая снята: коммутационным методом на постоянном токе или на переменном. При расчетах тех или иных магнитов следует пользоваться данными, полученными для магнитов постоянного или переменного тока.
В тех случаях, когда напряженность поля, имея постоянную составляющую, меняется в небольших пределах, изменение индукции происходит по малому ч частному циклу — гистерезиса. В этом случае связь между индукцией и напряженностью поля может быть приближенно выражена через среднюю проницаемость в частном цикле:
μΔ= где ΔΒ и ΔΗ — приращения индукции и напряженности, определяю- щие частный цикл. Ее величина в каждой точке нормальной кривой меньше проницаемости μ, и зависит от величины смещающего поля и величины ΔΗ. Предел, к которому стремится μΔ при уменьшении ΔΗ до нуля, называется обратимой проницаемостью μΔ.
Также у материалов для магнитов на переменном токе учитываются еще
б)Потери на перемагничивание.При перемагничивании (изменении магнитного состояния) образца из ферромагнитного материала затрачивается определенная энергия, выделяющаяся в виде тепла. Энергия, выделяющаяся за один цикл перемагничивания, характеризуется площадью, заключенной внутри соответствующей петли маг- нитного гистерезиса.
в) Потери от вихревых то- ков и общие потери.При переменном магнитном поле в ферромагнетике кроме потерь, связанных с гистерезисом, возни- кают также потери из-за вихре- вых токов. Эти токи появляются под действием э. д. с., на- водимой переменным магнитным потоком в ферромагне- тике. Для снижения потерь от вихревых токов магнитопровод приходится делать шихтованным, т. е. выполнять из набора тонких пластин, изолированных в электрическом отношении друг от друга. Если пластины тонкие, то можно считать, что магнитный поток по их толщи- не распределен равномерно, а контуры вихревых токов имеют стороны, параллельные сторонам по- перечного сечения пластины. Магнитные материалы, применяемые в электрома- гнитах.
При изготовлении магнитопроводов электромагнитов постоянного и переменного тока находят применение низкоуглеродистые электротехнические стали, кремнистые электротехнические стали, качественные конструкционные стали с содержанием углерода до 0,2 — 0,25%, стальное литье, чугуны, специальные железоникелевые и железокобальтовые стали. Для магнитопроводов электромагнитов высокочувствительных электромагнитных устройств применяются железоникелевые сплавы, обладающие очень малой коэрцитивной силой (0,01 — 0,1 а/см) и чрезвычайно высокой проницаемостью в слабых полях ( доходит до 300000). Недостатком этих сплавов являются сравнительно низкая ин- дукции насыщения (7000 — 10000
гс
) и большая чувстви- тельность к механическим воздействиям. Появляющийся в этом случае наклеп приводит к сильному ухудшению магнитных свойств. Низкоуглеродитые электротехнические стали (ма- рок Э, А и т. п.), содержащие углерод в количестве до 0,04% и выпускаемые в виде листов и прутков, наиболее часто применяются для изготовления маломощных электромагнитов. Они имеют незначительную коэрцитивную силу (0,3 — 1,2
а/см
) при высокой проницаемости ( оходит до 6000) и индукции насыщения до 21400
гс
. Благодаря этому можно допускать значительно большие значения индукции, чем при применении железоникелевых сплавов, что существенно в электромагнитах на большие рабочие усилия.
При отсутствии жестких требований к значениям Нс
и , например в силовых электромагнитах, электромагнитах многих коммутационных аппаратов и реле управления, для изготовления магнитопроводов применяют качественные конструкционные стали (марок 0; 1; 2 и тонко листовые 0,5; 0,8; 10; 15 и 20), имеющие при соответствующей термической обработке коэрцитивную силу от
0,7
до 3,5
а/см
и максимальную проницаемость 2000— 4000.
В некоторых случаях, особенно для больших электромагнитов, из технологических соображений части магнитопроводов выполняются из стального литья и чугуна, обладающих сравнительно низкими магнитными свойствами. При обычном изготовлении стальные и чугунные отливки не подвергаются дополнительной термической обработке, однако отжиг может значительно улучшить их магнитные свойства. Кремнистые стали (марок Э11, Э21 и др.) применяют для изготовления магнитопроводов быстродействующих электромагнитов постоянного тока. Обладая высокими магнитными свойствами (Нс =0,2 — О,7 а/см
=5000 — 10000 и ВS=19200 — 21000
гс
) они имеют в не- сколько раз меньшую электропроводность, что приводит к снижению вихревых токов и, следовательно, уменьшает их влияние на скорость срабатывания электромагнита. Они также широко применяются в электромагнитах переменного тока.
С точки зрения снижения габаритов и веса электромагнитов, что особенно существенно для многих случаев их специального применения, большой интерес представляют сплавы железа с кобальтом (типа пермендюр) вследствие их большой индукции насыщения (ВS =23600 гс)
при до- статочно низкой коэрцитивной силе (1,2 — 1,6
а/см
) и вы- сокой проницаемости ( достигает 4500) .
Для изготовления магнитопроводов электромагнитов, работаю- щих при переменном магнитном потоке, применяют почти исключи- тельно кремнистые электротехнические стали. Им присущи малые потери на гистерезис благодаря незначительной — коэрцитивной силе и низкие потери на вихревые токи благодаря повы- шенному удельному электрическому сопротивлению. Для снижения потерь на вихревые токи магнитопроводы изготовляются в виде тон- ких листов толщиной от 0,1 до 1 м и.
Химический состав и свойства этих сталей нормируются ГОСТ 802-54, который включает 28 марок. Основное различие между ними, определяющее их свойства, заключается в содержании кремния и ха- рактере механической обработки (прокатки) в процессе производства листов.
Увеличение содержания кремния приводит к повышению магнит- ной проницаемости в слабых и средних полях, снижению потерь и коэрцитивной силы. Однако при этом повышается твердость и хруп- кость материала, что затрудняет изготовление из него деталей.
Железноникелевые стали, обладающие весьма высокой начальной и максимальной проницаемостью, малыми потерями и низкими значениями коэрцитивной силы, для электромагнитов применяются только в исключительных случаях, когда требуется особо высокая чувствительность. Вообще же из-за низкой индукции насыщения их использование в электромагнитах, как правило, нецелесообразно.
Примеры использования ЭМ
В качестве примеров применения электромагнитов можно привести следующие приборы:
- телевизоры;
- трaнcформаторы;
- пусковые устройства автомобилей.
Телевизоры
Современные жилища, как правило, заполнены различными электроприборами. Находясь вблизи телеприёмника, они могут воздействовать магнитной индукцией на экран телевизора (ТВ). В ТВ уже существует встроенная защита от намагничивания экрана. Если на поле дисплея появились разноцветные пятна, то надо выключить прибор на 10-20 минут. Встроенная защита уберёт намагниченность экрана.
В некоторых случаях этот способ не оказывает нужную помощь. Тогда применяют специальный электромагнит, который называют дросселем. Это своеобразная катушка индукции. Прибор подключают к розетке бытовой электросети и проводят им вдоль и поперёк экрана. В результате наведённые магнитные поля поглощаются дросселем.
Tрaнcформаторы
Конструкция трaнcформаторов очень схожа со строением электромагнитов. И там, и там есть обмотки и сердечники. Отличие трaнcформатора от ЭМ состоит в том, что у первого магнитопровод имеет замкнутую форму. Поэтому суммированная магнитная сила обнуляется встречными магнитными потоками.
Пусковое устройство автомобиля
Стартер автомобиля работает как пусковое устройство двигателя. Он включается на время заводки мотора. Временная передача стартового усилия на коленвал двигателя обеспечивается втягивающим электромагнитом.
При повороте ключа в замке зажигания ЭМ втягивает шестерню в зубцы коленвала. Во время контакта электродвигатель стартера проворачивает мотор до возникновения цикла сгорания топлива в цилиндрах мотора. Затем тяговое реле отключает электромагнит, и шестерня стартера возвращается в исходное положение. После чего автомобиль может двигаться.
Стартер с тяговым реле
Электромагниты настолько плотно вошли в сферу деятельности человека, что существование без них немыслимо. Нехитрые устройства можно встретить повсеместно. Знание принципа их действия позволит домашнему мастеру справляться с мелким ремонтом бытовых электротехнических устройств.
