Основные части электромагнитов постоянного тока

Сила тяги электромагнита постоянного тока.

Зависимость тяговой силы электромагнита от рабочего зазо­ра при неизменном токе в обмот­ке называется статической тяговой характеристи­кой электромагнита

Р=f (δ) при І=конст . Ес­ли в электромагните вместо ли­нейного перемещения якоря пре­дусмотрен его поворот, то под статической характеристи­кой понимается зависимость момента М на якоре от угла его поворота а, снятая при не­изменном токе в обмотке.

Сила тяги, развиваемая электромагнитом, может быть рассчитана с помощью формулы Максвелла, полученной из анализа магнитного поля, действующего на поверхности полюсов. Если поле в рабочем зазоре равномерно и полюсы ненасыщены, то для электромагнита с одним рабочим зазором

сила тяги

Р = BІδ S / 2μ0 = Φ²δ / 2 μ0 S

где Bδ и Φδ — индукция, Тл, и магнитный поток, Вб, в рабочем зазоре;

S — площадь полюса, м2;.

μ0 – постоянная магнитная проницаемость, Гн/м;

δ- длина зазора

Если клапанный электромагнит имеет два зазора

при том же значении Φδ магнитного потока в зазоре,
то сила тяги удваивается
:

Р= ΦІδ / μ0 S

Зависимость Р=f (δ ) при не­изменной МДС, называемая статической тяговой характе­ристикой, представлена на рис. 5.18 (кривая 1).

По мере уменьшения δ сила тяги резко возрастает и при δ = 0 стре­мится к бесконечности.

В действительности при δ >0 воз­растает магнитный поток и увеличивается падение магнит­ного потенциала в магнитопроводе, причем только часть МДС оказывается приложенной к воздушному зазору. Кривая 2 на рис. 5.18 изображает зависимость Р = f (δ), снятую экспериментально. При больших зазорах, когда магнитный поток в магнитопрово­де мал и падением магнитного потенциала в стали можно прене­бречь, расчетная и эксперимен­тальная кривые почти совпада­ют. При малых зазорах сила тяги имеет конечное значение.

2) Сила тяги электромагнита переменного тока. Магнитное сопротивление стали, активное сопротивление обмотки и потери в стали равны нулю; напряжение, ток и магнитный поток меняются синусоидально. При переменном напряжении ток в обмотке определяется в основном её индуктивным сопротивлением, которое резко меняется при перемещении якоря.

Для системы с двумя зазорами сила тяги: Рm = Φ²δ / 2 μ0 S

Мгновенную силу тяги в однофазном электромагните

можно выразить через среднюю Р = ( Рm/2) –( Рm/2) cos2ωt

Мгновенное значение силы тяги пульсирует с двойной частотой по отношению к частоте тока и напряжения.

Первый член – среднее значение силы за период. Второй член представляет переменную составляющую силы и наличие её приводит к вредным явлениям вибрации якоря в эл магните.

Изменение силы во времени отрицательно сказывается на работе электромагнита. Т к однофазный эл магнит имеет 2 полюса одинакового сечения, через который проходит один и тот же поток, мгновенная сила, действующая на якорь равна Ррез = 2 Р. Для притяжения якоря необходимо, чтобы среднее значение силы тяги было больше противодействующего усилия пружины.

В определённые моменты времени противодействующее усилие пружины становится больше силы тяги, что вызывает отрыв якоря от сердечника. Затем по мере нарастания силы тяги якорь вновь притягивается к сердечнику. В результате якорь непрерывно вибрирует, что нарушает работу контактов. Создаётся шум, расшатывается магнитная система. Для притяжения якоря необходимо, чтобы это среднее значение было больше противодействующего усилия пружины

Для устранения вибрации якоря в однофазных эл магнитах используют КЗ витки

. Наконечник полюса расщепляется, и на его большую часть насаживается КЗ виток из меди или алюминия. Магнитный поток Ф, создаваемый намагничивающей обмоткой. Разветвляется на 2 части Фн и Фэ(от экранирующего витка). Благодаря чему уменьшается амплитуда пульсации силы. Результирующая сила , действующая на якорь, не ниже определённой минимальной величины.

Рис13

В трёхфазном электромагните силы тяги, развиваемые под каждым полюсом равны

Ра= Рmsin²ωt,

Рв= Рmsin²(ωt – 2/3 π),

Рс= Рmsin²(ωt – 4/3 π),

результирующая сила , действующая на якорь

Р=Ра+Рб+Рс=3Рm / 2

Результирующая сила, действующая на якорь во времени не меняется

.
Однако вибрация полностью не устраняется
. При прохождении магнитного потока в каждой фазе через нуль сила, развиваемая этой фазой, также равна нулю. В результате точка приложения равнодействующей силы тяги всех трёх фаз перемещается по телу якоря. Поскольку точка приложения противодействующей силы неизменна, то из-за этого возникает вибрация якоря.

д) Сравнение статических тяговых характеристик эл. магнитов постоянного и переменного тока.

1.Если площади полюсов электромагнитов одинаковы и одинаковы максимальные значения В m индукции в рабочих зазорах, то максимальное значение силы тяги эл. магнитапеременного тока равно силе тяги эл. магнита постоянного тока. : Рm = Ф2 / 2μ0 S =

Р = B²S /2 μ0

2.Поскольку среднее значение силы при переменном токе Рср =Рm / 2, то средняя сила, развиваемая электромагнитом переменного тока, в 2 раза меньше

силы,: развиваемой электромагнитом постоянного тока.

3.Недостатком электромагнитов переменного тока является и вибрация якоря. Применение короткозамкнутого витка с целью уменьшения вибраций приводит к снижению среднего значения силы тяги

.

4. Известно, что сила тяги изменяется обратно пропорционально квадрату зазора

.

В связи с этим электромагнит постоянного тока

либо имеет малый рабочий ход якорядля обеспечения большей силы тяги, либо обмотка должна иметь большую МДС для создания необходимого магнитного потока при больше воздушном зазоре.

5.Для электромагнитов переменного токахарактерна слабая зависимость силы от величины воздушного зазора. Это объясняется тем, что с изменением зазора меняется

индуктивное сопротивление обмотки. С ростом зазора
растёт его магнитное сопротивление, но и растёт ток в обмотке, так что поток в зазоре падает только за счёт активного падения напряжения в обмотке.
В связи с этим эл магнит переменного тока может работать при относительно больших ходах якоря.

6.К недостаткам эл магнитов переменного тока относится то, что слабо возрастающая по ходу якоря тяговая характеристика ограничивает возможности согласования её с нагрузочной характеристикой.

Тяговые характеристики электромагнита переменного тока могут быть улучшены при питании обмотки выпрямленным переменным током.

В электромагнитах переменного тока для компенсации активных потерь в стали приходится затрачивать дополнительную энергию. Это приводит к увеличению намагничивающего тока в обмотке. Материалы для эл. магнитов переменного тока должны иметь малые потери на вихревые токи и гистерезис. Магнитопроводы для таких эл. магнитов делаются шихтованными из пластин. Чем выше частота тока, тем меньше должна быть толщина пластин. Для быстродействующих эл. магнитов постоянного тока также применяются шихтованные Магнитопроводы, т.к. при этом уменьшаются вихревые токи, замедляющие нарастание потока.

Основные характеристики электромагнита

Рис14

Основные параметры:

Мощность, потребляемая эл магнитом — предельная мощность может ограничиваться каквеличиной допустимого нагрева его обмотки, так и условиями питания обмотки эл магнита.

Коэф-т запаса – отношение МДС, соответствующей установившемуся значению тока, к МДС срабатывания Кз = Fу/Fср = Iу/Iср >1

Параметр срабатывания – минимальное значение тока или напряжения, при котором происходит срабатывание эл магнита (перемещение якоря)

Параметр отпускания (возврата)- максимальное значение тока или напряжения, при котором якорь возвращается в исходное положение. Отношение тока отпускания к току срабатывания называется коэф-том возврата Кв = Fв/Fср = Iв/Iср = 0,1…0,9

Зависимость тяговой силы электромагнита от рабочего зазо­ра при неизменном токе в обмот­ке называется статической тяговой характеристи­кой электромагнита

Р=f (δ) при І=конст . Ес­ли в электромагните вместо ли­нейного перемещения якоря пре­дусмотрен его поворот, то под статической характеристи­кой понимается зависимость момента М на якоре от угла его поворота а, снятая при не­изменном токе в обмотке.

Сила тяги, развиваемая электромагнитом, может быть рассчитана с помощью формулы Максвелла, полученной из анализа магнитного поля, действующего на поверхности полюсов. Если поле в рабочем зазоре равномерно и полюсы ненасыщены, то для электромагнита с одним рабочим зазором

сила тяги

Р = BІδ S / 2μ0 = Φ²δ / 2 μ0 S

где Bδ и Φδ — индукция, Тл, и магнитный поток, Вб, в рабочем зазоре;

S — площадь полюса, м2;.

μ0 – постоянная магнитная проницаемость, Гн/м;

δ- длина зазора

Если клапанный электромагнит имеет два зазора

при том же значении Φδ магнитного потока в зазоре,
то сила тяги удваивается
:

Р= ΦІδ / μ0 S

Зависимость Р=f (δ ) при не­изменной МДС, называемая статической тяговой характе­ристикой, представлена на рис. 5.18 (кривая 1).

По мере уменьшения δ сила тяги резко возрастает и при δ = 0 стре­мится к бесконечности.

В действительности при δ >0 воз­растает магнитный поток и увеличивается падение магнит­ного потенциала в магнитопроводе, причем только часть МДС оказывается приложенной к воздушному зазору. Кривая 2 на рис. 5.18 изображает зависимость Р = f (δ), снятую экспериментально. При больших зазорах, когда магнитный поток в магнитопрово­де мал и падением магнитного потенциала в стали можно прене­бречь, расчетная и эксперимен­тальная кривые почти совпада­ют. При малых зазорах сила тяги имеет конечное значение.

2) Сила тяги электромагнита переменного тока. Магнитное сопротивление стали, активное сопротивление обмотки и потери в стали равны нулю; напряжение, ток и магнитный поток меняются синусоидально. При переменном напряжении ток в обмотке определяется в основном её индуктивным сопротивлением, которое резко меняется при перемещении якоря.

Для системы с двумя зазорами сила тяги: Рm = Φ²δ / 2 μ0 S

Мгновенную силу тяги в однофазном электромагните

можно выразить через среднюю Р = ( Рm/2) –( Рm/2) cos2ωt

Мгновенное значение силы тяги пульсирует с двойной частотой по отношению к частоте тока и напряжения.

Первый член – среднее значение силы за период. Второй член представляет переменную составляющую силы и наличие её приводит к вредным явлениям вибрации якоря в эл магните.

Изменение силы во времени отрицательно сказывается на работе электромагнита. Т к однофазный эл магнит имеет 2 полюса одинакового сечения, через который проходит один и тот же поток, мгновенная сила, действующая на якорь равна Ррез = 2 Р. Для притяжения якоря необходимо, чтобы среднее значение силы тяги было больше противодействующего усилия пружины.

В определённые моменты времени противодействующее усилие пружины становится больше силы тяги, что вызывает отрыв якоря от сердечника. Затем по мере нарастания силы тяги якорь вновь притягивается к сердечнику. В результате якорь непрерывно вибрирует, что нарушает работу контактов. Создаётся шум, расшатывается магнитная система. Для притяжения якоря необходимо, чтобы это среднее значение было больше противодействующего усилия пружины

Для устранения вибрации якоря в однофазных эл магнитах используют КЗ витки

. Наконечник полюса расщепляется, и на его большую часть насаживается КЗ виток из меди или алюминия. Магнитный поток Ф, создаваемый намагничивающей обмоткой. Разветвляется на 2 части Фн и Фэ(от экранирующего витка). Благодаря чему уменьшается амплитуда пульсации силы. Результирующая сила , действующая на якорь, не ниже определённой минимальной величины.

Рис13

В трёхфазном электромагните силы тяги, развиваемые под каждым полюсом равны

Ра= Рmsin²ωt,

Рв= Рmsin²(ωt – 2/3 π),

Рс= Рmsin²(ωt – 4/3 π),

результирующая сила , действующая на якорь

Р=Ра+Рб+Рс=3Рm / 2

Результирующая сила, действующая на якорь во времени не меняется

.
Однако вибрация полностью не устраняется
. При прохождении магнитного потока в каждой фазе через нуль сила, развиваемая этой фазой, также равна нулю. В результате точка приложения равнодействующей силы тяги всех трёх фаз перемещается по телу якоря. Поскольку точка приложения противодействующей силы неизменна, то из-за этого возникает вибрация якоря.

д) Сравнение статических тяговых характеристик эл. магнитов постоянного и переменного тока.

1.Если площади полюсов электромагнитов одинаковы и одинаковы максимальные значения В m индукции в рабочих зазорах, то максимальное значение силы тяги эл. магнитапеременного тока равно силе тяги эл. магнита постоянного тока. : Рm = Ф2 / 2μ0 S =

Р = B²S /2 μ0

2.Поскольку среднее значение силы при переменном токе Рср =Рm / 2, то средняя сила, развиваемая электромагнитом переменного тока, в 2 раза меньше

силы,: развиваемой электромагнитом постоянного тока.

3.Недостатком электромагнитов переменного тока является и вибрация якоря. Применение короткозамкнутого витка с целью уменьшения вибраций приводит к снижению среднего значения силы тяги

.

4. Известно, что сила тяги изменяется обратно пропорционально квадрату зазора

.

В связи с этим электромагнит постоянного тока

либо имеет малый рабочий ход якорядля обеспечения большей силы тяги, либо обмотка должна иметь большую МДС для создания необходимого магнитного потока при больше воздушном зазоре.

5.Для электромагнитов переменного токахарактерна слабая зависимость силы от величины воздушного зазора. Это объясняется тем, что с изменением зазора меняется

индуктивное сопротивление обмотки. С ростом зазора
растёт его магнитное сопротивление, но и растёт ток в обмотке, так что поток в зазоре падает только за счёт активного падения напряжения в обмотке.
В связи с этим эл магнит переменного тока может работать при относительно больших ходах якоря.

6.К недостаткам эл магнитов переменного тока относится то, что слабо возрастающая по ходу якоря тяговая характеристика ограничивает возможности согласования её с нагрузочной характеристикой.

Тяговые характеристики электромагнита переменного тока могут быть улучшены при питании обмотки выпрямленным переменным током.

В электромагнитах переменного тока для компенсации активных потерь в стали приходится затрачивать дополнительную энергию. Это приводит к увеличению намагничивающего тока в обмотке. Материалы для эл. магнитов переменного тока должны иметь малые потери на вихревые токи и гистерезис. Магнитопроводы для таких эл. магнитов делаются шихтованными из пластин. Чем выше частота тока, тем меньше должна быть толщина пластин. Для быстродействующих эл. магнитов постоянного тока также применяются шихтованные Магнитопроводы, т.к. при этом уменьшаются вихревые токи, замедляющие нарастание потока.

Основные характеристики электромагнита

Рис14

Основные параметры:

Мощность, потребляемая эл магнитом — предельная мощность может ограничиваться каквеличиной допустимого нагрева его обмотки, так и условиями питания обмотки эл магнита.

Коэф-т запаса – отношение МДС, соответствующей установившемуся значению тока, к МДС срабатывания Кз = Fу/Fср = Iу/Iср >1

Параметр срабатывания – минимальное значение тока или напряжения, при котором происходит срабатывание эл магнита (перемещение якоря)

Параметр отпускания (возврата)- максимальное значение тока или напряжения, при котором якорь возвращается в исходное положение. Отношение тока отпускания к току срабатывания называется коэф-том возврата Кв = Fв/Fср = Iв/Iср = 0,1…0,9

Устройство электромагнитов

Несмотря на обширное, судя по описанной выше классификации, количество разнообразных вариантов электромагнитов, существуют определенные однотипные узлы, которые встречаются у всех ЭМ.

• Катушка с расположенной на ней намагничивающей обмоткой
• Подвижная часть электромагнита — якорь
• Неподвижная часть — ярмо и сердечник

Между якорем и неподвижными частями существуют воздушные промежутки. Так вот, воздушные промежутки бывают полезными и паразитными. Полезные промежутки располагаются по возможному пути движения якоря. Паразитные промежутки лежат за пределами движения якоря.

Также существует понятие полюса. Полюсами называют поверхности магнитопровода, которые ограничивают полезный воздушный промежуток.

Конструктивные формы электромагнитов переменного тока не имеют множества вариантов, за счет того, что сердечник набирается из листов электротехнической стали. Это необходимо для борьбы с вихревыми токами.

Общая характеристика

Электромагнит – это простая катушка провода, которая подключена к источнику, передающему постоянный ток.

Подключившись к источнику постоянного тока (а также напряжения), катушка и провод начинают получать энергетические ресурсы и создают магнитное поле, которое является подобным полю, что образуется в постоянных полосовых магнитах. Плотность, которой обладает магнитный поток, всегда является пропорциональной величине электрического тока, протекающего сквозь толщу катушки. Полярность электромагнита определяют по направлению тока. Механизм образования включает в себя (самый простой вариант) наматывание провода вокруг сердечника, выполненного из металла, через который потом пропускают электричество из определенного источника. Если внутренняя полость катушка заполнена воздухом, то ее называют соленоидом.

Электромагнит – это устройств, посредством которого можно создавать электромагнитное поле. Главной характеристикой является его способность контролировать силу данного поля, полярность и ее форму. При этом силу магнитного поля контролируют посредством величины использованного электрического тока, который протекает сквозь катушку. Полярность можно задавать, определив в каком направлении нужно двигать протекающий ток. Форма магнитного поля зависит от формы металлической сердцевины, служащей «стержнем» для обмотки проводом. Не забывайте, что полюса электромагнита определяются аналогично тому, как это делают в соленоидах, по физическому правилу правой руки. П.П.Р. также называют правилом буравчика, являющегося мнемоническим средством, посредством которого определяют направление векторных произведений и правого базиса.

Увеличивать силу электромагнита, а точнее его поля, можно при помощи:

• применения сердечников из «мягкого» железа;
• применения больших чисел витков;
• применения электрического тока в больших размерах.

Как работает электромагнит

Сам цикл работы ЭМ представляет собой следующую последовательность действий. Сначала в обмотку подается ток такой величины, при которой магнитные силы станут больше, чем силы удерживающие якорь в покое.

Далее произойдет отрыв якоря из состояния покоя и движение якоря в конечную точку полезного промежутка. Это первый этап.

На втором этапе якорь ЭМ подтянут и через него протекает ток. Как известно, ток создает термическое воздействие с течением времени. Поэтому время работы не должно превышать допустимое. На этом этапе сила тяги электромагнита максимальная.

Последний, Третий этап — аналогичен первому — ток уменьшается до нуля, магнитные силы становятся меньше сил, возвращающих якорь в состояние покоя, якорь отпадает. Далее электромагнит остывает.

Если характер его работы периодически повторяющийся, то за время до следующего цикла, ему необходимо успеть остыть.