Характеристика электромагнитов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Устройства, являющиеся источником магнитного поля в том или ином пространстве, называются магнитами. Магниты могут быть как естественными, так и искусственными. Естественными магнитами являются некоторые сорта железных руд. Однако широкое распространение имеют лишь искусственные магниты: электромагниты и постоянные магниты.

Постоянный магнит представляет собой деталь из специального магнитотвердого материала, способного после намагничивания (с помощью электромагнита) самостоятельно и практически неограниченное время поддерживать магнитное поле.

Электромагнит создает магнитное поле с помощью обмотки, обтекаемой электрическим током. Для того чтобы усилить это поле и направить магнитный поток по определенному пути, в большинстве электромагнитов имеется магнитопровод, выполняемый из магнитомягкой стали. Можно сказать, что электромагнит - это сердечник из ферромагнетика, состоящий из обмотки и подвижной части - якоря.

Электромагниты получили настолько широкое распространение, что трудно назвать область техники, где бы они не применялись в том или ином виде. Особой областью применения электромагнитов являются электромагнитные механизмы, действие которых происходит вследствие притяжения подвижной части - якоря - к неподвижной части магнитопровода. То есть в электромагнитных механизмах электромагниты используются в качестве привода для осуществления необходимого поступательного перемещения рабочего органа или поворота его в пределах ограниченного угла, или для создания удерживающей силы.

Примером подобных электромагнитов являются тяговые электромагниты, предназначенные для совершения определенной работы при перемещении тех или иных рабочих органов; электромагнитные замки; тормозные электромагниты; электромагниты, приводящие в действие контактные устройства в реле, автоматических выключателях; подъемные электромагниты и т.п.

В системах автоматики электромагниты применяются в качестве чувствительных, промежуточных и исполнительных элементов. По назначению в целом электромагниты принято делить на следующие типы:

1) приводные - перемещающие исполнительные элементы (вентили, задвижки, путевые стрелки на городском и железнодорожном транспорте и др.), рассчитанные на определенные значения силы и перемещения;

2) удерживающие, или фиксирующие (например, фиксирующие замки) - рассчитаны на определенную силу;

3) специальные - применяющиеся в ускорителях элементарных частиц.

В зависимости от рода тока в обмотке электромагниты подразделяют на электромагниты переменного тока и электромагниты постоянного тока. Последние в свою очередь подразделяются на нейтральные и поляризованные электромагниты.

2. НЕЙТРАЛЬНЫЕ МАГНИТЫ

В нейтральных электромагнитах постоянного тока рабочий магнитный поток создается с помощью обмотки постоянного тока. Действие электромагнита зависит только от величины этого потока и не зависит от его направления, а следовательно, от направления тока в обмотке электромагнита. При отсутствии тока магнитный поток и сила притяжения, действующая на якорь, практически равны нулю. Нейтральные электромагниты постоянного тока наиболее экономичны и благодаря большому разнообразию конструктивных исполнений эти электромагниты легко приспосабливать к различным условиям работы и различным характерам нагрузок, при которых они используются. Благодаря этому они получили наиболее широкое распространение.

По характеру работы обмотки электромагниты разделяются на работающие в длительном, прерывистом и кратковременных режимах.

По скорости действия (в зависимости от времени срабатывания t_cp и времени отпускания t_oтп) электромагниты могут быть с нормальной скоростью действия (t_cp, t_oтп в диапазоне 50ч150 мс), быстродействующие (t_cp, t_oтп не превышают 50 мс) и замедленного действия (t_cp, t_oтп свыше 150 мс).

Все перечисленные выше признаки накладывают свой отпечаток на особенности конструктивных выполнений электромагнитов.

Рис. 1. Основные части электромагнита: 1 - обмотка; 2 - неподвижные части магнитопровода; 3 - якорь; 4 - каркас катушки; 5 - рабочий зазор; 6 - паразитный зазор

Вместе с тем при всем разнообразии встречающихся на практике электромагнитов они состоят из одинаковых частей одинакового назначения. К ним относятся (рис. 1): 1 - катушка с расположенной на ней намагничивающей обмоткой (может быть несколько катушек и несколько обмоток); 2 - неподвижная часть магнитопровода, выполняемого из ферромагнитного материала (ярмо и сердечник); 3 - подвижная часть магнитопровода (якорь).

В некоторых случаях неподвижная часть магнитопровода состоит из нескольких деталей (основания, корпуса и т.д.)

Якорь отделяется от остальных частей магнитопровода промежутками и представляет собой часть электромагнита, которая, воспринимая электромагнитное усилие, передает его соответствующим деталям приводимого в действие механизма.

Воздушные промежутки, в которых возникает полезная сила, называются рабочими; воздушные промежутки, в которых не возникает усилия в направлении возможного перемещения якоря, являются паразитными. Паразитные зазоры обусловлены технологическими факторами, а также необходимостью предотвращения залипания от остаточной намагниченности при отключениях обмотки. Их величина колеблется от сотых до десятых долей миллиметра. На рис. 1 рабочий зазор обозначен 5, паразитный - 6.

Поверхности подвижной или неподвижной части магнитопровода, ограничивающие рабочий воздушный промежуток, называют полюсами (якорь 3 и шляпка сердечника на рис. 1).

В зависимости от расположения якоря относительно остальных частей электромагнита любой нейтральный электромагнит по конструктивному исполнению может быть отнесен к одной из трех групп: электромагниты с внешним притягивающимся якорем (рис. 2,а и б), электромагниты со втягивающимся якорем (рис. 2,в) и электромагниты с поперечно движущимся якорем (рис. 2,г).

Рис. 2. Основные типы электромагнитов: а и б - с внешним притягивающимся якорем; в - со втягивающимся якорем; г - с поперечно движущимся якорем.

Характерной особенностью электромагнитов с внешним притягивающимся якорем является внешнее расположение якоря относительно обмотки. Характер перемещения якоря может быть вращательным (клапанный электромагнит на рис. 2,а) или поступательным (рис. 2,б).

Особенностью электромагнитов со втягивающимся якорем является частичное расположение якоря в своем начальном положении внутри катушки и дальнейшее перемещение его в катушку в процессе работы (рис. 2,в).

В электромагнитах с внешним поперечно движущимся якорем (рис. 2,г) якорь перемещается поперек магнитных силовых линий, поворачиваясь на некоторый ограниченный угол.

Электромеханическая (тяговая) характеристика нейтрального электромагнита. При технических расчетах неизбежны некоторые упрощения. Если принять распределение индукции по рассматриваемой поверхности S равномерно, например, при определении величины силы притяжения между двумя параллельными поверхностями, находящимися на небольшом расстоянии друг от друга, можно использовать формулу Максвелла

,

электромагнит нейтральный поляризованный переменный

Рис. 3. Тяговая характеристика

где Ф - магнитный поток, В - индукция, S - площадь сечения магнитопровода, м - магнитная проницаемость и м₀ - магнитная постоянная (проницаемость в вакууме). Это выражение является уравнением тягового усилия. Сила, вычисленная по этой формуле, получается в ньютонах, если В выражено в теслах, S - в квадратных метрах, а м₀=1,256•10^-6Г/м.

Одной из важнейших характеристик нейтрального электромагнита является его тяговая характеристика. Она представляет собой зависимость электромагнитной силы (тягового усилия) от положения якоря или рабочего зазора д для различных постоянных значений напряжения, подведенного к обмотке, или тока в обмотке:

F_э=f(д) при U=const

Или

F_э=f(д)

При

I=const.

На рис. 3 (Iщ) - намагничивающая сила (соответственно индексу установившаяся, срабатывания и отпускания); д_н - начальный зазор и д_к - конечный зазор.

Динамика нейтральных электромагнитов. Под инерционностью электромагнита понимают запаздывание перемещения якоря по сравнению с изменением входного напряжения. Инерционность определяется отставанием изменения тока в обмотке от изменения, приложенного к ней напряжения, а также механической инерции и связанных с ней подвижных частей.

Динамические свойства электромагнита, как элемента дискретного действия, характеризуется двумя временными параметрами - временем срабатывания t_cp и временем отпускания t_oтп.

Время срабатывания электромагнита - время с момента подачи сигнала на обмотку электромагнита до перехода якоря в его конечное положение. Временем отпускания называется время от снятия входного напряжения до возвращения якоря в начальное положение.

3. ПОЛЯРИЗОВАННЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ

В отличие от нейтральных электромагнитов поляризованные электромагниты характеризуются наличием двух независимых магнитных потоков: поляризующего и рабочего. Благодаря этому характеристики поляризованных электромагнитов коренным образом отличаются от характеристик нейтральных электромагнитов. Это отличие в первую очередь состоит в том, что действие поляризованного электромагнита зависит как от величины, так и от направления тока в рабочей обмотке. При отсутствии тока в рабочей обмотке на якорь действует сила притяжения, создаваемая поляризующим магнитным потоком, в то время как в нейтральном электромагните она практически равна нулю.

Наличие поляризующего потока определяет также и быстродействие поляризованных электромагнитов. Это связано в первую очередь с тем, что при их срабатывании магнитное поле не создается вновь полностью и не уничтожается совершенно, а происходит перераспределение магнитного потока. Время срабатывания поляризованных электромагнитов значительно меньше, чем у нейтральных, так как ход якоря невелик, а сам якорь выполняется легким. Практически у поляризованных электромагнитов время срабатывания может быть получено порядка (0,001ч0,003).

Поляризующий магнитный поток в поляризованных электромагнитах в большинстве случаев создается с помощью постоянных магнитов. Иногда для этой цели используются электромагниты постоянного тока. Применение постоянных магнитов позволяет получить фиксированное положение якоря независимо от наличия или отсутствия источника тока и исключает потребление электроэнергии в нерабочий период. Рабочий магнитный поток возникает под действием намагничивающей силы рабочей или управляющей обмотки.

Поляризованные электромагниты являются основным элементом высокочувствительных быстродействующих реле, электромагнитных преобразователей электрического сигнала в пропорциональное угловое или линейное перемещение, быстродействующих автоматических выключателей и т.д.

Рис. 4. Конструктивные схемы магнитных цепей поляризованных магнитов: а - с последовательной магнитной цепью; Fп - сила пружины; д - рабочий зазор; б - с параллельной магнитной цепью; в - с магнитной цепью мостового типа; Фп - поляризующий поток; Фр - рабочий поток.

В зависимости от конструктивной схемы магнитной цепи поляризованные электромагниты делятся на электромагниты с последовательной магнитной цепью (рис. 4,а), электромагниты с параллельной магнитной цепью (рис. 4,б), электромагниты с мостовой магнитной цепью.

В поляризованном электромагните, изображенном на рис. 4,а, поляризующий магнитный поток создается с помощью постоянного магнита. Так как магнитная система последовательная, то магнитный поток от рабочей обмотки должен проходить через постоянный магнит. Магнитная проницаемость материала постоянного магнита мала по сравнению с проницаемостью мягкой стали. Поэтому на проведение через него рабочего магнитного потока требуется затратить значительную часть намагничивающей силы рабочей обмотки. Вследствие этого чувствительность подобных поляризованных магнитов невелика. Существенным недостатком являются неблагоприятные условия работы постоянного магнита, подвергающегося сильному размагничиванию со стороны рабочей обмотки, что приводит к необходимости неоправданного увеличения объема электромагнита.

Эти недостатки не имеют места в поляризованном электромагните с последовательной магнитной цепью, в котором источником поляризующего потока является не постоянный магнит, а специальная обмотка.

4. ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Магнитный поток, создаваемый обмоткой электромагнита, по которой проходит ток, периодически меняется по величине и направлению, в результате чего сила электромагнитного притяжения пульсирует от нуля до максимума с удвоенной 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.

Для электромагнитов переменного тока очень важно проанализировать характер электромагнитных сил, действующих на якорь в притянутом положении. Для этого правомерно и удобно воспользоваться формулой Максвелла:

F=B²S/2м₀=Ф²/2м₀ S,

где S - площадь поверхности полюса. Указанная формула определяет силу, действующую на поверхность якоря при данном значении индукции. Поскольку магнитный поток, а следовательно, и индукция непрерывно периодически изменяются, меняется и величина силы.

При синусоидальной форме напряжения питающей сети переменного тока мгновенное значение магнитного потока будет:

Ф=Ф_msinщt.

Мгновенное значение силы одного полюса электромагнита

.

Преобразовав это уравнение, получим:

или

.

Таким образом, мгновенное значение силы в электромагните с переменным магнитным потоком изменяется от нуля до своего максимального значения

с частотой, в 2 раза превышающей частоту переменного тока, которым питается электромагнит.

Кроме того, исходя из вышеприведенного, можно сделать вывод, что магнит постоянного тока развивает большее тяговое усилие, чем магнит переменного тока.

Размещено на Allbest.ru