С последовательной катушкой

В этом случае ток в катушке определяется сопротивлением устройства, которое включено последовательно в цепь электромагнита

3. Классификация по характеру движения якоря.

3.1. Поворотные ЭММ, якорь поворачивается вокруг оси или опоры.

3.2. Прямоходовые ЭММ, якорь перемещается поступательно.

4. По способу действия.

4.1. Притягивающие. Совершая определённую работу, притягивают якорь.

4.2. Удерживающие.Для удержания грузов (защёлка расцепителя).

Магнитные цепи постоянного и переменного тока.

Магнитные цепи находят широкое применение в различного рода электрических аппаратах и электромагнитных устройствах: контакторах, автоматах, приводах выключателей, тормозных, тяговых и подъемных электромагнитах, релейной аппаратуре, датчиках, электромагнитных муфтах, дросселях переменной индуктив­ности, шаговых искателях, магнитных подвесках и др.

Существует несколько классификаций магнитных цепей:

По величине потока рассеяния

1.1. Цепи, поток рассеяния которых мал, и при расчете параметров намагничивающей катушки его можно не учитывать;

1.2. Цепи, поток рассеяния которых необходимо учитывать.

По конфигурации

2.1. Неразветвленной магнитной цепью называют цепь, через эле­менты которой замыкается один и тот же магнитный поток.

2.2. В разветвленной магнитной цепи содержатся ветви, в каждой из которых замыкаются свои магнитные потоки.

2.3. В однородной магнитной цепи, образованной замкнутым магнитопроводом, магнитный поток находится в однородной среде.

2.4. Неоднородной называют магнитную цепь, состоящую из участ­ков, имеющих разные сечения, воздушные зазоры, ферромагнитные тела с различными магнитными свойствами.

Вещества, имеющие высокое значение магнитной восприимчи­вости, называют ферромагнитными или магнитными. К ним относят­ся железо (Fe), кобальт (Со), никель (Ni), редкоземельные элементы: гадолиний (Gd), диспрозий (Dy) и другие, а также сплавы на базе этих элементов.

Зависимость магнитной индукции В в материале от напряженности магнитного поля Н носит нелинейный характер: по мере увеличения напряженности Н индукция В вначале резко возрас­тает, а затем приближаясь к области насыщения, процесс намагничи­вания материала замедляется и прекращается, тогда резервы ферро­магнетика оказываются исчерпанными.

Если элемент магнитной цепи, например, цилиндр из ферромаг­нитного материала, поместить в однородное магнитное поле, он намагничивается. Если после его намагничивания до состояния насы­щения внешнее поле убрать (уменьшить до нуля), то цилиндр явится источником магнитного поля за счет остаточной намагниченности материала. Чтобы разрушить эту остаточную на­магниченность, нужно создать внешнее поле, направленное противо­положно полю, создаваемому цилиндром, для преодоления задержи­вающей, так называемой коэрцитивной силы Н_с, которая стремится сохранить созданную микротоками намагниченность.

Рис. 1.Магнитные цепи: а, б - неразветвленная; в - разветвленная

В зависимости от значения коэрцитивной силы Н_с все магнит­ные материалы принято делить на магнитомягкие и магнитотвердые.

Рис. 2. Площадь петли гистерезиса.

Рассмотрим магнитную цепь на примере клапанной системы, изображенной на рис. 3. Подвижная часть магнитной цепи называ­ется якорем 1. Часть магнитной цепи, на которой установлена намаг­ничивающая обмотка 2, называется сердечником 3. Вертикальные и параллельные части магнитопровода 3 и 4 называют стержнями.

Рис. 3.Магнитная цепь клапанной системы: 1 - якорь; 2 — намагничивающая обмотка; 3 и 4 — стержни.

Намагничивающая обмотка создает магнитодвижущую силу МДС, под действием которой, возбуждается магнитный поток. Этот поток замыкается как через зазор 5, так и между другими частями магнитной цепи, имеющими различные магнитные потенциалы.

Воздушный зазор 5, меняющийся при перемещении якоря, назы­вается рабочим зазором. Соответственно поток, проходящий через ра­бочий зазор, называется рабочим потоком и обозначается Ф₈. Все ос­тальные потоки в магнитной цепи называются потоками рассеяния Ф_а.

Сила, развиваемая якорем электромагнита, как правило, определяется потоком в рабочем зазоре 5.

Магнитный поток создается током I, протекающим по обмотке катушки. Произведение тока на число витков катушки w определяет намагничивающую силу Iw.

Общие подходы к расчету магнитных цепей.

Задачей расчета магнитной цепи является либо определение н. с. катушки, необходимой для создания рабочего потока заданной величины (прямая задача), либо определение рабочего потока по известной н. с. катушки (обратная задача). Эти задачи могут быть решены с помощью двух законов Кирхгофа примени­тельно к магнитной цепи.

Согласно первому закону алгебраическая сумма по­токов в узле магнитной цепи равна нулю:

Второй закон Кирхгофа можно получить из известного закона полного тока

где Н — напряженность магнитного поля;

dl— элемент длины, по которому проходит магнитный поток;

— сумма н. с., действующих в контуре.

Помня, что , можно написать в виде

,

где S — сечение магнитной цепи; µ— магнитная про­ницаемость,

характеризующая прово­димость магнитного материала цепи.

Падение магнитного потенциала по замкнутому кон­туру равно сумме намагничивающих сил, действующих в этом контуре. Это и есть второй закон Кирхгофа маг­нитной цепи.

В системе единиц СИ размерность , сле­довательно, магнитное сопротивление получает размер­ность

В том случае, когда поток в отдельных частях маг­нитной цепи не меняется, интеграл можно за­менить конечной суммой:

Таким образом, сумма падений магнитного напря­жения по замкнутому контуру равна сумме намагничи­вающих сил, связанных с потоками, проходящими че­рез магнитную цепь.

По аналогии с электрической цепью магнитное со­противление участка конечной длины l можно предста­вить в виде:

где ρ_µ —магнитное сопротивление единицы длины магнитной цепи при сечении, также равном единице, м/Гн.

Полная аналогия законов Кирхгофа электрической и магнитной цепей позволяет составить для последней электрическую схему замещения.

По известной индукции в каждом участке с помощью кривой В(Н) находят напряженность H_j на участке, а далее по приведенной выше формуле можно определить искомую н. с. катушки.

При расчете магнитной цепи часто более удобным является введение величины, обратной магнитному со­противлению — магнитной проводимости

, при этом:

Магнитное сопротивление и проводимость ферромаг­нитных материалов являются сложной нелинейной функцией индукции. В слабых и сильных полях магнитное сопротив­ление материала резко воз­растает.

Магнитные цепи переменного тока рассчитывают с учетом их следующих особенностей:

1. Ток в катушке электромагнита зависит главным образом от ее индуктивного сопротивления.

2. Магнитное сопротивление цепи зависит от потерь в стали и наличия короткозамкнутых обмоток, распо­ложенных на сердечнике.

3. Магнитопровод обычно выполняется шихтован­ным (с целью уменьшения потерь на вихревые токи) прямоугольного поперечного сечения.

Электромагниты постоянного тока.

В зависимости от расположения якоря относительно остальных ча­стей электромагнита и характера воз­действия на якорь со стороны магнит­ного потока электромагниты постоян­ного тока разделяются на следующие типы: электромагниты с втягиваю­щимся якорем, с внешним притяги­вающимся якорем и с внешним попе­речно движущимся якорем.

Электромагнитный поток в данной конструкции создаётся обмоткой постоянного тока. Действие не зависит от направления тока. Значительную часть электромагнитов постоянного тока составляют электромагнитные механизмы, использующиеся в качестве привода для осуществления необходимого перемещения.

Примером подобных электромагнитов являются: тяговые элек­тромагниты, предназначенные для совершения механической ра­боты при перемещении их рабочих органов, электромагниты муфт сцепления и торможения и тормозные электромагниты; электро­магниты, приводящие в действие контактные устройства в кон­такторах, пускателях, автоматических выключателях; электро­магниты реле, регуляторов и других чувствительных устройств автоматики.

При всем разнообразии электромагнитов отдельные их узлы имеют общее назначение (рис. 4): катушка с расположенной на ней намагничивающей об­моткой 1; неподвижная часть магнитопровода из ферромагнитного материала 2; подвижная часть магнитопровода — якорь 3.

Якорь отделяется от остальных частей магнитопровода рабочим и паразитным зазорами и представляет собой часть электромагнита, которая, воспринимая электромагнитное 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 разделяются на следующие типы: электромагниты с втягиваю­щимся якорем, с внешним притяги­вающимся якорем и с внешним попе­речно движущимся якорем.

Одна из типичных конструкций электромагнита с втягивающимся яко­рем показана на рис. 4. Характер­ной особенностью таких электромаг­нитов электромагнитов является то, что якорь, или, 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 торцевую поверхность якоря, так и за счет действия магнитных потоков, выходящих из его боковой поверхно­сти.

На рис. 5 изобра­жена одна из разновидно­стей электромагнитов с внешним 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.

Рис.4. Электромагнит с втяги­вающимся якорем

Конструкция электромагнита с внешним поперечно движущимся якорем показана на рис. 6. Якорь в подобных электромагнитах также располагается снаружи катушки. Рабочий магнитный по­ток, действующий на якорь, проходит из его боковой поверхности к полюсным наконечникам, имеющим особую форму, определенным способом согласованную с формой боковой поверхности якоря. В результате воздействия со стороны рабочего магнитного потока якорь движется поперек магнитных линий, поворачиваясь на не­который ограниченный угол.

Рис. 5. Электромагнит с внешним притя­гивающимся якорем.

Рис. 6. Электромагнит с внеш­ним поперечно-движущимся яко­рем.

В каждой из трех перечисленных групп электромагнитов по­стоянного тока в свою очередь имеется ряд конструктивных разно­видностей, определяемых конструкцией магнитной цепи. Кроме того, в зависимости от способа вклю­чения обмотки электромагнита разли­чают электромагниты с обмотками параллельного включения и с обмот­ками последовательного включения.

В первом случае обмотка выпол­няется таким образом, что ее вклю­чают на полное напряжение источ­ника питания непосредственно или через добавочное сопротивление. Ток в цепи обмотки параллельного вклю­чения полностью, или в значитель­ной степени, определяется ее пара­метрами.

Обмотка последовательного вклю­чения практически не влияет на ве­личину тока той цепи, в которую она включается. Последний определяется параметрами остальных эле­ментов цепи. Благодаря этим особенностям некоторые характе­ристики электромагнитов параллельного и последовательного включений, в первую очередь их динамические характеристики, оказываются различными.

Наконец, электромагниты могут различаться по скорости их срабатывания.

Основные характеристики электромагнитов постоянного тока:

1. Тяговая статическая характеристика - зависимость электромагнитной силы от величины зазора Pэм = f(d):

а) при U = const для ЭММ с параллельной обмоткой

б) при I = const для ЭММ с последовательной обмоткой.

Применение формулы Максвелла для электромагнита с двумя зазорами:

Pэм =

эм=

P º к ´ 1/ d² - электромагнитная сила обратно пропорциональна величине зазора.

2. Согласование тяговой характеристики с нагрузкой электромагнита.

Оно производится сопоставлением тяговой характеристики и характеристик противодействующих пружин путём построения в одних осях тяговой характеристики и характеристик противодействующих пружин. Такое согласование даёт возможность сделать заключение о работоспособности электромагнита

d_н - начальный зазор,

d_к - конечный зазор,

Рп - сила противодействующей пружины,

Рпн - начальная сила,

Рп1 - пробивающая сила пружины,

Рп2 - сила контактной пружины, возникает в момент замыкания магнитной системы и начинают действовать силы контактных пружин, обеспечивая провал контактов. Электромагнитная сила при токе срабатывании или напряжении срабатывания Рэм.

Для нормального срабатывания ЭММ необходимо, чтобы тяговая характеристика включений отключений всём диапазоне изменения хода якоря проходила выше противодействующей пружины. Для чёткого возврата, отпускания якоря, необходимо, чтобы тяговая характеристика проходила ниже противодействующих характеристик. Если будет общая точка, то происходит зависание электромагнита.

3. Время срабатывания - это время с момента подачи сигнала (тока или напряжения) на обмотку электромагнита до перехода якоря в конечное положение.

4. Параметры электромагнитов:

4.1. Потребляемая мощность электромагнита в установивщемся режиме (якорь замкнут). Считается, что весь ток идёт на нагрев катушки и в паспорте приводится активная мощность как для последовательной катушки,

так и для параллельной катушки

4.2. Коэффициент запаса - отношение МДС при установившемся режиме к МДС троганья:

4.3. Напряжение (ток) срабатывания, возврата, коэффициент возврата.

Напряжение (ток) срабатывания - это минимальное значение, при котором происходит срабатывание электромагнита.

Напряжение (ток) возврата - это максимальное значение, при котором якорь возвратиться в исходное положение.

Коэффициент возврата - это отношение МДС, при которой происходит возврат якоря к МДС срабатывания:

Динамика срабатывания электромагнитов постоянного тока.

Второй закон Ома

Y = i ´ Lg , где Lg - это динамическая индуктивность (переменная величина в процессе движения якоря).

Момент замыкания магнитной системы.

а) участок 0 - а.

Магнитная система разомкнута, Lg = const .

б) участок а - б.

Якорь движется, зазор d уменьшается, значение динамической индуктивности растёт. Возникает ЭДС самоиндукции, действующая против ЭДС сети и это приводит к снижению тока.

в) магнитная система замкнулась, Lg - стала величиной постоянной.

Время троганья + время движения якоря = время срабатывания.

Для ускорения срабатывания электромагнита стараются уменьшить движение якоря. Это достигается в основном за счёт уменьшения вихревых токов в переходном режиме. Вихревые токи создают магнитный поток согласно закону полного тока, направленный встречно основному магнитному потоку.

В некоторых случаях необходимо сделать замедление времени срабатывания (реле времени). Используют все факторы, увеличивающие время троганья и время движения якоря. Наиболее распространённое положение электромагнита - демпфирование при помощи короткозамкнутых обмоток, надеваемых на полюса сердечника из материалов с малым удельным электрическим сопротивлением. Рассмотрим такую конструкцию.

1 - якорь

2 - сердечник

3 - катушка

4 - возвратная пружина

5 - воздушный зазор

6 - короткозамкнутая гильза

6’- корпус из силумина, в котором находится сердечник, короткозамкнутый виток намотан вокруг магнитопровода.

Вихревые токи, возникающие в короткозамкнутых витках в переменном режиме, задерживают изменение магнитного потока и тем самым создают замедление, как при срабатывании, так и при отпускании якоря. При отпускании якоря замедляющий эффект выше 8-12 раз, чем при срабатывании, так как индуктивность замкнутой системы больше, чем разомкнутой.

io - ток, протекающий по обмотке;

iэ - ток электромагнита, вихревые токи, протекающие по короткозамкнутым виткам.

Поток, создаваемый током, возникающим в короткозамкнутых витках, и основной магнитный поток геометрически складываются. Поэтому результирующий магнитный поток нарастает (спадает) более медленно, чем это было бы без короткозамкнутых витков. В результате время срабатывания и время отпускания якоря увеличивается.

Электромагниты переменного тока.

Наименование параметров и характеристики аналогичны электромагнитам постоянного тока. Основное отличие в характере силы тяги электромагнитов переменного тока, так как ток, протекающий по катушке, изменяется по синусоидальному закону, то и магнитный поток также синусоидален. Поэтому электромагнитная сила также изменяется по гармоническому закону:

P_эм =

Ф = Ф_m sin (wt)

sin²wt = 1/2 (1- cos 2wt)

Р_эм = т.е. мгновенное значение силы пульсирует с двойной частотой. Среднее значение силы вычисляется следующим образом:

P_ЭМ ´ dt = P_m / 2

Среднее значение силы Р_ср = Р_m/2.

Чтобы якорь хорошо притянулся необходимо, чтобы среднее значение Р_ср было больше силы противодействующей пружины Р_пр, Но существуют моменты времени, когда Р_пр > P_эм. Тогда якорь старается оторваться от пружины, но не успевает в силу своей инерции. В результате получается вибрация якоря и шум при работе электромагнита переменного тока.

Меры по устранению вибраций:

1. Создание массивного якоря. Недостаток этого мероприятия заключается в том, что увеличивается время срабатывания ЭММ.

2. Использование короткозамкнутых витков, расщепляющих полюс якоря.

На большую часть полюса насаживается короткозамкнутый виток. Поток Ф₂, проходящий под этой частью полюса будет отставать от Ф₁ на 60 ¸ 65°. Средняя сила становиться на всем протяжении больше силы противодействующей пружины и вибрации не происходит.

Сравнение тяговых характеристик электромагнитов постоянного и переменного тока.

1. При тех же затратах электромагнит постоянного тока развивает усилия в два раза выше, чем электромагнит переменного тока.

2. При движении якоря с уменьшением зазора наблюдается два явления:

2.1. Уменьшается магнитное сопротивление,

2.2. Уменьшается значение тока в катушке якоря в следствие резкого возрастания индуктивного сопротивления.

3. Электромагниты переменного тока могут работать при больших зазорах, чем электромагниты постоянного тока.

Недостатки электромагнитов переменного тока:

1. При заданной площади полюсов средняя сила тяги в два раза меньше, чем у электромагнитов постоянного тока.

2. Требуется реактивная мощность.

3. Электромагнитная сила зависит от частоты.

4. Магнитопровод обязательно выполняется шихтованным, т.е. выполнен из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга.

5. Возникают дополнительные потери в магнитопроводе и короткозамкнутом витке.