Магнитные системы электрических аппаратов постоянного и переменного тока

Магнитная система является одним из основных элементов электротехнических устройств и электрических аппаратов. В магнит­ную систему входят источники магнитного поля (обмотка с током,

возбуждающая магнитное поле, постоянный магнит) и система маг-нитопроводов из ферромагнитного материала, по которым замыкается магнитный поток.

Магнитные системы нашли широкое применение в аппарато-строении и как элемент привода аппаратов (электромагнитные кон­такторы, пускатели, реле, выключатели), и как устройство, создающее силы, например, в электромагнитных муфтах и тормозных электро­магнитах.

Конфигурация магнитной цепи электромагнитных устройств за­висит от назначения аппарата и может быть самой разнообразной од­нородной и неоднородной, неразветвленной и разветвленной, сим­метричной и несимметричной.

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

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

В однородной магнитной цепи, образованной замкнутым магни-топроводом, магнитный поток находится в однородной среде.

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

Из курса физики известна способность вещества под воздейст­вием напряженности внешнего магнитного поля Н создавать собст­венное поле, называемое намагниченностью М, которая характеризу­ется магнитной восприимчивостью %.

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 веществе (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, когда резервы ферро­магнетика оказываются исчерпанным.

Если элемент магнитной цепи, например, цилиндр из ферромаг­нитного материала, поместить в однородное магнитное поле, он на-

магничивается. Если после его намагничивания до состояния насы­щения внешнее поле убрать (уменьшить до нуля), то цилиндр явится источником магнитного поля за счет намагниченности материала -остаточной намагниченности. 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.

б)

Рис. 2.1. 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. 2.2. Площадь петли гистерезиса

Рассмотрим магнитную цепь на примере клапанной системы, изображенной на рис. 2.3. 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. 2.3. 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.

Электромагниты

Электромагниты предназначены для преобразования магнитной энергии в механическую. Они используются для управления различ­ными устройствами и механизмами как элемент привода аппаратов магнитных пускателей, контакторов, реле, как устройство, создающее силы при торможении движущихся механизмов, для удержания дета­лей на шлифовальных станках, при подъеме (погрузке-разгрузке) ме­таллолома и т. д.

Принцип действия втягивающих электромагнитов (рис. 3.4) за­ключается в следующем. Постоянный или переменный ток, проходя по катушке 1, создает магнитный поток, который замыкается через сердечник 2 и якорь 3. При воздействии магнитного поля сердечника на якорь последний втягивается в катушку и усилие F_э, с которым

будет втягиваться якорь, увеличивается с уменьшением зазора 5 меж­ду якорем и сердечником; при 5 = 0 усилие F_э, достигает максималь­ного значения. Ток в обмотке магнитов постоянного тока остается по­стоянным, так как он зависит только от активного сопротивления обмотки и напряжения питающей сети, которые не зависят от вели­чины воздушного зазора.

з з

Рис. 2.4. Втягивающий электромагнит:

1 - катушка; 2 - неподвижная часть магнитопровода;

3 — якорь; 4 — магнитный поток

В электромагнитах переменного тока сила тока с уменьшением зазора 5 понижается. Это объясняется тем, что при наименьшем зазо­ре 5 индуктивность обмотки, зависящая от величины зазора, будет максимальной. Ток, определяемый активным и индуктивным сопро­тивлениями, будет минимальным.

Важнейшей характеристикой электромагнита является механи­ческая (тяговая) характеристика (рис. 2.5) представляющая собой за­висимость усилия развиваемого электромагнитом F_э от величины воздушного зазора 5.

Рис. 2.5. Механическая характеристика электромагнита

Вид механической характеристики определяется главным обра­зом конструкцией электромагнита, характером изменения зазора 5, жесткостью противодействующей пружины, геометрией магнитной системы.

Ток в обмотке магнитов постоянного тока остается постоянным, так как он зависит только от активного сопротивления обмотки и на­пряжения питающей сети, которые не зависят от величины воздушно­го зазора.

В электромагнитах переменного тока сила тока с уменьшением зазора 5 понижается. Это объясняется тем, что при наименьшем зазо­ре 5 индуктивность обмотки, зависящая от величины зазора, будет максимальной. Ток, определяемый активным и индуктивным сопро­тивлениями, будет минимальным.

Реле. Электрическим реле называется коммутационное устрой­ство, предназначенное производить скачкообразные изменения в управляемых цепях при заданном значении электрических воздей­ствующих величин.

Реле составляют многочисленную группу электрических аппа­ратов, применяемых для управления электроприводами станков, ме­ханизмов, машин.

В зависимости от параметра срабатывания различают реле на­пряжения, тока, мощности, частоты и т. д.

К реле предъявляются требования, из которых наиболее важные -надежность срабатывания при изменении питающего напряжения (85-100 %)U_ном, высокая механическая и электрическая износоустой­чивость.

Принцип действия реле основан на электромагнитном, магнито­электрическом или индукционном принципе.

Электромагнитные реле

На рис. 2.6 приведена конструкция электромагнитного реле. Контактная система реле состоит из неподвижных контактов 2, за­фиксированных в пластмассовом основании 1, и подвижных контак­тов на плоских пружинах 3, закрепленных в пластмассовой колодке 5 на якоре электромагнита. Электромагнит содержит магнитопровод 9, сердечник 7, катушку 8 и якорь 4. Магнитопровод крепится к пласт­массовому основанию 1 с помощью винта 11.

Подключение реле к внешним электрическим цепям осуществ­ляется выводами 10.

2 3 4 5

Рис. 2.6. Конструкция электромагнитного реле

Работает реле следующим образом. При подаче напряжения на обмотку катушки якорь реле под действием электромагнитных сил притягивается к сердечнику, осуществляя изменение коммутационно­го состояния контактов. При отключении напряжения в цепи катуш­ки якорь под действием пружины 6 и плоских пружин замыкающих

контактов возвращается в исходное состояние, а контакты принимают первоначальное положение.

Электротехническая промышленность выпускает различные ре­ле, которые отличаются друг от друга принципом действия, конструк­тивным исполнением.

В качестве промежуточных применяются также реле серий РП-23, РП-25, РП-321, РП-341, РП-42 и ряд других, которые могут использоваться и как реле напряжения.