Краткие теоретические сведения. Силовые электромагниты находят применение в электромагнитных приводах различных устройств
Силовые электромагниты находят применение в электромагнитных приводах различных устройств. Многие из них благодаря механизации и автоматизации производственных процессов выпускаются серийно большими партиями до сотен тысяч штук в год. Конструкции электромагнитов разнообразны и могут быть классифицированы по ряду признаков, например:
· по способу действия:удерживающие – для удержания грузов или деталей, например, электромагнитные столы станков, грузоподъемные электромагниты; притягивающие – совершают механическую работу, притягивая свой якорь;
· по способу включения: с параллельной катушкой – ток в катушке определяется параметрами самого электромагнита и напряжения сети; с последовательной катушкой – ток в катушке определяется параметрами устройств (машин, аппаратов), в цепь которых включена катушка;
· по роду тока: постоянного или переменного;
· по характеру движения якоря: поворотные – якорь совершает поворот относительно некоторой фиксированной точки (опоры) или оси; прямоходовые – якорь перемещается поступательно.
Магнитные системы электромагнитов отличаются большим разнообразием форм конструктивных решений (рис. 1), диапазоном развиваемых тяговых усилий и перемещений подвижных частей.
Во многих руководствах электромагниты классифицируются по конструктивным признакам: плоские или цилиндрические, то есть имеющие прямоугольное П- или Ш- или Е-образное ярмо и прямоугольный якорь или цилиндрический корпус и якорь; короткоходовые или длинноходовые в зависимости от размера перемещений якоря по отношению к высоте обмотки возбуждения; с втяжным якорем, с внешним поперечно движущимся якорем, с комбинированным якорем; со стопом (ограничителем хода якоря) или со свободным выбегом якоря (бойка) для электромагнитов ударного действия и т. п.
При прохождении тока по обмотке электромагнита возникает магнитный поток, который распространяется в пространстве по замкнутому контуру. В электромагнитах такие замкнутые контуры образуются ферромагнитными и неферромагнитными элементами их конструкций и называются магнитными цепями. Магнитная цепь электромагнита состоит из магнитопровода и воздушных зазоров. Изменяющейся при движении якоря электромагнита зазор называется рабочим. Постоянные воздушные зазоры на пути магнитного потока являются паразитными или технологическими. Магнитный поток, замыкающийся через рабочий зазор, называется основным. Все остальные потоки, замыкающиеся вне рабочего зазора, представляют собой потоки рассеяния.
Между уравнениями, определяющими электромагнитные процессы в магнитных и электрических цепях, имеется аналогия в записи уравнений, если принять следующие соответствия:
, 
, 
, 
,
где 
– ЭДС источника электрической энергии; 
– намагничивающая (магнитодвижущая) сила; 
– электрический ток; 
– магнитный поток; 
– электрическое напряжение; 
– магнитное напряжение (падение напряжения); 
– электрическое сопротивление; 
– магнитное сопротивление.
В этом можно убедиться, сопоставив следующие уравнения:
для электрической цепи
, 
, 
, 
;
для магнитной цепи
, 
, 
,
где 
– вектор плотности электрического тока; 
– вектор напряженности электрического поля; 
– электропроводность материала обмоточного провода; 
– вектор индукции магнитного поля; 
– вектор напряжен-ности магнитного поля; 
– абсолютная магнитная проницаемость среды.
а) б) в)
Рис. 1. Разновидности конструкций магнитных систем силовых электромагнитов с втяжным якорем (а), с внешним притягивающимся якорем (б), с комбинированным якорем (в)
Аналогия в записи уравнений позволяет заменить магнитную цепь электромагнита эквивалентной схемой замещения (рис. 2) и использовать для ее расчета известный аппарат теории электрических цепей. Однако при переходе от магнитных цепей к их схемам замещения возникают существенные трудности. Они обусловлены различиями свойств сред по отношению к электрическому току и магнитному потоку. Если электрическая цепь может быть составлена из проводников, причем окружающая среда (воздух) в обычных условиях является изолятором, то магнитная цепь состоит из отдельных участков и включает воздушные зазоры, где образуется магнитное поле рассеяния. При этом удельные электрические сопротивления проводников и изоляторов отличаются на 15 порядков и более, так например, удельное сопротивление меди 
, алюминия 
, фторопласта 
, гетинакса 
. Состояние магнитопровода сильно зависит от технического насыщения, и отличается не более, чем на шесть порядков от абсолютной магнитной проницаемости вакуума 
Гн/м. Так, например, для электротехнической стали марки 3421 максимальная магнитная проницаемость 
Гн/м, для пермаллоя марки 79 НМ соответственно 0,19 Гн/м.
При построении схем замещения магнитных цепей резистивный элемент является аналогом трубки магнитного потока. Трубкой магнитного потока называют часть пространства, ограниченную трубчатой поверхностью и совокупностью силовых линий магнитного поля. В любом сечении такой трубки, нормальном к ее оси, магнитный поток один и тот же. Если магнитная индукция в пределах сечения трубки распределена равномерно, то можно принять:
,
где 
– площадь сечения трубки, и 
– соответственно магнитный поток и магнитная индукция в сечении трубки.
Для участка магнитной цепи длиной 
, характеризующегося постоянной магнитной проницаемостью 
, магнитное сопротивление 
и магнитная проводимость 
рассчитываются по формулам:
, 
.
Учет магнитного сопротивления материала магнитопровода оказывает существенное влияние на расчет магнитной цепи. При значительных зазорах магнитная система электромагнита является ненасыщенной, поэтому магнитным сопротивлением стали, как правило, пренебрегают. При малых зазорах магнитная система насыщается, и при расчете магнитной цепи применяется графоаналитический метод.
Для определения магнитного потока требуется знание геометрии магнитной системы электромагнита, обмоточных данных и основной кривой намагничивания магнитопровода 
. В правильно спроектированной конструкции электромагнита магнитная индукция на участке цепи не должна быть чрезмерно большой, насыщение стали не должно превышать допустимого значения 1,2–1,3 Тл, а для пермаллоев 1,8–2,2 Тл.
При учете магнитного сопротивления стали расчет магнитной цепи удобнее вести непосредственно, определяя магнитное напряжение на участке цепи по формуле
,
где 
– напряженность магнитного поля, определяемая по основной кривой намагничивания 
и рассчитанному значению магнитной индукции .
По найденному из расчета магнитной цепи электромагнита распределению магнитного потока на различных участках вычисляется потокосцепление обмотки.
Если неразветвленную магнитную цепь электромагнита (рис. 2) без учета потоков рассеяния привести к схеме замещения с двумя участками (рис. 4), моделирующими ферромагнитный участок и участок воздушного зазора, то при наличии в цепи намагничивающей силы обмотки 
и постоянства магнитной проницаемости ферромагнетика 
магнитный поток на основании второго закона Кирхгофа будет равен:
где 
– относительная магнитная проницаемость стали; 
– длина средней линии магнитной цепи; – сечение магнитной цепи; 
– длина воздушного зазора.
Рис. 2 Рис. 3
Потокосцепление обмотки электромагнита будет равно:
.
Взаимосвязь потокосцепления и тока принято характеризовать статической индуктивностью:
Индуктивность обмотки электромагнита является функцией одной переменной, аргументом которой служат длина воздушного зазора. Зависимость индуктивности обмотки электромагнита от рабочего зазора называется статической характеристикой.
Определив зависимость 
расчетным или экспериментальным путем, можно найти тяговое усилие электромагнита в функции от величины рабочего зазора
Характеристика 
, построенная при неизменном значении тока в обмотке, получила название статическая тяговая характеристика.
Описание лабораторного стенда и рабочее задание
1. Исследуемый электромагнит выполнен из электротехнической стали в виде П-образного сердечника, имеет обмотку возбуждения с 
числом витков и цельнометаллический стальной якорь. Обмотка электромагнита рассчитана на рабочее напряжение 
и подключается к промышленной сети через понижающий трансформатор (ЛАТР). Между полюсами электромагнита и якорем существует регулируемый воздушный зазор, зависящий от высоты набора немагнитных пластин толщиной 1-1,5 мм.
2. Для исследования тягового усилия электромагнита требуется собрать электрическую цепь, приведенную на рисунке 4. Подключить схему к клеммам «~ 0 – 250 B» приборного штатива через автотрансформатор.
3. Снять показания измерительных приборов для различных фиксированных положений якоря, поддерживая в цепи обмотки возбуждения неизменный ток 
(определяется по указанию преподавателя) путем изменения напряжения на обмотке электромагнита вращением ручки автотрансформатора. При испытании электромагнита изменение рабочего зазора обеспечивается установкой различного числа съемных немагнитных пластин одинаковой толщины, фиксирующих высоту зазора между якорем и полюсами электромагнита.
Рис. 4
Результаты измерений занести в таблицу 1.
Таблица 1
| N п/п | Опыт | Расчет |  мм | ||||||
| U, B | I, A | P, Вт | Z, Ом |  Ом |  Ом |  Гн |  Гн-1 | ||
| 1. | |||||||||
| 2. | |||||||||
| 3. | |||||||||
| 4. | |||||||||
| 5. |
4. По данным пункта 2 рабочего задания дополнить результаты опыта расчетными данными, вычислив для каждого значения рабочего зазора параметры эквивалентной схемы замещения электромагнита, состоящей из последовательно соединенных участков, содержащих L- и R-элементы, используя соотношения:
, 
, 
,
, 
5. По данным пункта 2 рабочего задания построить в масштабе зависимость инверсной индуктивности 
обмотки электромагнита 
от хода якоря и аппроксимировать эту зависимость уравнением прямой линии 
, где 
и 
– аппроксимирующие коэффициенты.
6. Используя полученную в пункте 3 рабочего задания зависимость инверсной индуктивности обмотки от хода якоря, определить по энергетической формуле значения тягового усилия 
при различных значениях рабочего зазора 
и тока I, указанных в таблице 1.
Результаты расчета тягового усилия при различных значениях рабочего зазора внести в таблицу 2.
Таблица 2
 , Н | |||||
| , мм |
7. По данным пункта 4 рабочего задания построить в масштабе тяговую характеристику силового электромагнита.
Вопросы к защите
1. Определить магнитный поток 
и магнитную проницаемость стального сердечника цилиндрической катушки длиной 
и диаметром 
, имеющей 200 витков, если при токе 
в центре катушки создается магнитная индукция 
.
2. Для цилиндрической катушки задано значение намагничивающей силы 
. Катушка намотана в один ряд медным проводом диаметром 0,2 мм и имеет 1250 витков. Определить напряженность поля в центре катушки, магнитную индукцию, ток в катушке и необходимую ее длину для двух случаев: а) катушка без сердечника; б) катушка со стальным сердечником, имеющем магнитную проницаемость 
.
3. Как изменятся потери мощности на вихревые токи 
и на гистерезис 
, если сердечник электромагнита, изготовленный из электротехнической стали с толщиной листов 0,5 мм, заменить сердечником из той же стали, но толщиной листов 0,35 мм?
4. Как изменится ЭДС самоиндукции, ток катушки и сила тяги электромагнита, если увеличить рабочий зазор при неизменном напряжении на катушке и неизменной частоте источника электрической энергии.
5. Приведите качественную векторную диаграмму катушки со стальным сердечником. В каком из выражений, позволяющих определить величины, указанные на векторной диаграмме и активную мощность катушки, допущена ошибка?
, 
, 
,
, 
.
Содержание отчета
1. Выполнение домашнего задания.
2. Построение электрической схемы испытаний электромагнита для определения его тягового усилия.
3. Приведение данных электрических измерений и расчетов в таблицах 1 и 2.
4. Построение зависимости инверсной индуктивности обмотки от хода якоря. Определение аппроксимирующих коэффициентов уравнения прямой линии .
5. Определение тягового усилия электромагнита при различных значениях рабочего зазора (таблица 2) и построение тяговой характеристики электромагнита.
6. Выводы.
Лабораторная работа № 7
ОДНОФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
Цель работы:Ознакомление с принципом работы, характеристиками и методами исследования однофазных трансформаторов.
Домашнее задание
1. Поясните назначение трансформатора.
2. Объясните устройство и принцип действия однофазного трансформатора.
3. Как и с какой целью проводится опыт холостого хода трансформатора?
4. Как и с какой целью проводится опыт короткого замыкания трансформатора?
5. Запишите полную систему уравнений трансформатора.
6. Дайте понятие электрической схемы замещения трансформатора. Какие физические процессы, связанные с преобразованием электрической энергии в другие виды, учитывают ее элементы?