Порядок расчета нейтрального электромагнита

В задачу расчета входит нахождение таких конструктивных размеров и параметров обмотки ЭМ, которые соответствовали бы заданным условиям работы устройства. Обычно в число исходных данных входят: противодействующая (механическая) характеристика, полученная расчетным или экспериментальным путем; напряжение и ток входного сигнала, подаваемого на обмотку; режим работы; временные параметры; габаритные размеры; вес; стоимость. Кроме того, необходимо учитывать основные условия эксплуатации: температуру окружающей среды, .влажность, запыленность, наличие вибраций.

В результате расчета необходимо выбрать тип ЭМ (см. рис.2), материал для магнитной цепи, определить геометрические размеры магнитопровода, катушки и ее электрические параметры. Создаваемая конструкция должна отвечать критерию оптимальности, или экономичности, т.е. обладать минимальными размерами, весом и стоимостью.

Расчет ЭМ включает в себя следующие этапы.

1. Выбор типа электромагнита и кинематической схемы соединения его с исполнительным механизмом. Форма магнитной цепи определяется назначением ЭМ в технологической цепи производства. Например, для больших усилий и больших ходов якоря рекомендуется использовать прямоходовые ЭМ (см. рис.2, е), которые имеют минимальные размеры, вес и стоимость. При очень малом ходе якоря применяют клапанные электромагниты с цилиндрическим магнитопроводом (см. рис.2, г).

Для каждой формы ЭМ имеются определенные соотношения между значениями электромагнитного усилия и ходом якоря, при которых вес сконструированного электромагнита получается минимальным. Для удобства выбора оптимальной формы ЭМ вводится понятие конструктивного показателя (КП), представляющего собой следующее отношение:

где Fэ min — электромагнитное усилие, которое должен развивать электромагнит при максимальном рабочем воздушном зазоре δ_в, когда δ_в = δ_н .

Выбор КП определяется на основании следующих рассуждений: длина сердечника растет пропорционально увеличению магнитодвижущей силы, создаваемой обмоткой, а МДС, в свою очередь, определяется максимальным рабочим воздушным зазором 5В; поперечное сечение сердечника определяется требуемым начальным электромагнитным усилием. Действительно, как было показано выше, электромагнитное усилие пропорционально сечению сердечника, т.е. квадрату его поперечного линейного размера. Поэтому поперечный размер сердечника пропорционален корню квадратному из тягового усилия.

На основании расчета были получены данные для выбора оптимальной формы ЭМ. Так, для прямоходового ЭМ без неподвижного сердечника (см. рис.2, е) значение конструктивного показателя составляет 400 Н^½ /м; для клапанного ЭМ с цилиндрическим магнитопроводом (см. рис.2, г) конструктивный показатель равен 2900 Н^½ /м. В маломощных ЭМ практическое значение имеет не вес, а чувствительность, поэтому эти ЭМ выполняются клапанного типа (см. рис.2, а...г). Конструктивный показатель для них равен 800...8000 Н^½ /м.

2. Предварительный расчет электромагнита проводят обычно в два этапа. Сначала выполняют ориентировочный расчет для определения в первом приближении основных размеров и параметров ЭМ. При таком расчете потери намагничивающей силы и утечки магнитного потока учитывают приближенно. Затем проводят точный расчет электромагнита, при этом найденные в предварительном расчете размеры магнитопровода позволяют с достаточной точностью учесть насыщение магнитопровода, потери магнитодвижущей силы и утечку магнитного потока. После проведения окончательного расчета проверяют рациональность принятой формы и найденных размеров ЭМ.

Порядок предварительного расчета применительно к прямоходовому ЭМ с неподвижным сердечником и клапанному ЭМ сводится к следующему:

выбирают значение магнитной индукции в рабочем зазоре при начальном его значении В_δн. Следует иметь в виду, что с ростом индукции уменьшаются размеры магнитопровода, но одновременно уменьшается и чувствительность ЭМ, так как возрастают потери магнитодвижущей силы и утечка магнитного потока. Учитывая наличие потоков рассеяния, магнитную индукцию В_δн выбирают в пределах 0,06...1 Тл в зависимости от формы магнитопровода и условий работы ЭМ. Выбор В_δн определяется соотношением между заданным значением электромагнитного усилия Рэ при отпу­щенном якоре и ходом 8; причем с увеличением Рэ необходимо выбирать большие значения В_δн. Опытные и расчетные данные оптимальных значений В_δн удобно выражать в функции конструктивного показателя КП. На рис.3 приведены зависимости величины ВКн и отношения длины обмотки l_об к ее ширине h_об от отношения для некоторых типов ЭМ постоянного тока. Эти зависимости построены исходя из наиболее экономичного использования активных материалов (сталь, медь);

определяют сечение участков магнитопровода. Например, для клапанного ЭМ или прямоходового с плоским якорем сечение рабочего зазора можно найти, воспользовавшись формулой

Причем требуемое значение электромагнитного усилия Рэ min принимают на 15...25 % больше заданного противодействующего усилия при δ = δ_н . Для электромагнитов, не имеющих полюсного наконечника, найденное сечение рабочего зазора S_δ соответствует сечению сердечника. При наличии полюсного наконечника, например в клапанных ЭМ (см. рис.2, а, в), найденное сечение равно сечению полюсного наконечника.

Рис.3. Электрические зависимости для выбора оптимальных параметров магнитной цепи (кривые В_δн — возрастающие, кривые l_об / h_об — убывающие, сплошные линии — масштаб I,

пунктирные линии — масштаб II):

1 — клапанный электромагнит; 2 — прямоходовой электромагнит с плоским якорем; 3 — прямоходовой электромагнит с якорем, имеющим конический конец с углом при вершине 45°; 4 — прямоходовый электромагнит с якорем, имеющим конический конец с углом при вершине 60°

3. Определение длины l_об и толщины h_об обмотки. Предварительно задаются отношением длины обмотки к ее толщине, т.е. l_об / h_об. При изменении этого отношения получается разный расход меди и стали — активных материалов электромагнита. Так, с увеличением отношения l_об / h_об уменьшается расход меди (так как уменьшается объем меди, поверхность охлаждения катушки увеличивается), а расход стали растет (так как увеличивается длина магнитопровода). На практике установлено, что при относительно небольшом ходе якоря и малом значении усилия отношение l_об / h_об следует выбирать большим, чем при увеличении усилия и уменьшении хода якоря.

Таким образом, с помощью отношения l_об / h_об также можно определить значения конструктивного показателя (см. рис.3). Рекомендуется для клапанных ЭМ брать отношение l_об / h_об = 1... 8, а для прямоходовых — в пределах 5... 8.