Тяговая и механическая характеристики электромагнита

В соответствии со вторым законом Кирхгофа в любое мгновение переходного процесса при включении ЭМ выполняется следующее соотношение

где U — напряжение, подаваемое на зажимы обмотки (катушки) с числом витков w и активным сопротивлением R.

Умножив обе. части этой формулы на Idt, получим уравнение энергетического баланса

U Idt = I² Rdt + wIdФ,

где Uldt — электрическая энергия, поступившая в обмотку за время dt; I² Rdt — тепловые потери в активном сопротивлении; wIdФ — энергия, затраченная на создание магнитного поля ЭМ и механическую работу движения якоря.

После интегрирования приходим к выражению

где t, Ф — текущие координаты.

Известно, что ток в обмотке ЭМ, включенной на постоянное напряжение, нарастает по экспоненциальному закону. В некоторый момент времени он достигает значения тока трогания, которому соответствует точка 7 на рис.4. В это мгновение якорь приходит в движение, в процессе которого рабочий зазор уменьшается, индуктивность обмотки растет и ток в ней падает до тех пор, пока якорь не притянется к сердечнику, чему соответствует точка 3. Во время движения якоря связь между Ф и wI определяется кривой 1—2—3. По окончании движения якоря ток опять начинает возрастать, достигая установившегося значения в точке 4.

Рис.4. Магнитные потоки в электромагните

Если якорь при срабатывании ЭМ находится в начальном положении и рабочий зазор 5 максимален (δ = δ_н), то характеристика намагничивания при δ = δ_н = const имеет вид кривой 0 — 7 — 5 (см. кривую δ_н на рис.4), а в конечном положении якоря, когда он полностью притянут и δ = δ_к = const — вид кривой 0 — 1'— 3 — 4 (см. кривую δ_к на рис.4). Значит, динамическая характеристика намагничивания Ф(wI) при срабатывании ЭМ состоит из участка 0 — 7 кривой δ_н, переходной кривой 1 — 2 — 3 во время движения якоря (δ = var) и участка 3 — 4 кривой δ_к.

Энергия W₁₂₃₄, представленная в последней формуле вторым членом ее правой части и равная энергии, поступившей из сети, в течение нарастания МДС от 0 до wI_у при срабатывании ЭМ за вычетом тепловых потерь, пропорциональна площади, ограниченной кривой 0 — 1 — 2—3— 4— Фу — 0.

Тяговой (или электромеханической) характеристикой ЭМ на­зывают зависимость (2Т (8) — тягового усилия от длины воздушного зазора при известном характере изменений тока обмотки и противодействующих усилий во время срабатывания.

Допустим, при подаче на обмотку напряжения трогания U_тр движение якоря ЭМ начинается по достижении током значения I_у и в процессе изменения длины зазора от начальной δ_н до конечной δ_к этот ток остается неизмененным. Для ЭМ последовательного включения это условие естественное. В ЭМ параллельного включения ток в обмотке неизменный, если в любое мгновение срабатывания тяговое и противодействующее усилия равны друг другу, т. е. якорь перемещается бесконечно медленно, и, следовательно, инерция подвижных частей не проявляется. Поэтому снятая при таких условиях тяговая характеристика является статической. Другими словами, статическая тяговая характеристика — это зависимость электромагнитного усилия, действующего на неподвижный якорь, от его положения, исчисляемого значением рабочего зазора, при неизменной МДС.

Под механической, или противодействующей, характеристикой ЭМ понимают зависимость Q_мех (δ) — результирующей силы сопротивления движению якоря, приложенной к нему и приведенной к рабочему зазору 5, от длины последнего (или момента сопротивления от угла поворота якоря).

Множество различных механических характеристик объясняется многообразием конструктивного исполнения и параметров механических элементов ЭМ,

Построение механических характеристик ЭМ и согласование их с тяговыми характеристиками производятся так же, как для реле.

Динамика электромагнита

Под инерционностью ЭМ понимают запаздывание перемещения якоря по сравнению с изменениями входного напряжения. Она определяется отставанием изменения тока в обмотке от изменения приложенного к ней напряжения и механической инерцией якоря и связанных с ним подвижных частей.

Динамические свойства ЭМ как элемента дискретного действия характеризуются двумя временными параметрами: временем срабатывания t_сраб., и временем отпускания t_отп.

Время от подачи входного напряжения на зажимы обмотки ЭМ до полного притяжения якоря (δ = δ_к) называют временем срабатывания t_отп., а время от снятия входного напряжения до возвращения якоря в начальное положение (δ = δ_н) — временем отпускания t_отп..

Если ввести обозначения t_тр и t'_тр для времени трогания соответственно при срабатывании (время от подачи входного напряжения U до начала движения, трогания якоря) и отпускании (от снятия U до начала движения якоря), можно записать:

где t_дв, t'_дв — время движения якоря соответственно от δ_н до δ_к , и наоборот.

Значения t_сраб и t_отп обычно равны 0,05...0,15 с для ЭМ нормального быстродействия.

Увеличить или уменьшить t_сраб и t_отп можно конструктивными и схемными способами. Конструктивные способы увеличения и уменьшения быстродействия ЭМ заключаются в следующем.

Снижение t_сраб и t_отп достигается:

уменьшением вихревых токов в магнитопроводе и хода якоря, равного δ_н - δ_к; выбором достаточно большого коэффициента запаса при срабатывании

(чем больше тем надежнее удерживается якорь в притянутом положении);

оптимизацией размеров обмотки и другими методами.

Рис.5. Схемы изменения времени срабатывания и отпускания электромагнитов:

а...е — увеличение t_сраб; ж...и — уменьшение t_сраб; к...н — увеличение t_отп

Увеличение t_сраб и t_отп осуществляется с помощью электромагнитных, механических, пневматических и гидравлических демпферов, присоединяемых к якорю.

Электромагнитные демпферы выполняют в виде конструктивных элементов, изготовленных из электропроводящего материала и помещенных в магнитное поле (например, в счетчике электроэнергии в поле постоянного магнита вращающийся алюминиевый диск). Если требуется получить t_сраб и t_отп порядка одной или нескольких секунд, то прибегают к экранированию: на сердечнике размещают медную втулку, охватывающую все его сечение; возникающий при движении якоря ток экрана замедляет нарастание и спадание потока в магнитопроводе.

На рис.5 показаны некоторые схемные способы изменения t_сраб и t_отп. Приведенные схемы обеспечивают стабильное снижение t_сраб нормальных по быстродействию ЭМ до нескольких миллисекунд или увеличение их t_отп до нескольких секунд.