Меню

Электромагнитный механизм переменного тока

Основные понятия про электромагниты

Существуют определенные природные материалы и объекты, которые сами по себе обладают магнитными свойствами. Их называют естественными магнитами. Примерами естественного магнитного материала могут служить железные руды, насыщенные магнитными свойствами. Примером же естественного магнитного объекта выступает наша с вами планета Земля.

Естественные, они же постоянные, магниты обладают высокой остаточной магнитной индукцией, что позволяет им сохранять магнитные свойства на протяжении длительного времени.

Однако, более широкое распространение в промышленности, медицине и других отраслях нашли электромагниты — электрические аппараты, в которых магнитным полем можно управлять. В электроэнергетике применяются, кроме прочего, в реле, выключателях, генераторах.

При определенных условиях магнитные поля способны создавать поля электрические. Верно и обратное утверждение. В этом и кроется суть электромагнитов.

Классификация электромагнитов

Принято классифицировать электромагниты (ЭМ) по способу питания на электромагниты постоянного и переменного тока. ЭМ постоянного тока в свою очередь классифицируются на постоянного тока нейтральные и поляризованные. Также существуют ЭМ выпрямленного тока.

В нейтральных электромагнитах постоянного тока магнитный поток создается обмоткой постоянного тока. Величина магнитного потока зависит лишь от обмотки, не зависит от направления. Если величина тока равна нулю, то магнитный поток и сила притяжения также опускаются практически до величины нуля.

Поляризованные ЭМ постоянного тока характеризуются наличием двух независимых магнитных потоков — рабочего и поляризующего. Поляризующий поток создается постоянными магнитами или электромагнитами. Рабочий же поток создается под действием намагничивающей силы рабочей обмотки. При отсутствии тока на якорь магнита будет действовать сила притяжения от поляризующего потока. В отличие от нейтральных, в поляризованных электромагнитах их действие зависит не только от величины рабочего потока но и от его направления.

В электромагнитах переменного тока обмотка питается от источника переменного тока. Величина и направление магнитного потока изменяется во времени от нуля до максимума.

Далее другие возможные классификации

  • с последовательными (мало витков большого сечения) и параллельными (много витков малого сечения) обмотками
  • работающие в длительном, кратковременном или прерывистом режимах
  • быстродействующие, замедленно действующие и нормально действующие
  • с внешним притягивающим якорем, со втягивающимся якорем, с внешним поперечно движущимся якорем

Устройство электромагнитов

Несмотря на обширное, судя по описанной выше классификации, количество разнообразных вариантов электромагнитов, существуют определенные однотипные узлы, которые встречаются у всех ЭМ.

  • Катушка с расположенной на ней намагничивающей обмоткой
  • Подвижная часть электромагнита — якорь
  • Неподвижная часть — ярмо и сердечник

Между якорем и неподвижными частями существуют воздушные промежутки. Так вот, воздушные промежутки бывают полезными и паразитными. Полезные промежутки располагаются по возможному пути движения якоря. Паразитные промежутки лежат за пределами движения якоря.

Также существует понятие полюса. Полюсами называют поверхности магнитопровода, которые ограничивают полезный воздушный промежуток.

Конструктивные формы электромагнитов переменного тока не имеют множества вариантов, за счет того, что сердечник набирается из листов электротехнической стали. Это необходимо для борьбы с вихревыми токами.

Как работает электромагнит

Сам цикл работы ЭМ представляет собой следующую последовательность действий. Сначала в обмотку подается ток такой величины, при которой магнитные силы станут больше, чем силы удерживающие якорь в покое.

Далее произойдет отрыв якоря из состояния покоя и движение якоря в конечную точку полезного промежутка. Это первый этап.

На втором этапе якорь ЭМ подтянут и через него протекает ток. Как известно, ток создает термическое воздействие с течением времени. Поэтому время работы не должно превышать допустимое. На этом этапе сила тяги электромагнита максимальная.

Последний, Третий этап — аналогичен первому — ток уменьшается до нуля, магнитные силы становятся меньше сил, возвращающих якорь в состояние покоя, якорь отпадает. Далее электромагнит остывает.

Если характер его работы периодически повторяющийся, то за время до следующего цикла, ему необходимо успеть остыть.

Сравнение ЭМ постоянного и переменного тока

При выборе между электромагнитами на постоянном или переменном токе следует учитывать следующие особенности:

    Сила тяги. При одинаковом сечении полюсов средняя величина силы тяги в ЭМ на переменном токе (“ЭМ

тока”) будет вдвое меньше, чем в аналогичном на постоянном токе. То есть железо более эффективно используется в ЭМ на постоянном токе (“ЭМ = тока”)

  • Вес. Если же заданными константами являются сила тяги и ход якоря, то для получения электромагнита переменного тока потребуется вдвое больше железа и размеров, чем для ЭМ постоянного тока
  • Реактивная мощность. Если необходимо уменьшить потребляемую мощность “ЭМ = тока”, то достаточно увеличить его размеры. В случае же с “ЭМ

    тока” потребляемая при пуске реактивная мощность не может быть уменьшена путем увеличения размеров ЭМ
    Вихревые токи. В случае с “ЭМ

    тока” магнитопроводы выполняют шихтованными и разрезными для уменьшения влияния вихревых токов. Само же наличие потерь на вихревые токи и перемагничивание вызывает увеличение потребления электроэнергии и лишний нагрев. В случае же с “ЭМ = тока” данный пункт отсутствует

  • Быстродействие. Если взять ЭМ постоянного и переменного тока, то вторые будут более быстродействующие. Однако для “ЭМ = тока” внедряют специальные меры, которые могут сделать их более быстродействующими. При этом “ЭМ = тока” будут потреблять меньше энергии
  • Читайте также:  Схема соединения трансформаторов тока фильтр токов нулевой последовательности

    Однако, в промышленности, вышеописанные недостатки “ЭМ

    тока” не вызывают особых препятствий на пути их использования.

    Сохраните в закладки или поделитесь с друзьями

    Источник

    

    ЛЕКЦИЯ№6 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

    Большинство электрических аппаратов имеет в своём составе электромагнит. Конфигурация магнитной цепи электромагнита зависит от назначения аппарата и может быть самой разнообразной. Рассмотрим магнитную цепь простейшего электромагнитного механизма (ЭММ) (рис.23).

    Рис.23. Магнитная цепь простейшего электромагнитного механизма

    Магнитная цепь включает:

    · якорь (1), подвижную часть ЭММ, механически связанную с тем, что необходимо переместить, перевернуть, например, с контактом магнитного пускателя КМП.

    · Сердечник (2), жёстко закрепленную неподвижную часть ЭММ на которой сидит намагничивающая обмотка (3).

    · воздушный (рабочий) зазор (4), размером – δ и площадью Sδ.

    Кроме того в состав ЭММ входит возвратная пружина (5), воздействующая на якорь силой Fп.

    При подаче напряжения на катушку создается магнитодвижущая сила Fмдс, под действием которой возбуждается магнитный поток Ф. Якорь намагничивается и притягивается к полюсам сердечника с силой магнитного притяжения Fм.

    где — магнитный поток в рабочем зазоре; — магнитная проницаемость воздуха; — площадь сечения воздушного зазора.

    Задачей расчета магнитной цепи является либо определение магнитодвижущей силы катушки, необходимой для создания требуемого магнитного потока в рабочем зазоре (прямая задача), либо определение магнитного потока в рабочем зазоре по известной магнитодвижущей силе катушки.

    Требуемый магнитный поток в рабочем зазоре определяется из выражения (1) при заданной Fм > Fп.

    Прямая и обратная задачи могут быть решены с помощью двух законов Кирхгофа применительно к магнитной цепи:

    1. Алгебраическая сумма потоков в узле магнитной цепи равна нулю.

    (52) Сумма магнитодвижущих сил в отдельных, j-х частях магнитного контура равна сумме падений магнитных напряжений в этих частях.

    где — магнитное сопротивление j-о участка; — напряженность магнитного поля j-о участка; — длина j-о участка.

    Электромагниты постоянного тока.

    Электромагнитный поток в данной конструкции создаётся обмоткой постоянного тока. Действие не зависит от направления тока.

    Тяговая статическая характеристика — зависимость силы магнитного притяжения от величины зазора.

    — сила магнитного притяжения обратно пропорциональна величине зазора. Якорь по мере притягивания двигателя с ускорением, сила всё время увеличивается.

    Согласование тяговой характеристики с нагрузкой электромагнита производится путём построения в одних осях тяговой характеристики и характеристик противодействующих пружин (рис.24). Такое согласование даёт возможность сделать заключение о работоспособности электромагнита.

    Рис.24. Согласование тяговой характеристики с нагрузкой электромагнита

    Для нормального срабатывания ЭММ необходимо, чтобы тяговая характеристика во всём диапазоне изменения хода якоря (от начального зазора δн до конечного δк) проходила выше характеристик противодействующих пружин. После замыкания контактов (зазор δкон) силе магнитного притяжения начинает противодействовать сила контактных пружин Fкп, сила противодействующих пружин Fп + Fкп, в этот момент возрастает скачком, а затем монотонно. Для чёткого возврата, отпускания якоря, необходимо, чтобы тяговая характеристика проходила ниже противодействующих характеристик. Если будет общая точка, то происходит зависание электромагнита.

    Динамика срабатывания электромагнитов постоянного тока (рис.25).

    Рис.25. Кривая нарастания тока в катушке при включении электромагнита постоянного тока

    Участок 0-a. Ток мал, тяговое усилие электромагнита меньше силы противодействующих пружин, якорь неподвижен. Время от момента приложения напряжения до момента трогания якоря – время трогания на включение tтр.

    Участок a-b. Точка а соответствует моменту, когда тяговое усилие электромагнита начинает превышать силы противодействующих пружин. Якорь трогается и движется до момента соответствующего конечному зазору δк. Точка b соответствует остановке якоря. Время от момента трогания до момента остановки якоря – время движения tдвиж.

    Участок b-с. Ток катушке нарастает до установившегося значения.

    tтр + tдвиж – время включения.

    Отключение электромагнита осуществляется путем обрыва тока в катушке. В зависимости от скорости гашения дуги на контактах выключающего аппарата ток в катушке и магнитный поток будут уменьшаться по некоторой кривой. В некоторый момент времени тяговое усилие электромагнита становится меньше силы противодействующих пружин, якорь начнет двигаться в положение соответствующее начальному зазору δн. Время от начала обрыва тока в катушке до момента трогания якоря – время трогания на отключение.

    Время от начала момента трогания до остановки якоря – время движения.

    время трогания на отключение + время движения – время отключения.

    В некоторых случаях необходимо замедление или ускорить действие электромагнита. Широко применяется замедление действия электромагнита при помощи короткозамкнутого витка, имеющего малое электрическое сопротивление (рис.26)

    Рис.26. Короткозамкнутый виток

    При включении питающей обмотки в магнитной цепи нарастает магнитный поток Ф1. Этот поток наводит в короткозамкнутом витке э. д. с. Последняя вызывает ток такого направления, при котором магнитный поток короткозамкнутого витка Ф2 направлен навстречу потоку Ф1. Результирующий поток равен алгебраической сумме этих потоков.

    При отсутствии короткозамкнутого витка нарастание магнитного потока Ф и соответствующей ему силы магнитного притяжения Fм происходило бы по кривой 1 рис.27.

    Читайте также:  Почему человека бьет током вода

    Рис.27. К пояснению принципа работы электромагнита постоянного тока с короткозамкнутым витком

    При наличии короткозамкнутого витка скорость нарастание суммарного магнитного потока Ф и соответствующей ему силы магнитного притяжения Fм уменьшается и происходит по кривой 2 рис.27. При этом поток и сила магнитного притяжения достигнут требуемого для трогания значения через время t2 > t1. Время включения будет замедленно на время ∆tвыдержку времени на включение.

    При отключении электромагнита замедляющий эффект выше 8-12 раз, чем при включении.

    Электромагниты переменного тока.

    Параметры и характеристики аналогичны электромагнитам постоянного тока. Основное отличие в характере силы магнитного притяжения. Так как ток, протекающий по катушке, изменяется по синусоидальному закону, то и магнитный поток также синусоидален. Поэтому сила магнитного притяжения также изменяется по гармоническому закону.

    Чтобы якорь хорошо притянулся необходимо, чтобы среднее значение Fм было больше силы противодействующих пружин Fп + Fкп. Но существуют моменты времени, когда Fм

    Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

    Источник

    Особенности работы электромагнитных механизмов переменного тока

    Особенностью работы электромагнитных механизмов переменного тока является то, что тяговое усилие, создаваемое катушкой электромагнита, является пульсирующим, из-за синусоидальности питающего напряжения, которое определяется по формуле

    Пульсация тягового усилия РТ при работе ЭА вызывает вибрацию якоря и магнитопровода соответственно (шум, дребезг). Если не предпринимать дополнительных мер в конструкции, то это приводит к прерыванию электрического тока и быстрому износу ЭА.

    ЭТО ВАЖНО. На практике для устранения вибрации якоря применяют три основных способа: утяжеляют якорь; используют двухфазный электромагнит; применяют короткозамкнутый виток в магнитной системе.

    При утяжеленном якоре вибрация отсутствует, так как благодаря большой инерции якорь не может вибрировать с частотой 2 (формула (6.3)), т.е. он не успевает отходить от полюса за время прохождения тока в обмотке через нулевое значение. Этот способ прост, но применяется редко из-за неизбежного уменьшения чувствительности электромагнита и увеличения его габаритов и массы в целом.

    Двухфазный электромагнит состоит из двух электромагнитов имеющих общий якорь (рис.6.2). Обмотки электромагнитов соединены параллельно относительно друг друга. Токи, осуществляющие питание обмоток, сдвинуты по фазе на угол / 2 за счет подключения одной из обмоток через конденсатор. Так как величина токов принимает нулевое значение в разные моменты времени, то результирующее усилие, действующее на якорь, никогда не обращается в нуль.

    Данный способ также не получил широкого распространения, так как при этом значительно усложняется конструкция электромагнитного механизма.

    Способ устранения вибрации якоря с помощью короткозамкнутого витка (экрана) получил наибольшее распространение (рис.6.3). Способ заключается в следующем. Конец сердечника, расщеплен на две части, одна из которых охвачена короткозамкнутым витком из меди или алюминия (рис.6.3, а). В результате основной магнитный поток Ф разветвляется на два потока Ф1 и Ф2. В витке индуцируется ЭДС короткого замыкания (КЗ) и возникает ток КЗ, который возбуждает поток Фкз. Поток Фкз совпадает по направлению с потоком Ф1 и направлен встречно потоку Ф2. Поэтому поток Ф2 будет отставать от потока Ф1 на некоторый угол (рис.6.3, б). Сила тягового усилия Р электромагнита получается путем суммирования сдвинутых во времени тяговых усилий Р1 и Р2 (рис.6.3, в). Благодаря сдвигу их во времени общее тяговое усилие Р пульсирует меньше и минимальное значение ее выше отрывного усилия Ротр, чем и исключается вибрация якоря.

    Источник

    Электромагнитных механизмов

    Электромагнитные механизмы

    Основные сведения и классификация

    Составной частью многих электрических аппаратов являются электромагнитные системы, выполненные обычно в виде электромагнитных механизмов или устройств.

    Электромагнитный механизм – это электромагнитная система, подвижная часть которой совершает полезную работу при перемещении. Причем это перемещение происходит вследствие изменения или перераспределения магнитного потока (электромагниты, электромагнитные муфты и др.).

    Электромагнитным устройством называют электромагнитную систему, в обмотках которой при изменении и распределении магнитного потока изменяется величина тока и напряжения (силовые измерительные трансформаторы, дроссели, магнитные усилители и др.).

    Следовательно, электромагнитные механизмы предназначены для преобразования магнитной энергии в механическую.

    Электромагнитные механизмы классифицируются следующим образом:

    · по способу действия – удерживающие, притягивающие;

    · по тепловому режиму работы – механизмы длительного, кратковременного и повторно-кратковременного режима;

    · по току – постоянного и переменного тока;

    · по конструкции магнитопровода – с замкнутым магнитопроводом, с разомкнутым магнитопроводом;

    · по способу включения катушки – с параллельной катушкой, с последовательной катушкой.

    К электромагнитным механизмам предъявляются следующие требования. Катушка электромагнита должна: обеспечивать включение электромагнитного механизма в худших условиях (нагретом состоянии и при пониженном напряжении); не перегреваться во всех режимах; быть минимальной по размеру и технологичной; механически прочной; иметь соответствующий класс изоляции согласно условиям эксплуатации.

    При расчете электромагнита должны быть определены: сопротивление, число витков и диаметр провода.

    Основные части и конструкции

    электромагнитных механизмов

    Основными элементами электромагнитной системы являются одна или несколько обмоток и магнитная цепь.

    В трансформаторах одна обмотка служит для создания магнитного потока, который пересекает другую обмотку и индуктирует в ней э.д.с. В магнитных усилителях изменение тока в обмотке 1 приводит к изменению сопротивления обмотки 2 и, как следствие, величины тока в обмотке 2. В электромагнитных устройствах магнитная цепь 3 обычно не имеет воздушного зазора и выполняется либо в виде тороида , либо имеет специальную форму в результате набора из отдельных пластин

    Читайте также:  Ток повышают или увеличивают

    В электромагнитных механизмах магнитная цепь имеет подвижную часть (якорь 1). При перемещении якорь совершает полезную работу и притягивается к сердечнику 2. Ярмо 3 – не-подвижная часть магнитной цепи, соединяющая сердечник и якорь или несколько сердечников; d – расстояние между якорем и сердечником, называется рабочим воздушным зазором.

    Создаваемый обмоткой полный магнитный поток состоит из: потока Фрабочий магнитный поток, который проходит вдоль всей магнитной цепи лишь частично и замыкается по воздуху через расположенные поблизости детали конструкции; потока Фs поток рассеяния, который с увеличением воздушного зазора и повышением насыщения магнитной цепи увеличивается; потока Фd – главный рабочий поток, который проходит через рабочий воздушный зазор d (именно этот поток обусловливает возникновение механических сил, вызывающих перемещение якоря).

    По конструкции катушка может быть каркасная или бескаркасная, наматываться на съемный шаблон.

    Сердечник и ярмо электромагнита, образующие магнитопровод, выполняются из магнитомягких материалов с узкой петлей гистерезиса и высокой магнитной проницаемостью (m).

    Одна из основных задач проектирования электромагнитов – определение электромагнитной (тяговой) силы, которую электромагнит должен развить при определенном воздушном зазоре между якорем и сердечником магнитопровода.

    При подключении катушки электромагнита к источнику напряжения в ней возникает переходной процесс, описываемый уравнением

    ,

    где i – ток в катушке; R – омическое сопротивление катушки; – потокосцепление.

    Умножив каждый член уравнения (6) на idt, получим выражение энергетического баланса электромагнита за время dt

    Левая часть уравнения представляет собой энергию, получаемую из сети за время dt; первый член правой части – потерю энергии в омическом сопротивлении катушки; второй член правой части – приращение энергии магнитного поля в электромагните (т.е. энергию, затрачиваемую на создание магнитного поля).

    В общем случае зависимость Y = f(i)имеет нелинейный характер, причем при больших зазорах эта зависимость сравнительно пологая, а при малых зазорах – более крутая .

    Энергия, запасенная в поле электромагнита в момент трогания якоря,

    Энергия, запасенная в поле электромагнита, к концу движения якоря

    Энергия, сообщенная электромагниту за время движения якоря (т.е. при уменьшении воздушного зазора от d1 до d2),

    Следовательно, при уменьшении воздушного зазора от d1до d2магнитная энергия изменяется на величину

    Это изменение магнитной энергии равно механической работе, совершаемой движущимся якорем электромагнита: , где F – среднее значение тяговой силы на участке .

    Из последнего выражения следует, что

    . Таким образом, для определения тяговой силы электромагнита, исходя из энергетического баланса электромагнита, необходимо располагать зависимостями Y = f(i), построенными для различных положений якоря, и определить изменение магнитной энергии.

    При отсутствии насыщения магнитной системы зависимость Y = f(i) практически прямолинейна При медленном перемещении якоря, когда ток I в катушке, достигнув установившегося значения, остается величиной постоянной, тяговая сила может быть определена по аналитической формуле. Из рис.9, б следует

    Тяговая сила в джоулях на сантиметр!

    ,

    При равномерном распределении магнитного потока в воздушном зазоре для определения силы тяги при полностью притянутом якоре (или в предварительных расчетах) используется формула Максвелла. Сила тяги в килограммах электромагнита постоянного тока может быть определена из формулы Максвелла

    F = 4,06×10 8 ,

    где – индукция в воздушном зазоре, Вб/см 2 ; S – поверхность полюса, взаимодействующая с магнитным потоком, см 2 .

    Сила тяги электромагнитов переменного тока определяется их тех же методических предпосылок, но с учетом того, что магнитный поток периодически изменяется по величине и напряжению: . Тогда сила тяги

    F = 4,06×10 8 .Известно, что sin 2 wt = , тогда F = (2,03×10 8 .

    Следовательно, сила тяги электромагнита переменного тока содержит две составляющие: постоянную и переменную . Переменная составляющая изменяется во времени по закону cos2wt и имеет амплитуду, равную постоянной составляющей.

    Сила F имеет пульсирующий характер и дважды за период проходит через ноль. Среднее значение силы тяги за период равно ее постоянной составляющей: Fср = = 2,03×10 8 .

    Сравнивая выражения для силы тяги при постоянном и переменном токе, можно видеть, что среднее значение силы тяги при переменном токе равно силе тяги при постоянном токе.

    Силу тяги электромагнита переменного тока можно определить на основе анализа его энергетического баланса. Последовательность рассмотрения аналогична, что и для магнитов постоянного тока, однако при допущении, что магнитная система не насыщена и зависимости Y = f(i)– линейны

    При параллельном включении катушки электромагнита уменьшение воздушного зазора сопровождается уменьшением м.д.с. при условии постоянства потокосцепления. В этом случае изменение магнитной энергии определяется площадью треугольника Оbс:

    Общее выражение для силы тяги

    Учтем, что , где GS – суммарная магнитная проницаемость всех воздушных зазоров; w – число витков катушки.

    Тогда сила тяги в джоулях на сантиметр и килограммах соответственно

    и . Если выразить магнитный поток через напряжение сети: , то для силы тяги запишем

    Источник

    Adblock
    detector