5.3 Электромагниты

Катушка со стальным разомкнутым магнитопроводом (сердечником) образует электромагнит (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Схема простейшего электромагнита:

1 – катушка; 2 – магнитопровод; 3 – якорь

Ток I в катушке создает магнитный поток Ф магнитопровода. Этот поток замыкается через подвижную часть магнитопровода, которую называют якорем. Якорь намагничивается и притягивается к неподвижной части магнитопровода.

Если ток в катушке прерывается, якорь отпадает от магнитопровода под действием собственной тяжести или специальной возвратной пружины.

Якорь электромагнита, изображенного на рисунке 5.3, поворачивается на оси. В этом случае электромагнит называется электромагнитом клапанного типа. Существуют электромагниты прямоходовые (в которых якорь движется поступательно), со сложным движением якоря и др.

Школьный звонок и звонок телефона – это электромагнитные механизмы. Существуют электромагнитные тормоза, муфты и т.д. Точные электромагниты используют в измерительной технике. Очень сильные электромагниты применяют в физических экспериментах. Если в электромагните убрать якорь, то его можно применять для подъема ферромагнитных предметов. Такие электромагниты (их называют подъемными) работают на металлургических заводах, поднимают металлолом и др.

Важнейшей характеристикой электромагнита является сила тяги. Если зазор между сердечником и якорем невелик, то силу тяги F можно определить по формуле Максвелла:

, (5.2)

где S – площадь поперечного сечения сердечника, точнее площадь полюса, т.е. окончания сердечника, взаимодействующего с якорем;

– магнитная постоянная, равная

Если площади сечения сердечника и полюса одинаковы, то можно принять, что и тогда:

(5.3)

где В – индукция магнитного поля в сердечнике.

Если зазор между полюсами сердечника и якоря соизмерим с линейными размерами полюсов, то сила тяги электромагнита определяется по формуле

, (5.4)

где I – сила тока в обмотке электромагнита, А;

N – число витков обмотки.

Из (5.4) следует, что при малых зазорах сила тяги очень велика, но при увеличении зазора сила тяги F электромагнита резко уменьшается.

Для производственных механизмов такая зависимость силы тяги электромагнита и зазора нежелательна, и конструкторы электромагнитов применяют специальные меры для того, чтобы обеспечить постоянство силы тяги при изменении зазора.

Если обмотку электромагнита включить на переменный ток, то сила тяги также станет переменной и будет изменяться в больших пределах, а в момент, когда ток проходит через нуль и сила тяги равна нулю, якорь будет то притягиваться, то отпадать. Этот эффект используется в вибраторах.

Так как сила тяги пропорциональна квадрату тока, то частота вибрации якоря вдвое превышает частоту сети.

5.4 Контакторы

Простейшие коммутирующие аппараты (выключатели, рубильники и т.д.) обладают одним общим недостатком. Для того чтобы включить или выключить электрическую цепь, надо подойти к выключателю и дотронуться до него рукой. На расстоянии (дистанции) переключить обычный выключатель невозможно. Однако в мощных нагрузках протекают большие токи и имеются большие напряжения, что делает невозможным включение и выключение мощного электрооборудования вручную по соображениям техники безопасности. Кроме того, дистанционное автоматическое выключение необходимо в аварийных ситуациях.

Аппарат, в котором мощные электрические контакты замыкаются электромагнитом, а не вручную, называют контактором.

Схема простейшего контактора изображена на рисунке 5.4.

Рис. 5.4. Схема простейшего контактора

Если в обмотке электромагнита 1 возникнет ток I₁, якорь притянется к сердечнику, стержень 2 переместится вверх и замкнет контакты a-b. Цепь с током I₂ окажется включенной (замкнутой).

Если разорвать цепь с током I₁ электромагнита, то под действием пружины 3 подвижные контакты с – d переместятся вниз и разорвут цепь с током I₂, потребляемого нагрузкой. Включение электромагнита можно производить вручную на большом расстоянии от контактора, т.к. обмотку электромагнита и подводящие провода можно выполнить из тонкого провода (сигнальные провода).