3.5.2. Тяговые силы в электромагнитах
Элементарная механическая работа, совершаемая тяговой силой Fэ на пути d, равна изменению магнитной энергии в воздушном зазоре dWэ. Отсюда тяговая электромагнитная сила определяется как производная электромагнитной энергии по перемещению
. (3.29)
Энергия, запасенная в магнитном поле электромагнита, равна той, которую отдал источник тока при создании магнитного поля
. (3.30)
Это полная энергия магнитного поля электромагнита с намагничивающей силой катушки Iw, которая равна сумме намагничивающей силы, приходящейся на стальные участки магнитопровода (Iw)ст и намагничивающей силы, приходящейся на рабочие воздушные зазоры (Iw). Энергия магнитного поля воздушного зазора
, (3.31)
где
. (3.32)
После интегрирования при неизменном токе в катушке
. (3.33)
Из (3.29) и (3.33) находится выражение для тяговой силы электромагнита, т.е. энергетическая формула для электромагнитной силы (Н)
. (3.34)
Для однородного магнитного поля в воздушном зазоре, которое может иметь место в условиях малых воздушных зазоров и при значительной площади полюсов, имеем
. (3.35)
Подстановка (3.35) в (3.34) приводит к формуле Максвелла для электромагнитной силы
,
где величины имеют следующие размерности I [ампер]; [генри]; [вебер]; B [тесла]. Формулы показывают: 1) электромагнитная сила зависит от магнитного потока, который, в свою очередь, определяется протекающим по обмотке током; 2) электромагнитная сила зависит от площади полюсов электромагнита.
Статическая тяговая характеристика электромагнита – зависимость электромагнитной силы от величины воздушного зазора при неизменных ампервитках. Характер зависимости определяется степенью влияния величины воздушного зазора на его магнитную проводимость и ее производную по . При изменении зазора и магнитной проводимости изменяются магнитные потоки в системе, индукция и магнитное сопротивление стали. В результате число ампервитков (Iw) приходящееся на рабочий воздушный зазор также изменяется. Поэтому характер изменения величины (Iw) и d / d входящих в (3.34) определяет вид кривой Fэ = f().
Влияние магнитного сопротивления стального магнитопровода, его увеличения в зоне насыщения, сильнее сказывается при малых, чем при больших рабочих зазорах.
В некоторых типах электромагнитов тяговая сила может развиваться не только магнитным потоком, проходящим через рабочий воздушный зазор, но и потоками рассеяния. Это относится к электромагнитам, у которых якорь и рабочий воздушный зазор располагаются внутри катушки, например электромагниты броневого типа с втягивающимся якорем. Разновидности тяговых характеристик электромагнитов показаны на рис. 3.14.
Рис. 3.14. Тяговые характеристики электромагнитов
Крутая, падающая характеристика «1» присуща электромагнитам, у которых потоки рассеяния не принимают участия в создании тяговой силы, например клапанного типа. Соленоидные электромагниты имеют характеристику с ярко выраженным максимумом, кривая «2». Электромагниты броневого типа, благодаря появлению составляющих от потоков рассеяния могут развивать большие и мало изменяющиеся силы при большом ходе якоря, кривая «3». Пологий вид характеристики имеют и другие электромагниты с рабочими воздушными зазорами, расположенными внутри катушки.