Лабораторна робота №3 дослідження електромагнітів змінного струму

Мета роботи

Розрахувати і дослідити магнітні потоки в різних поперечних перетинах магнітопровода, а також індуктивність котушки електромагніта.

Дослідити вплив співвідношень геометричних розмірів екранованої і неекранованої ділянки магнітопровода, а також опору короткозамкненого витка на рівень пульсації електромагнітного зусилля електромагніта.

1. Теоретичні відомості

Електромагніти змінного струму широко застосовуються для забезпечення необхідних переміщень робочих органів і створення утримуючих зусиль в різного роду електромеханічних апаратах (контакторах, реле, електромагнітних муфтах та ін.).

Для забезпечення задовільної роботи електромеханічних механізмів з електромагнітом змінного струму, як правило, необхідно забезпечити такі умови, щоб миттєве мінімальне тягове зусилля електромагніта перевищувало зусилля протидіючих пружин механізму при притягнутому якорі. Однак магнітний потік, який утворює змінний струм, періодично змінюється за величиною і напрямком в результаті чого сила електромагнітного притягання полюсів електромагніта пульсує в часі від 0 до максимального значення з подвійною частотою напруги (струму) живлення електромагніта. Основним способом зменшення пульсацій тягового зусилля однофазного електромагніта змінного потоку є використання магнітних систем з розчепленням магнітного потоку в робочому повітряному проміжку на дві складові, зсунуті по фазі одна відносно другої. В таких електромагнітах зсув потоків по фазі здійснюється за допомогою спеціальних короткозамкнених екрануючих обмоток, котрі охоплюють лише частину полюса електромагніта.

Очевидно, що для розрахунку тягового зусилля електромагніта необхідно розрахувати магнітний потік в робочому повітряному проміжку (Л.Р.№2). При цьому використовуються ті ж самі підходи, що і при розрахунку кіл постійного потоку. Якщо врахувати втрати в сталі магнітопровода і магнітний опір його окремих ділянок, то можна скористатися заступною магнітною схемою, на якій кожна ділянка магнітопровода еквівалентується комплексним магнітним опором:

,

(1.1)

де – активна складова магнітного опору ділянки магнітопровода;

– реактивна складова магнітного опору ділянки магнітопровода;

l, S – відповідно, довжина і площа поперечного перетину ділянки магнітопровода;

– питомі втрати в одиниці маси сталі при індукції 1 Тл, Вт/кг;

γ – питома вага сталі, кг/м³.

Використання символічного методу для розрахунку магнітних кіл змінного потоку передбачає, що магнітний потік і намагнічувальна сила котушки змінюються за гармонічним законом, а складові комплексного магнітного опору є постійними і визначаються за амплітудним значенням магнітної індукції даної ділянки магнітопровода.

Слід зазначити, що реальний короткозамкнутий контур, який охоплює весь або частину магнітопровода, також на заступній магнітній схемі еквівалентується відповідним магнітним опором

,

(1.2)

де – відповідно, кількість витків і опір короткозамкненого контуру (переважно ).

При аналізі електромеханічних процесів електромагніта змінного потоку важливим етапом є формулювання коректних допущень, котрі в кожному конкретному випадку визначаються співвідношенням геометричних розмірів магнітної системи і параметрів котушки електромагніта, так і магнітних навантажень окремих ділянок магнітопровода. Розглянемо можливий варіант розрахунку тягового зусилля між полюсами електромагніта змінного потоку при наявності короткозамкнутого екрана, який охоплює частину полюса. Ескіз магнітної системи і її заступна схема з урахуванням магнітного опору ділянок магнітопровода, втрат в сталі і потоків розсіяння показано на рис.1.

Переважно задача полягає в тому, щоб розрахувати середнє та миттєве мінімальне значення тягового електромагнітного зусилля в робочому повітряному проміжку при притягненому положенні якоря. Для цього необхідно розрахувати магнітні потоки в екранованій і неекранованій частинах робочого повітряного проміжку, а також кут зсуву фаз між цими потоками. Враховуючи те, що магнітний потік в якорі електромагніта дорівнює сумі потоків екранованої і неекранованої частин полюса (рис.1), то спочатку необхідно визначити . Необхідно зауважити, що у випадку забезпечення режиму заданого струму котушки електромагніта (наприклад, електромагніта реле максимального струму) розрахунок нічим не відрізняється від такого для електромагніта постійного струму з урахуванням зазначених вище особливостей (використання комплексного методу). При цьому врахування магнітного опору магнітопровода і втрат в ньому, а також потоків розсіяння здійснюється в залежності від вимог точності розрахунку і впливу зазначених факторів на тягове зусилля електромагніта.

а) б)

Рис.1. Ескіз магнітної системи (а) і її заступна магнітна схема (б)

Електромагніти з обмотками напруги при відносно невеликих повітряних проміжках (при притягненому положенні якоря) працюють практично в режимі заданого потокозчеплення, тому що реактивна складова комплексного електричного опору, як правило, значно більша від активного опору обмотки. Тому магнітний потік в повітряному проміжку можна визначити з достатньою для практики точністю без врахування короткозамкненого витка (к.з. виток знято) в такій послідовності:

• визначається індуктивність котушки електромагніта без врахування магнітного опору і втрат в магнітопроводі

,

(1.3)

де – магнітні провідності повітряних проміжків і .

– питома магнітна провідність розсіяння на одиницю висоти магнітопровода;

w – кількість витків обмотки електромагніта.

• визначається струм в котушці

(1.4)

де – повний опір котушки;

R – активний опір котушки;

• амплітуда магнітного потоку в якорі електромагніта

.

(1.5)

При цьому вважається, що поле розсіяння є плоскопаралельним і при рівномірному розподілі витків котушки за висотою магнітопровода потік у функції висоти описується рівнянням:

.

(1.6)

Без врахування магнітного опору сталі й індуктивного опору екрана, виходячи з векторної діаграми екранованої ділянки магнітопровода (рис.2), кут зсуву фаз між і дорівнює:

,

(1.7)

де – відповідно, активний опір екрана, площа і повітряний проміжок частини магнітопровода, охопленої екраном.

При відомому потоці і геометричних розмірах магнітопровода (рис.1) потоки і визначаються з колової діаграми і кривих намагнічування і як показано на рис.3.

Залежності і без врахування магнітного опору магнітопровода лінійні і визначаються за формулами:

; ;

(1.8)

; ,

(1.9)

де – геометричні розміри магнітопровода (рис.1, 2).

а) б)

Рис.2. Геометричні розміри магнітопровода й екрана (а) та векторна діаграма магнітних потоків

Рис.3. До визначення і

В реальних магнітних системах для забезпечення мінімального рівня пульсацій тягового зусилля екран охоплює приблизно 2/3 полюса, а повітряний проміжок при притягненому положенні якоря забезпечується мінімальним (поверхні полюсів шліфуються). Тому магнітний потік "витісняється" з екранованої частини в неекрановану і тим самим призводить до насичення цієї ділянки магнітопровода. При цьому магнітні потоки і несинусоїдні, на що необхідно звернути увагу при виконанні лабораторної роботи. В цьому випадку для одержання більш правильних результатів залежність (1.8) необхідно розрахувати з врахуванням магнітного опору (див. рис.1).

.

(1.10)

За визначеними потоками і розраховують

• середні значення тягових зусиль в екранованій і неекранованій частинах магнітопровода

(1.11)

(1.12)

• сумарне середнє значення тягових зусиль

  (1.13)

• амплітуду змінної складової Р_mзм сумарного тягового зусилля

  Рmзм

  (1.14)

• мінімальне тягове зусилля

Рmзм, Н.

(1.15)

Окремі складові миттєвих значень перших гармонік магнітних потоків і складових тягових зусиль показано на рис.4.

Рис.4. Миттєві значення потоків й електромагнітних зусиль між полюсами