3.5.3. Основные понятия магнитных цепей. Электромагнитные устройства с притягивающимися элементами

В электротехнике используются устройства создающие и использующие магнитные поля.

Компонент электротехнического устройства, служащий для создания в его рабочем объеме магнитного поля заданной интенсивности и конфигурации называется магнитной цепью. Он обычно состоит из двух элементов.

Первый элемент магнитной цепи возбуждает (создает) магнитное поле. Обычно это либо постоянный магнит, либо катушка, по проводам которой протекает ток, создающий магнитное поле соответствующей напряженности .

Второй элемент, называемый магнитопроводом, представляет собой систему тел и сред, образующих замкнутые пути для основной части магнитного поля.

Магнитные цепи, также как и электрические, могут быть с несколькими элементами возбуждения, а магнитопровод может быть простым и сложным (разветвленным).

Напряженность магнитного поля, создаваемого током, протекающим по обмотке катушки, определяется намагничивающей силой.

Намагничивающая сила F равна произведению числа витков катушки или обмотки на величину тока

(3.86)

Напряженность магнитного поля в магнитопроводе определяется с помощью закона полного тока, поэтому для намагничивающей катушки можно записать

Если катушка намотана на однородный магнитопровод длиной ,у которого значения магнитного потока Ф, магнитной индукции B и напряженности H одни и те же вдоль линий магнитной индукции, то получается однородная магнитная цепь, в которой элемент возбуждения создает намагничивающую силу Тогда магнитный поток определяется отношением магнитодвижещей силы к какой то величине

(3.87)

Если проводить аналогии по форме дроби с законом Ома, между магнитным потоком и электрическим током, между намагничивающей силой и ЭДС, то получается, что неизвестная величина это некое магнитное сопротивление

(3.88)

В этой связи в электротехнике пользуются законом Ома для магнитной цепи

(3.89)

Величину ФR_mag=Hℓ по аналогии с электрической цепью можно назвать магнитным напряжением в магнитопроводе.

Если магнитопровод не однородный, например, в нем имеется воздушный зазор, то силовые линии, проходя через этот воздушный зазор, испытывают «большее сопротивление», что можно отразить введением дополнительного магнитного сопротивления R_magZ.

Обобщая далее, по аналогии с электрическими цепями, можно получить второй закон Кирхгофа для магнитной цепи: сумма падений магнитных напряжений по замкнутому контуру равна алгебраической сумме намагничивающих сил.

С помощью отмеченных аналогий можно рассчитывать сложные, раветвленные магнитные цепи.

Магнитное поле есть носитель энергии. Помимо случаев ее применения в электрических цепях, отмеченных ранее, приведем варианты использования в электротехнике магнитной энергии для выполнения механической работы, точнее, для механического перемещения элементов магнитопровода: втягивания сердечника в катушку, притягивания якоря в реле.

Рассмотрим простейший электромагнит, показанный на рис.3.25. Конструктивно он состоит из неподвижного П - образного сердечника, на который одета обмотка катушки, и подвижного якоря. Сердечник заканчивается двумя полюсами. Между сердечником и якорем в исходном положении имеется воздушный зазор. При протекании тока по виткам катушки создается магнитный поток (средняя магнитная линия показана пунктиром).

Рис.3.25. Прстейший электромагнит

В электромагнитных устройствах, состоящих из подвижной и неподвижной частей, магнитное поле всегда вызывает такие перемещения, в результате которых магнитное сопротивление станет минимальным. В исходном положении наибольшим магнитным сопротивлением обладают воздушные промежутки у полюсов. По этой причине магнитное поле старается уменьшить воздушный промежуток, сделав магнитную линию минимальной длины и R_magZ=0. Как следствие, электромагнит притянет якорь к П - образному сердечнику. Энергия системы уменьшится на величину, затраченную на подъем якоря. Сила, с которой притягивается якорь к сердечнику, равна

(3.90)

Следует обратить внимание на то, что сила притяжения увеличивается пропорционально квадрату магнитной индукции. А увеличение индукции приводит на участок насыщения гистерезисной кривой, требует увеличения магнитодвижущей силы, и, как следствие, увеличения габаритов электромагнита.

Изложенный принцип широко используется в электромагнитных реле контакторах и магнитных пускателях.

Рассмотрим в качестве примера электромагнитное реле с поворотным якорем. Реле показано на рис.3.26.

Рис.3.26. Электромагнитное реле

В таком реле различают две части: управляющую и исполнительную. Управляющая часть состоит из электромагнита 1, представляющего собой катушку, надетую на стальной сердечник, якоря2 и пружины 3. Исполнительная часть состоит из системы неподвижных контактов 4, подвижной контактной пластины 5, посредством которой управляющая часть реле воздействует на исполнительную, и системы подвижных контактов 6.

Когда ток в катушке электромагнита отсутствует, якорь под действием пружины удерживается в верхнем положении, при этом контакты реле разорваны. При появлении тока в катушке электромагнита якорь притягивается к сердечнику, и подвижный контакт замыкается с неподвижным. Происходит замыкание исполнительной цепи, т.е. включение того или иного устройства.

Для коммутации сильноточных цепей (десятки…сотни ампер) используют реле – контакторы или, просто, контакторы. По принципу действия они подобны реле, однако имеют специальные рабочие контакты. При коммутации сильноточных цепей обычные контакты «обгорают», покрываются окислами, что препятствует надежному соединению контактов. В контакторах подвижные рабочие контакты имеют специальное исполнение, благодаря которому они при замыкании скользят по поверхностям неподвижных контактов, что способствует механическому удалению «нагара», окислов и созданию надежного контакта.

Для дистанционного управления (пуска и остановки) электрических двигателей используют магнитные пускатели. Они представляют собой сочетание контактора и теплового реле.

Используются также соленоиды – полые катушки, которые втягивают внутрь стальной сердечник. При прохождении тока по катушке происходит втягивание сердечника внутрь катушки. Это также обусловлено тем, что магнитное поле вызывает такие перемещения подвижной части чтобы, в результате, магнитное сопротивление стало минимальным. Внутри катушки магнитная индукция максимальна, поэтому когда сердечник размещается в середине катушки магнитное сопротивление путей замыкания магнитных линий стает минимальным.

Эффект втягивания металлических сердечников внутрь катушки, при протекании по ее обмотке тока широко используется в различных устройствах. Матрицы из соленоидов используются в печатающих головках скоростных матричных принтеров. Соленоиды применяют в электромагнитных устройствах – позиционерах, которые «удерживают» в нужном положении фокусирующую систему оптических дисков. «Соленоидные» двигатели позиционируют головки накопителей информации на магнитных дисках (винчестерах). Следует иметь в виду, что катушки электромагнитных устройств должны питаться от источников тока. Кроме того, для того чтобы позиционеры нормально функционировали (с требуемой быстротой) необходимо, чтобы значения их постоянной времени L/R, были малыми. Для этого необходимо использовать катушки с минимальными размерами сердечников.

В электротехнике и электронике находят также применение различного рода электромагниты, выполняющие функции фиксации, прижимания, торможения вращающихся деталей, переключения скоростей и прочее. Такие электромагниты могут быть самофиксирующимися. Они могут содержать механический фиксатор, который при срабатывании электромагнита жестко фиксирует якорь, в результате чего он остается в притянутом состоянии после отключения рабочей обмотки. Для приведения якоря в исходное положение в специальную дополнительную обмотку сброса подают импульс сброса и фиксатор разблокируется. При наличии возвратной пружины якорь займет исходное положение.