Электромагниты

Магнит – это источник магнитного поля чаще всего в виде намагниченного ферромагнетика.

Электромагнит – это ферромагнитный сердечник из магнитомягкого материала с обмоткой, обтекаемой током.

Электромагниты широко применяются в различных электромагнитных механизмах, действия которых происходит вследствие притяжения подвижной части устройства (якоря) к неподвижной части (сердечнику) магнитопровода.

В системах автоматики электоромагниты применяются в качестве чувствительных, промежуточных и исполнительных элементов.

По роду тока в обмотке различают электромагниты постоянного и переменного тока.

Электромагниты постоянного тока, в свою очередь, подразделяются на нейтральные, которые не реагируют на полярность входного сигнала, и поляризованные, у которых направление перемещения якоря определяется полярностью управляющего сигнала.

Нейтральные электромагниты (эм)

Классификация

Любой нейтральный электромагнит по конструктивному исполнению (способу действия) может быть отнесен к одной из пяти групп:

1. ЭМ клапанного типа;

2. ЭМ с втягивающимся якорем (ЭМ соленоидного типа, прямоходовой ЭМ, втяжной ЭМ);

3. ЭМ с поперечно движущемся якорем;

4. электромагнитные пропорциональные управляющие элементы (балансные электромагнитные системы, электромагнитные исполнительные устройства);

5. ЭМ с поворотным якорем.

При выборе ЭМ следует иметь в виду, что большим усилием и хорошей чувствительностью обладают ЭМ клапанного типа, большие ход якоря и быстродействие у втяжных ЭМ, тяговую характеристику любой формы обеспечивают ЭМ с поперечно-движущимися и поворотным якорями при соответствующем выборе профиля последних.

По длине хода якоря различают короткоходовые (до 8 мм) и длинноходовые (до 150 мм) ЭМ.

По быстродействию ЭМ подразделяются на три группы в зависимости от времени срабатывания и отпускания при работе в качестве дискретного элемента:

- быстродействующие (t_срб, t_отн  50 мс);

- нормальные (t_срб, t_отн = 50-150 мс);

- замедленного действия (t_срб, t_отн > 150 мс).

По назначению ЭМ делятся на:

- приводные;

- перемещающие;

- фиксирующие;

- специальные.

По способу подсоединения обмоток различают ЭМ последовательного и параллельного включения.

Тяговая и механическая характеристики

В соответствии со 2-м законом Киргофа в любое мгновение переходного процесса при включении ЭМ

,

где U – напряжение на зажимах катушки, с числом витков  и активным сопротивлением R.

Умножив обе части этой формулы на idt, получим уравнение энергетического баланса

,

где Uidt – электрическая энергия, поступающая в обмотку за время dt; – тепловые потери в ее активном сопротивлении; idФ – энергия, затраченная на создание магнитного поля ЭМ в механическую работу движения якоря.

Отсюда после интегрирования приходим к выражению

,

где t и Ф – текущие координаты.

Известно, что ток в обмотке ЭМ, включений на постоянное напряжение, нарастает по экспоненциальному закону.

В некоторый момент он достигает значения тока трогания (1), якорь приходит в движение, в процессе которого рабочий зазор уменьшается, индуктивность обмотки растет и ток в ней падает до тех пор, пока якорь не притянется к сердечнику (3). По окончанию движения якоря ток опять начинает возрастать, достигая установившегося значения в точке 4 (см. рис.).

, , – на постоянный ток.

При условии, что магнитопровод ненасыщен, т.е. весь поток проходит через рабочий зазор, и во время движения якоря ток в обмотке ЭМ не изменяется (линейная зависимость).

Таким образом, энергия, сообщенная электрическому магниту, равна энергии, поступившей из сети, за вычетом потерь в катушке. При установившемся режиме вся энергия, поступающая из сети, расходуется на потери в катушке.

Величина запасенная в электромагните энергии на графике пропорциональна площади, ограниченной кривой (i) и осью ординат (заштрихованная площадь).

1 – в цепи без стали; 2 – в цепи со сталью

Для системы со сталью индуктивность не является постоянной величиной, а зависит от степени насыщения системы тогда - на переменном токе.

Тяговой или электромеханической характеристикой ЭМ называют зависимость Q_т() тягового усилия от длины воздушного зазора  при оговоренном характере изменений тока обмотки и противодействующих усилий во время срабатывания.

Различают статические и динамические тяговые характеристики. Статическая характеристика характеризует тяговое усилие ЭМ при фиксированном якоре. При движении якоря изменяется индуктивность системы и динамические характеристики, которые сохраняют в основном свой характер.

Статическая тяговая характеристика Q_ст – это зависимость электромагнитного усилия, действующего на неподвижный якорь от его положения, исчисляемого значением рабочего зазора при неизменной м.д.с.

Так как при I_у = const энергия, забираемая из сети для превращения в механическую, максимальна. Статическая характеристика Q_ст расположена выше динамических, ей соответствует максимальная сила электромагнитного притяжения. Для данного значения напряжения трогания U_тр статическая характеристика единственная.

Динамические тяговые характеристики, их множество, определяются механическими характеристиками ЭМ. Это характеристики противодействующих сил.

Под механической, или противодействующей, характеристикой ЭМ понимают зависимость Q_мех() результирующей силы сопротивления движения якоря, приложенной к нему и приведенной к рабочему зазору , от длины последнего.

Множество различных механических характеристик объясняется многообразием конструктивного исполнения и параметров механических элементов ЭМ.

Тяговые характеристики ЭМ Q_т() при срабатывании и отпускании должны быть согласованы с его механической характеристикой Q_м().