10.2 Основные характеристики электромагнитов. Сравнение электромагнитов постоянного и переменного тока.
Основными характеристиками для большинства электромагнитов являются следующие:
Форма тяговой характеристики, опреде- ляющая пригодность тягового электромагнита для ра- боты в данном устройстве.
Сила, создаваемая электромагнитом на протяжении всего хода якоря, должна быть больше приведенного зна- чения нагрузки. Последняя вычисляется с учетом всех препятствующих перемещению якоря сил и кинематики устройства. Для электромагнитов переменного тока это особенно существенно, так как если не соблюдено усло- вие превышения силы электромагнита, то не только якорь не достигает своего конечного положения, но и обмотка может перегреться и выйти из строя.
Вес (объем) электромагнита всегда желательно иметь минимальным. Однако нельзя рассматривать вес в отрыве от других характеристик и, в первую очередь, от той работы, которую должен производить электромаг- нит. Очевидно, что чем на большую работу рассчитан электромагнит, тем больше будет его вес. Поэтому срав- нение разных систем можно производить лишь по рабо- тоспособности, отнесенной к весу, или по величине со- здаваемой электромагнитом тяговой силы, также отнесенной к весу.
Потребляемая мощность. Предельная мощность, потребляемая электромагнитом может ограничиваться как величиной допустимого нагрева его обмотки, так, в некоторых случаях, и условиями пита ния цепи обмотки электромагнита. Для силовых электромагнитов, как правило, ограничением является его нагрев за период включенного состояния. Дальнейшее сопоставление конструк- тивных вариантов может производиться по потреб- ляемой энергии, стоимости и т. д.
Полученные соот- ношения, характеризующие электромагниты переменного тока, позволяют сопоставить их с электромагнитами по- стоянного тока. Такое сопоставление даст возможность определить целесообразные области применения каждой из этих разновидностей. В частности, оно необходимо для разумного вывода в том, когда выгоднее применять электромагниты переменного тока, работающие при переменном магнитном потоке, и когда электромагниты с встроенными выпрямителями.
Сила тяги. При заданной площади сечения полю- сов, образующих рабочий воздушный зазор, средняя ве- личина силы в электромагните переменного тока будет вдвое меньше, чем сила в электромагните постоянного тока. Это относится в равной степени как к однофазным, так и многофазным системам. Иными словами, исполь- зование железа в электромагните переменного тока по крайней мере в 2 раза хуже, чем в электромагните по- стоянного тока.
Вес. При заданных силе тяги и ходе якоря электро- магнит переменного тока получается значительно боль- шего веса, чем электромагнит постоянного тока, так как необходимо взять по крайней мере вдвое больше стали и существенно увеличить объем меди из-за того, что тре- буется иметь определенную величину кажущейся мощ- ности.
Необходимый минимум, реактивной мощности. Потребляемая электромагнитом перемен- ного тока в момент его включения реактивная мощность однозначно связана с величиной механической работы, которую требуется получить от этого электромагнита, и не может быть снижена путем увеличения его размеров. В электромагнитах постоянного тока такой связи нет, и, если не касаться вопроса о скорости действия, потреб- ляемая мощность может быть уменьшена соответствую- щим увеличением размеров.
Влияние вихревых токов. Из-за необходимо- сти предотвратить возникновение чрезмерных потерь от вихревых токов магнитопроводы электромагнитов пере- менного тока приходится выполнять шихтованными или разрезными, в то время как на постоянном токе это тре- буется лишь для быстродействующих электромагнитов.
Такое исполнение магнитопровода приводит к ухуд- шению заполнения объема сталью, а также предопреде- ляет призматическую форму частей магнитопровода. По- следнее вызывает увеличение длины среднего витка обмотки и приводит к некоторым конструктивным и тех- нологическим недостаткам.
Потери на вихревые токи, а также на перемагничи- вание увеличивают потребление энергии электромагни- том и его нагрев. В электромагнитах постоянного тока все перечисленные выше ограничения отпадают.
Быстродействие. Электромагниты переменного тока принципиально более быстродействующие, чем электромагниты постоянного тока обычной конструкции. Это объясняется тем, что электромагнитная постоянная времени обмотки у них обычно соизмерима с величиной одного периода переменного тока, а э. д. с. самоиндук- ции, возникающая при движении якоря, значительно ни- же приложенного напряжения.
В электромагнитах постоянного тока время срабаты- вания может быть уменьшено путем специальных мер, сводящихся к снижению отношения напряжения само индукции к приложенному напряжению, уменьшению вихревых токов и т. д. Все это в конечном счете приво- дит к увеличению потребления электроэнергии, однако, как правило, при одинаковой, производимой работе и равных временах срабатывания электромагнит постоян- ного тока обычно имеет меньшее потребление энергии, чем электромагнит переменного тока.
Область применения. В обычных стационар- ных промышленных установках, питающихся от сети пе- ременного тока (частотой 50 гц) достаточной мощности, многие из приведенных выше отрицательных моментов не являются препятствием для применения электромаг- нитов переменного тока.
Большое потребление реактивной мощности в начале хода существенно не отразится на других потребителях. Если в конце хода якоря электромагнита воздушные за- зоры незначительны, потребляемая реактивная мощ- ность при притянутом якоре будет невелика. Нагрев та- кого электромагнита приближается к нагреву соизмери- мого трансформатора при холостом ходе.
В некоторых случаях нельзя достигнуть оптимума одновременно по ряду критериев. Так, например, из-за большой разницы в стоимости стали и обмоточной меди легкая малогабаритная конструкция получается более дорогостоящей, чем тяжелая. Поэтому в зависимости от назначения электромагнита тому или другому критерию отдается предпочтение.
Основные типы электромагнитов переменного тока.
Необходимость выполнять магнитопроводы шихтоваными ограничивает их конфигурацию - отдельные участки магнитопровода представляют собой, как правило, прямоугольные параллепипеды. Аналогичную форму приобретает и сам электромагнит. Однако конструктивное оформление применяемых на практике электромагнитов переменного тока весьма разнообразно. Оно определяется требованиями, вытекающими из специфики применения электромагнита в том, или ином устройстве, технологическими, экономическими и другими соображениями.
В зависимости от характера движения якоря электромагниты распадаются на две большие группы:
с вращательным перемещением
с поступательным перемещением
Наибольшее применение получили электромагниты с поступательным перемещением якоря (так называемые прямоходовые электромагниты).
Как правило, применяются электромагниты, рассчитанные на однофазное питание. В отдельных случаях применяют трехфазные электромагниты.
Рисунок 10.6. Электромагнит с непосредственным притяжением якоря к стопу (эскиз).
Электромагнит с непосредственным притяжением якоря к стопу. На рисунке 10.6 показан короткоходовой электромаг- нит, в котором сила определяется в основном непосред- ственным притяжением прямого якоря, имеющего фор- му параллелепипеда, к выступающей части магнитопро- вода — стопу.
Магнитопровод набран из листовой электротехниче- ской стали и стянут с помощью пластин из латуни и за- клепок. Пластины одновременно являются направляю- щими для якоря квадратного сечения, также набранно- го из листовой стали. Заклепки расположены по углам магнитопровода, чтобы по возможности не образовывать замкнутого контура, пронизываемого переменным пото- ком. С этой же целью заклепки якоря располагаются вдоль его оси. Для получения хорошего прилегания тор- цов якоря и стопа в притянутом положении соприкаса- ющиеся поверхности шлифуются. Также обрабатываются боковые поверхности якоря, чтобы он мог беспре- пятственно перемещаться в направляющих. Чтобы пла- стины, образующие стоп, прилегали друг к другу доста- точно плотно, они сжимаются с помощью специальных клиньев, располагаемых в зазоре между стоном и карка- сом катушки.