8. Электромагниты

8.1 Конструкции электромагнитов

На электромагнитах базируется электромагнитная техника: реле, пускатели, контакторы, выключатели, подъёмные электромагниты, тормоза, муфты и т.д. Рассматривают три основные конструкции электромагнитов, которые определяются по конструкции якоря: 1) соленоидный со втягивающимся якорем; 2) клапанный; 3) с поворотным якорем.

Основные составляющие электромагнита:

1. Сердечник.

2. Обмотка.

3. Подвижный якорь.

4. Подвижный контакт.

5. Неподвижный контакт.

6. Возвратная пружина.

7. Упор (определяет начальное положение якоря).

Ф_э – магнитный поток электромагнита.

1. Соленоидный

2. Клапанный

3. Поворотный

Независимо от направления тока в обмотке тяговое усилие всегда направленно в одну сторону – в сторону уменьшения зазора между якорем и сердечником. Поэтому электромагниты называют нейтральными механизмами.

8.2 Релейные характеристики электромагнитов

Релейной называют характеристику, в которой изменение входной величины ведёт к скачкообразному изменению выходной величины.

Рассмотрим РХ контактных систем. Пусть y = f(x)

Y Y

0 X_отл X_cp X

0 X_отл Х_ср Х

Для РХ бесконтактных систем характерно изменение «Y» от Y_min до Y_max. Y=0 возможен только в идеале.

Y

Y_max соответствие

Y_min

Х

Y Y

M

Смещение релейной петли

на ось ординат

N

-X +X

Относительную ширину релейной петли характеризует К_в:

.

В релейный устройствах защиты стремятся к К_в = 1.

8.3 Тяговые и механические характеристики электромагнитов «-I»

Тяговая характеристика – зависимость от электромагнитного усилия между якорем и сердечником.

Механическая характеристика – зависимость механических сил, приведённых к зазору между якорем и сердечником, от величины этого зазора. Тяговая характеристика:

, (10)

где ; – сечение воздушного зазора, м²; δ – воздушный зазор, м; I – ток, А; W – число витков обмотки электромагнита.

Для электромагнита клапанного типа:

P_э

(IW)₂>(IW)₁

P_эmax (IW)₂

(IW)₁

δ _мин δ₀ δ

Рисунок 21 – Тяговые характеристики электромагнита на срабатывание (IW)₂ и отпускание (IW)₁:

δ₀ – начальный зазор; δ – текущий (промежуточный) зазор. δ_мин – минимальный зазор

δ→δ_мин

-I δ

Теоретически Р_э = f(δ) при δ < δ_мин уходит в бесконечность, однако реально она достигает только Р_э._maxиз-за насыщения стали сердечника при малых возд. зазорах. Из-за остаточного магнетизма в стали сердечника якорь, после снятия сигнала с обмотки сердечника, может не «отлипнуть» т.е. останется притянутым к сердечнику, поэтому минимальный зазор регулируется с помощью штифта отлипания.

Механическая характеристика:

P_м

0 δ_мин δ_о δ

Рисунок 22 – Совмещенная механическая характеристика электромагнита

Составлена из суммы характеристик возвратной пружины ВП и характеристик контактных пружин нормального открытого и нормального закрытого контактов.

Тяговая и механическая характеристика должны быть согласованы. Согласно рисунку ниже они должны пересекаться в точках 1 и 2.

Р_э

Р_м (IW)_cр

(IW)_отп

Удачное согласование

0 δ_мин δ_о

Рисунок 23 – Удачное согласование характеристик: (IW)_cр – тяговая характеристика при токе срабатывания

(IW)_отп – то же, но при токе отпускания

P _э Р_м

Неудачное согласование!!!

0 δ_мин δ₃ δ₄ δ_о

Рисунок 24 – Неудачное согласование характеристик

В точках 3 и 4 наблюдается равновесие Р_э и Р_м, поэтому якорь в точках 3 и 4 может как бы «застрять», т.е. работать неустойчиво.

Для электромагнитов с вращающимся и втягивающимся якорем в качестве тяговой выступает характеристика:

f(α), F= f(α),

где М – момент силы; α – угол поворота якоря.

1 – вращающийся якорь

2 – втягивающийся якорь

Рисунок 25 – Тяговая характеристика электромагнита с вращающимся (M) и втягивающимся якорем (F)

8.4 Особенности электромагнитов «~» тока

1. На «~» I в стали магнитопроводе создаётся потери, вызываемые вихревыми токами и гистерезисом. Для уменьшения потерь электромагнит выполняют из электротехнической стали.

Потери в стали:

Р_ст = Р_уд∙ f ^1,3 ∙В_макс∙ G_ст, (11)

где Р_уд – удельные потеримв стали данной марки и сечения,Вт; B_макс – амплитудное значение индукции, тесла; G_ст – масса магнитопровода, кг; f – частота тока

(отметить влияние петли гистерезиса на потери в стали!!!)

2. Ток в обмотке зависит главным образом от её индуктивного сопротивления, тяговой характеристики и от способа включения обмотки.

Тяговое усилие электромагнита «~» тока примерно вдвое меньше, чем у электромагнита «-» тока при одинаковых условиях включения.

Если обмотка электромагнита включается последовательно с какой-либо нагрузкой, определяющей ток обмотки, то при U = const тяговое усилие почти не зависит от величины «δ» и практически постоянно. Поэтому «δ» может быть для электромагнита «~» тока относительно большим.

Р_э=Р_{э ср}(1-cos2ωt). (12)

3. Вибрации якоря, поскольку Р_э складывается из двух составляющих: переменной и постоянной. Первая изменяется с двойной частотой и зависит от времени. Уменьшение Р_э при переходе тока через нуль вызывает вибрации, поскольку Р_э то меньше, то больше момента возвратной пружины.

Способы устранения вибрации:

1. Двухобмоточный сердечник, у которого одна обмотка подключена к индуктивности, другая – к ёмкости, в результате чего усилие Р_э не зависит от «t»

Рисунок 26 – Подключение двух обмоток на сердечник электромагнита

Создаётся сдвиг фаз токов в индуктивности и емкости во времени. Результирующий ток не равен нулю в любой момент времени.

2. Короткозамкнутый виток.

Рисунок 27 – Короткозамкнутые витки на сердечнике

Один из полюсов сердечника расщепляется и большую его часть охватывает КЗР виток.

Результат: поток «Ф» расщепляется на Ф_а и Ф_в, сдвинутые по фазе во времени и одновременно не могут быть равны нулю.