Пособие Теория электрических аппаратов

Изменение воздушного зазора между якорем и сердечником в этом случае сопровождается изменением магнитного потока, индукции B и усилия Q, вызывающего притяжения якоря и сердечника. Следовательно, магнитный поток не постоянен Ф ≠const (рис.6.7).

Рис. 6.7. Изменение магнитного потока при уменьшении зазора постоянного электромагнита

В соответствии со вторым законом Кирхгофа для электрической цепи при включении катушки будет справедливо следующие выражение:

где Ф и t – текущие координаты.

Ток в обмотке электромагнита, включенного на постоянное напряжение, нарастает по экспоненциальному закону. В некоторой точке 1

100

(рис. 6.8.) он достигает значения тока трогания i1, якорь приходит в движение, в процессе которого рабочий зазор уменьшается (точка 2), индуктивность обмотки растет, и ток в ней падает до тех пор, пока якорь не притянется к сердечнику в точке 3 (рис. 6.8.). По окончанию движения ток опять начинает возрастать, достигая установившегося значения в точке 4 (рис. 6.8.).

Рис. 6.8. Ток в обмотке электромагнита, включенного на постоянное напряжение

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 ка-

изменения тока обмотки и противодействующих усилий во время срабатывания. В соответствии с энергетическим балансом (6.10) и (6.11) электромагнитное усилие магнита постоянного тока может быть найдено как:

101

Подставив формулу (6.14) в формулу (1.13) получим выражение электромагнитного усилия, записанное через параметры магнитной системы:

ражениях (6.15) и (6.16). Поэтому при малых зазорах расчётная и экспериментальная характеристики (рис. 6.9, кривые 1 и 2) будут сильно отличаться друг от друга, поскольку при малых значениях фактическая сила тяги магнита имеет конечное значение. При больших зазорах, когда магнитный поток в магнитопроводе мал и падением магнитного потенциала в стали можно пренебречь, расчётная и экспериментальная кривые совпадают.

Статические тяговые характеристики могут изменяться за счёт применения различной формы полюсов и конструктивного исполнения маг-

102

нитной системы (рис. 6.10). Выбор магнитной системы зависит от величины хода якоря. При большом ходе (до 100 мм) применяются броневые магнитные системы 1-3. При малом ходе якоря (до 10 мм) используются клапанные магнитные системы 4 и 5. При угловом перемещении якоря используются магнитные системы с поворотным якорем 6. В системах 7 и 8 при симметричном положении якоря относительно центра катушки сила эм = 0. При выходе из данного положения система меняет знак.

103

6.3. Магнитные цепи переменного тока

При использовании переменного тока якорь электромагнита существенно влияет на величину тока. Питающий ток в данном случае зависит не только от величины активного сопротивления , но и от индуктивности и индуктивного сопротивления . При большом зазоре индуктивное сопротивление мало и величина тока значительно превосходит ток при втянутом якоре. Таким образом, ток в катушке зависит от магнитного сопротивления магнитопровода, которое изменяется при изменении величины воздушного зазора (рис. 6.11). Поскольку при переменном токе

Другой отличительной особенностью магнитных систем переменного тока является шихтованная конструкция магнитопровода, которая позволяет снизить потери на вихревые токи.

– эквивалентное сечение воздушного зазора.

104

то есть мгновенное значение силы тяги пульсирует с двойной частотой по отношению к частоте тока и напряжения, не меняя своего знака (рис. 6.12., a). Среднее значение силы тяги будет равно:

Для притяжения якоря необходимо, чтобы среднее значение силы притяжения ср было больше отрывного усилия отр. Как видно из формулы (6.20), мгновенное значение силы тяги также имеет переменную во времени составляющую, из-за которой якорь электромагнита будет дважды за период то отпадать (точка А), то притягиваться (точка В) (рис.6.12, б), т.е. вибрировать с двойной частотой. Вибрация приводит к износу магнитной системы и сопровождается гудением.

105

Для устранения вибрации электромагниты переменного тока снабжают короткозамкнутыми витками (рис. 6.13,а) из проводниковых материалов (медь, латунь), охватывающими 70 – 80% полюса электромагнита.

106

Благодаря их сдвигу во времени общая сила пульсирует много меньше

иеё минимальное значение остаётся выше, чем отрывное усилие отр, чем

иисключается вибрация якоря. Применительно к данной ситуации преобразуем формулу (6.20) и запишем выражение для нахождения мгновенной силы притяжения:

Как видно из уравнения (6.22), пульсация зависит от угла сдвига между Φ и Φ . Под пульсацией силы понимают отношение амплитудных значений переменной и постоянной составляющих:

6.4. Сравнение электромагнитов постоянного и переменного токов

Сопоставим электромагниты переменного тока, с электромагнитами постоянного тока, опираясь на информацию, полученную в предыдущих пунктах. Сопоставление электромагнитов дает возможность наиболее рационально определить их области применения.

1. Сравнение силы тяги электромагнитов постоянного и переменноготока.

Если одинаковы максимальные значения индукции в рабочих зазорах и площади полюсов электромагнитов, то максимальное значение силы тяги электромагнита постоянного тока равно силе тяги электромагнита переменного тока. Однако среднее значение силы при переменном токе равно ср = /2, отсюда средняя сила, развиваемая электромагнитом переменного тока, в 2 раза меньше силы развиваемой электромагнитом постоянного тока.

Минусом электромагнитов переменного тока также является вибрация якоря. Для уменьшения вибрации якоря применяют короткозамкнутый виток, который приводит к снижению среднего значения силы тяги. Наконечник полюса расщепляется, и на его большую часть насаживается короткозамкнутый виток из меди или алюминия.

107

Сила тяги электромагнитов постоянного и переменного тока клапанного типа изменяется обратно пропорционально квадрату зазора. В связи с этим клапанный электромагнит постоянного тока либо имеет малый рабочий ход якоря для обеспечения большей силы тяги, либо обмотка должна иметь большую магнитодвижущую силу (МДС) для создания необходимого магнитного потока при большом воздушном зазоре.

В электромагните переменного тока при одном и том же значении индукции среднее значение силы тяги в 2 раза меньше, чем в электромагните постоянного тока. Но с ростом зазора, с одной стороны растет ток в обмотке, а с другой стороны растет магнитное сопротивление рабочего зазора, следовательно, поток в рабочем зазоре падает только за счет активного падения напряжения в обмотке. Если зазор большой, то создается большая магнитодвижущая сила (МДС) обмотки, которая обеспечивает необходимый поток в рабочем зазоре. В связи с этим электромагниты переменного тока могут работать при относительно больших ходахякоря.

Тяговые характеристики электромагнита переменного тока можно значительно улучшить, если осуществлять питание его обмоток выпрямленным переменным током.

2. Сравнение электромагнитов постоянного и переменного тока по влиянию вихревых токов

Для того чтобы предотвратить возникновение чрезмерных потерь от вихревых токов, магнитопроводы электромагнитов переменного тока выполняют шихтованными или резными, в то время как на постоянном токе это требуется лишь для быстродействующих электромагнитов. Это приводит к предопределению призматической формы частей магнитопровода, а также к ухудшению заполнения объема сталью. При предопределении призматической формы частей магнитопровода происходит увеличение длины среднего витка обмотки, что приводит к некоторым конструктивным и технологическим недостаткам.

Потери на вихревые токи и перемагничивание приводят к увеличению потребления электромагнита и к его нагреву. Все перечисленные ограничения в электромагнитах постоянного тока отпадают.

3. Сравнение электромагнитов постоянного и переменного тока по весу.

Если задана сила тяги и задан ход якоря, то электромагнит переменного тока получается значительно большего веса, чем электромагнит постоянного тока. Это объясняется тем, что необходимо взять как минимум вдвое больше стали и значительно увеличить объем меди из-за того, что требуется иметь определенную величину кажущейся мощности.

4. Сравнение электромагнитов постоянного и переменного тока по необходимому минимуму реактивной мощности.

Реактивная мощность, которая потребляется электромагнитом переменного тока в момент его включения, естественно связана с величиной

108

механической работы, которую требуется получить от этого электромагнита, и не может быть снижена путем увеличения его размеров. В электромагнитах постоянного тока такая связь отсутствует и, если не касаться вопроса о скорости действия, используемая мощность может быть уменьшена соответствующим увеличением размеров.

5. Сравнение электромагнитов постоянного и переменного тока по области применения.

В обычных стационарных промышленных установках, питающихся от сети переменного тока (частотой равной 50 Гц) достаточной мощности, многие из приведенных выше негативных свойств не являются препятствием для применения электромагнитов переменного тока. Большое потребление реактивной мощности в начале хода существенно не отразиться на других потребителях. Если в конце хода якоря электромагнита воздушные зазоры незначительны, потребляемая реактивная мощность при втянутом якоре будет невелика.

6.5. Ускорение и замедление срабатывания электромагнитов

Для электромагнитов необходимы специальные меры для обеспечения требуемых временных параметров, т.е. скорость срабатывания электромагнитов должна отличаться от стандартной на 0,05 – 0,15 с. Меры могут быть направлены на применение схемных способов изменения времени срабатывания или на изменение конструкции и параметров электромагнита.

Время срабатывания можно уменьшать конструктивным способом. Чтобы уменьшить время срабатывания уменьшают вихревые токи в магнитопроводе, которые увеличивают время трогания. Для этого магнитопровод выполняют из магнитных материалов с высоким удельным электрическим сопротивлением (лучше всего выполнять магнитопровод шихтованным). Толщина листов стали при этом не должна превышать двойной глубины проникновения переменного магнитного потока.

Если уменьшить ход, а также массу якоря и связанных с ним подвижных частей, то уменьшится и время движения. Также следует учитывать трение в осях и опорах якоря, которое должно быть, по возможности, меньшим.

При определении времени трогания при включении, в электромагнитах следует учитывать увеличение времени трогания за счет действия вихревых токов. Если по каким-либо соображениям детали магнитопровода выполняются массивными, то для этого случая можно воспользоваться следующим уравнением:

где в - постоянная времени нарастания потока, с.

109