О применении электромагнитов постоянного тока в технике

Гурова Е.Г., доцент каф. Электротехнических комплексов Зоригт О., Немерович Е.О., Пушкарёва И.А. студенты 4 курса ФМА ФГБОУ ВПО «НГТУ» 

     Электромагниты получили настолько широкое распространение, что трудно назвать область техники, где бы они не применялись в том или ином виде: в промышленности, на производстве, в быту, на любом виде транспорта, во всех областях техники. Например, устройства техники связи - телефония, телеграфия и радио немыслимы без их применения.      Электромагниты являются неотъемле-мой частью электрических машин, многих устройств промышленной авто-матики, аппаратуры регулирования и защиты разнообразных электротех-нических установок. Электромагнитными называются устройства, предна-значенные для создания в определенном пространстве магнитного поля с помощью обмотки, обтекаемой электрическим током. В зависимости от способа создания магнитного потока и характера действующей намагни-чивающей силы электромагниты подразделяются на три группы: электро-магниты постоянного тока нейтральные, электромагниты постоянного тока поляризованные и электромагниты переменного тока. В электромагнитах постоянного тока рабочий магнитный поток создается с помощью обмотки постоянного тока. Действие таких электромагнитов не зависит от направ-ления тока в обмотке, они наиболее экономичны и благодаря разнообра-зию конструктивных исполнений их легко приспосабливать в различных конструкциях к различным условиям работы. Поэтому они получили наи-большее распространение. Тяговой характеристикой электромагнита назы-вается зависимость тягового усилия от величины воздушного зазора между якорем и сердечником (Рис. 1). 

  Рис.1 Тяговая характеристика электромагнита постоянного тока

     В зависимости от формы магнитопро-вода, рода тока, питающего катушки, а также величины магнитного зазора форма тяговой характеристики может быть различной.       Тяговая характеристика одного элек-тромагнита, показанная на рис. 1, описывается уравнением: 

,

где k – коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей электромагнита;       U– номинальное напряжение сети;       x– перемещение якоря элек-тромагнита.       Изменение параметров электромагни-та влияет на наклон характеристики, следовательно, на максимальную ве-личину усилия. Исследование конструктивных особенностей, тяговых характеристик электромагнитов постоянного тока является первоочеред-ным при проектировании любых электротехнических устройств во всех областях техники. 

Магнитными цепями с переменной МДС называются цепи, магнитный поток которых возбуждается намагничивающими обмотками, питаемыми переменным током.

На рис. 6.21, а приведена магнитная цепь некоторого электромагнитного устройства переменного тока. При подключении намагничивающей обмотки к источнику синусоидального напряжения МДС iw катушки возбуждает основной магнитный поток Ф и поток рассеяния Ф_р(см. § 6.4).

Поскольку напряжение источника изменяется, будут изменяться МДС iw, магнитные потоки Ф и Ф_σ и в обмотке будут индуктироваться ЭДС самоиндукции

е= - wdФ/dt; e_p = - wdФ_р/dt.

На основании второго закона Кирхгофа для мгновенных значений величин

(6,21)

и = - е - е_р + ir₁,

откуда

i =	u + e + ep	=	u - w dФ/dt - wdФр/dt	.
	r1		r1

Как видно, ток обмотки при синусоидальном напряжении зависит не только от напряжения и сопротивления r₁ обмотки, но также и от ЭДС е и е_р. В гл. 2 было показано, что наличие ЭДС самоиндукции приводит при переменном токе к уменьшению действующего значения тока. Очевидно, обмотки электромагнитных устройств переменного тока должны иметь меньшее сопротивление r₁ для получения заданного тока, чем обмотки аналогичных электромагнитных устройств постоянного тока, в которых ЭДС не индуктируются.

Рис. 6.21. Обмотка с ферромагнит- ным магни- топроводом (а) и упрощенное ее изображение  (б)

Если обмотку, рассчитанную на определенное действующее значение переменного напряжения, подключить к такому же по значению постоянному напряжению, то ток обмотки окажется недопустимо большим.

У большинства электромагнитных устройств с ферромагнитным магнитопроводом существуют следующие соотношения между максимальными значениями потоков и ЭДС: Ф_m >> >> Ф_рm, а поэтому и Е_m >> Е_рm; кроме того, обычно Е_m >> I_mr₁. Учитывая это, можно сделать вывод о том, что наибольшее влияние на значение тока катушки оказывает ЭДС е от основного магнитного потока Ф.

При питании обмотки переменным током от источника потребляется большая активная мощность, чем потери мощности в активном сопротивлении r₁ обмотки, равные ΔР_обм = I²r₁. Дополнительная мощность, потребляемая от источника, вызвана потерями на гистерезис ΔР_г, возникающими вследствие явления гистерезиса при изменении магнитного потока, и потерями на вихревые токи ΔР_в, вызванными вихревыми токами i_в, возникающими под действием е_в, индуктируемых в ферромагнитном материале магнитопровода вследствие изменения в нем магнитною потока (см. поперечное сечение магнитопровода на рис. 6.22, а).

Пути, по которым циркулируют вихревые токи, установить весьма затруднительно, так как они зависят от конфигурации сечения магнитопровода, распределения по сечению магнитной индукции и микроструктуры ферромагнитного материала. Для определения направления е_нможно воспользоваться правилом Ленца. Если, например, Ф > 0 и возрастает (рис. 6.22, а), то е_вбудет направлена в сторону, противоположную указанной на рисунке.

30. Реальные катушки индуктивности. Расчет магнитных цепей

Катушка индуктивности — винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. Как следствие, при протекании через катушку переменного электрического тока, наблюдается её значительная инерционность.

Применяются для подавления помех, сглаживания пульсаций, накопления энергии, ограничения переменного тока, в резонансных(колебательный контур) и частотноизбирательных цепях, в качестве элементов индуктивности искусственных линий задержки с сосредоточенными параметрами, создания магнитных полей, датчиков перемещений и так далее.