§ 21.3. Порядок проектного расчета электромагнита

Исходными данными для расчета электромагнита обычно являются требуемое тяговое усилие Р_э, ход (или угол поворота) якоря и на­пряжение питания U. Кроме того, в задании на проектирование указываются режим работы электромагнита и условия эксплуата­ции. Могут быть заданы требуемые быстродействие, габариты, вес, стоимость.

В результате расчета необходимо выбрать конструкцию электро-. магнита, материал магнитопровода, определить геометрические раз­меры магнитопровода и катушки, обмоточные данные.

На первом этапе проектного расчета необходимо выбрать конст­рукцию электромагнита, используя понятие конструктивного фак-

тора А. Эта величина определяется в зависимости от тягового уси­лия Р_э и хода якоря 6:

где F₃ — в Н; 8 — в см.

При А < 0 ,2 используют прямоходовый электромагнит солено­идного типа; при 1,85 < А < 16 — прямоходовый с коническим сто-пом; при 16 < А< 90 — прямоходовый с плоским стопом; при 2,6 < А < 26 — с поворотным якорем клапанного типа.

Форму электромагнита выбирают с учетом необходимой тяговой характеристики. На рис. 21.2 показаны типичные тяговые характе­ристики электромагнитов. Если необходимо иметь пологую тяговую характеристику 7, то следует применять прямоходовый электромаг­нит, если крутую 2 — клапанный электромагнит. Ш-образная фор­ма электромагнита (кривая 3) используется преимущественно в схе­мах переменного тока.

На втором этапе выбирается индукция и определяется сечение магнитопровода.

Сила притяжения якоря в основном создается магнитным пото­ком в воздушном зазоре. Поэтому при проектном расчете влияние на тяговую силу потоков рассеяния обычно не учитывается. Опти­мальный магнитный поток и индукция в рабочем воздушном зазоре может находиться в весьма широких пределах и зависит от соотно­шения между тяговым усилием и величиной хода, т. е. от конструк­тивного фактора А. На рис. 21.3 приведены зависимости индукции В_ъ от конструктивного фактора для трех конструкций электромагни­тов (с плоским стопом, с коническим стопом, клапанного типа). После выбора по этим кривым индукции В_& можно определить пло­щадь сечения полюсного наконечника. На­помним формулу (17.13), связывающую тя­говое усилие Р_э с индукцией в зазоре B_s и сечением полюсного наконечника s: F₃ = 4В_Ъ²5 • 10⁵.

При определении диаметра сердечника необходимо предварительно задаться индук­цией в стали В„ и коэффициентом рассея­ния а магнитной системы. Для мощных электромагнитов В„ принимается в преде­лах 1,2—1,4 Тл, для небольших магнитных систем реле — в пределах от 0,4 до 0,7 Тл. Коэффициент рассеяния ст= 1,5+2,5. Мень­шие значения берутся при малых ходах яко-

ря, большие — для перемещений в несколько сантиметров. Сечение сердечника определяется по формуле

На следующем этапе определяются геометрические размеры электромагнита, связанные с размещением катушки. При протека­нии по катушке с числом витков со тока 1 катушка должна создать МДС, обеспечивающую индукцию в зазоре B_s. Так как часть этой МДС теряется в паразитных зазорах и в стали магнитопровода, то следует учесть долю МДС, не участвующую в создании требуемого тягового усилия. Введем коэффициент а, представляющий собой отношение МДС, не участвующей в создании тягового усилия, к общей МДС катушки. Тогда, полагая проводимость воздушного за­зора G = s/S, определяем полную МДС катушки:

где а = 0,15-^0,75. Ее можно уточнить при расчете магнитной цепи с использованием кривых намагничивания для выбранного материала магнитопровода.

Соотношение высоты обмоточного пространства катушки h к его ширине a (t = h/a) обычно выбирается по конструктивному фак-

тору (нижняя кривая на рис. 21.3). Конкретные размеры катушки выбирают на основании условий нагрева катушки. При этом учиты­ваются режим работы, коэффициент теплоотдачи К,, способ намот­ки, влияющий на коэффициент заполнения К₃, изоляция провода, определяющая допустимую температуру т_уст. Кроме того, необходи­мо учесть и возможность снижения напряжения питания {/_ном до

^Umm(^Um_n = yU_IUM).

С учетом этих факторов ширина обмоточного пространства ка­тушки определяется по формуле

При уточненном расчете электромагнитов необходимо учиты­вать потоки рассеяния и падения МДС в нерабочих зазорах и в ста­ли. Кроме того, в электромагнитах переменного тока необходимо учитывать потери на гистерезис Р_т и на вихревые токи в магните-проводе /V

Эти потери пропорциональны частоте питания, массе магни­топровода и индукции в квадрате. Для материалов, используемых в магнитной цепи электромагнита, в справочниках приводятся удель­ные потери (в зависимости от толщины листа и частоты) на едини­цу массы.

Число витков обмотки электромагнита переменного тока

Зная размеры катушки, можно определить все размеры магни-топровода электромагнита: высоту сердечника и ярма, расстояние между ними и т. д.