7.3 Електромагніти
Електромагніт (ЕМ) є найбільш поширеним перетворювачем електричного сигналу в механічний рух. ЕМ отримали застосування в якості приводних або керуючих пристроїв у ряді механізмів, електричних апаратів і реле, наприклад в підйомних і гальмівних пристроях, приводах для включення і виключення комутаційних апаратів, електромагнітних контакторах, автоматичних регуляторах, приводах для включення і відключення механічних, пневматичних, гідравлічних ланцюгів , а також для зчеплення і розчеплення обертових валів, відкривання і закривання клапанів, вентилів, заслінок, золотників на невелику відстань до декількох міліметрів із зусиллям у кілька десятків ньютонів.
За призначенням розрізняють електромагніти:
утримуючі, які служать для фіксації положення феромагнітних тіл (наприклад, електромагніти, призначені для підйому предметів з феромагнітного матеріалу, електромагнітні плити для фіксації деталей на металообробних верстатах, електромагнітні верстати); ці ЕМ не здійснюють роботи, від них вимагається лише певна сила, на яку вони розраховуються;
приводні, які служать для переміщень виконавчих пристроїв (наприклад, клапанів, золотників, заслінок, залізничних стрілок), а також використовуються в контакторах, електромагнітних муфтах та ін.; ці ЕМ здійснюють певну роботу і тому розраховуються на певну силу і переміщення;
спеціальні, які використовуються в прискорювачах елементарних частинок, медичної апаратури та ін.
За родом струму в обмотці розрізняють ЕМ постійного і змінного струмів. ЕМ постійного струму ділять на нейтральні, що не реагують на полярність керуючого сигналу, і поляризовані, що реагують на полярність сигналу (коли на якір діють два незалежних один від одного потоку).
За конструктивним виконанням розрізняють наступні типи ЕМ.
Клапанні – електромагніти із зовнішнім якорем, що притягує (рис. 7.1, а ... г), при цьому магнітні системи можуть мати різну форму:
П-подібний магнітопровід і сердечник круглого перетину;
П-подібний магнітопровід і плоский якір-ярмо;
Ш-подібний магнітопровід і сердечник круглого перетину;
циліндричний магнітопровід.
У
клапанних ЕМ відбувається невелике
переміщення якоря (кілька міліметрів),
завдяки чому вони розвивають великі
зусилля і мають високу чутливість.
а ... г - клапанні; д, е – прямо ходові; ж, з - з поперечним рухом якоря;
1 - сердечник; 2 - якір; 3 - полюсний наконечник; 4 - котушка; 5 – ярмо 6 - напрямна трубка; 7 - пружина; δН - початковий повітряний зазор
Рисунок 7.1 – Нейтральні електромагніти різних конструкцій
Прямо ходові – електромагніти з поступальним рухом якоря. Використовуються вони, як правило, у вигляді соленоїдів і тому часто називаються соленоїдних ЕМ (рис. 7.1, д, е). Прямо ходові ЕМ мають великий хід якоря, менші, ніж клапанні, розміри і більшу швидкодію, однак чутливість у них менше.
За своїм призначенням прямо ходові ЕМ виконуються у двох варіантах:
з нерухомим сердечником-«стопом» (див. рис. 7.1, д, е);
без сердечника з наскрізним отвором по осі котушки - так звані довго ходові електромагніти (див. рис. 7.1. е,).
ЕМ з нерухомим сердечником створює велике зусилля, значення якого зростає в міру наближення якоря до сердечника. Довго ходові системи дозволяють отримати відносно великий хід якоря (до 200 мм) за рахунок подовження котушки. Ці ЕМ застосовуються в установках, що працюють в режимі короткочасного навантаження, тобто коли струм, що проходить через котушку, має велике значення, але не викликає її перегріву.
З поперечним рухом – у цих електромагнітах якір рухається в поперечному напрямку до середньої лінії між полюсами. Практичне використання отримали наступні форми магнітних систем:
з виступаючим якорем (рис. 7.1, ж) - застосовується при кутах повороту якоря 25 ... 40°;
з витяжним якорем (рис. 7.1, з) - застосовують при кутах повороту якоря 10 ... 15 °.
Електромагніти дозволяють отримати тягову характеристику будь-якої форми (зростаючу, спадають з будь-яким кутом нахилу), що забезпечується відповідним вибором профілю якоря.
У цих системах якір підвішується на пружині, а робочий кут повороту якоря вибирається таким, щоб він не займав крайніх положень проти полюсів.
Розглянуті системи з рухається у поперечному напрямку якорем, що рухається у поперечному напрямку, застосовуються в автоматичних регуляторах, коли потрібно отримати велике значення коефіцієнта повернення. Крім того, їх зручно використовувати в пристроях, що працюють на постійному струмі (при змінному струмі можуть виникнути вібрації якоря, у той час як зазор між полюсами і якорем повинен бути постійним).
ЕМ складається з магнітопроводу і власне котушки.
Магнітопровід. У ЕМ постійного струму магнітопровід виконується суцільним з смугового або круглого матеріалу - технічно чистого заліза марок Е, ЕА, і ЕАА. Високочутливі електромагніти мають магнітопровід з железонікелевих і железонікелькобальтових сплавів, це пермаллої марок 79НМ, 79НМА і гайпернікі марок 50НП, 45Н, 45НП. Широке застосування в магнітопроводах швидкодіючих ЕМ знайшли леговані кремнієм сталі марок Е11, Е21 і т.д. Легування електротехнічних сталей кремнієм обумовлює значне підвищення електроопору. При цьому зменшуються втрати енергії на вихрові струми, що дозволяє застосовувати сталь в більш потужних пристроях, що працюють на змінному струмі.
Магнітопроводи ЕМ змінного струму виконують шихтованими, тобто збирають з пластин, штампованих з листового матеріалу товщиною 0,3 ... 0,5 мм. Матеріалами можуть бути: горячо- і холоднокатана електротехнічна сталь марок Е11 ... Е43, Е1100, Е310 і др.
У деяких випадках магнітопроводи ЕМ постійного струму також роблять шихтованими для усунення вихрових струмів, що виникають у процесі включення і виключення. Іноді в цілях економії невеликі ЕМ змінного струму виготовляють з суцільного матеріалу товщиною 2 ... 3 мм.
Котушка. За своєю конструкцією котушки бувають каркасними і безкаркасними, а за формою - круглого і прямокутного перерізу. Каркасна котушка складається з каркаса і обмотки. На одному каркасі може бути кілька обмоток, покладених рядами. Безкаркасна котушка простіше каркасною. Відсутність каркаса дозволяє повністю використовувати намотувальне вікно.
Принципова відмінність поляризованих електромагнітів (ПЕМ) від нейтральних полягає в існуванні залежності між напрямком переміщення якоря та полярністю керуючої напруги Up, що прикладається до робочої обмотки. Ця залежність досягається за допомогою двох магнітних потоків: робочого Фр, створюваного постійною напругою, полярність якої може змінюватися, і поляризуючого Фп, утвореного постійним магнітом або електромагнітом постійного струму з незмінною полярністю живлячої напруги (рис. 7.2).
Підвищена швидкодія ПЕМ (кілька мілісекунд), в порівнянні з нейтральними ЕМ, досягається не тільки конструктивними прийомами (шіхтованним магнітопроводом, невеликими ходом і масою якоря, малої постійної часу обмотки), але й пов'язані безпосередньо з його принципом дії: при спрацьовуванні і відпуску потік в магнітопроводі НЕ виникає і не зникає, а перерозподіляється або змінює своє значення. Ще одна особливість ПЕМ, яка зумовлена наявністю постійного магніту, полягає в можливості різних фіксованих положень якоря при знеструмленій робочій обмотці.
Розрізняють три основні конструктивні схеми магнітопроводів ПЕМ: послідовну, паралельну (диференційну) і мостову.
Схема ПЕМ з послідовним магнітним ланцюгом, в якій робочий потік Фр, створюваний струмом робочої обмотки, і поляризуючий потік Фп постійного магніту замикаються в загальному простому нерозгалуженому магнітопроводі 1, як показано на рис. 7.2, а разом з його схемою заміщення (у схемі заміщення передбачається, що магнітнй ланцюг не насичений). При зустрічної дії потоків Фр і Фп якір 2 відтягнутий пружиною 3. Зміна полярності робочої напруги викликає притискання якоря до сердечника.
На рис. 7.2, б представлена одна з принципових схем ПЕМ з диференціальним (паралельним) магнітним ланцюгом і відповідною схемою заміщення. Тут поляризуючий потік Фп розгалужується на два потоку Фпδ1 і Фпδ2, що проходять по сердечникам. Один з них при даній полярності робочої напруги діє з потоком Фр згідно, а інший - зустрічно.
а
- з нерозгалуженим магнітопроводом; б
- з диференціальним магнітним ланцюгом;
в
- з мостовим магнітопроводом;
1 - магнітопровід; 2 - якір; 3 - пружина; 4 - полюсні наконечники,
5 - вісь; 6 - постійний магніт
Рисунок 7.2 – Конструктивні та еквівалентні електричні схеми поляризованих електромагнітів
Якір притягається до лівого або правого полюсу в залежності від того, в якому з зазорів δ1 або δ2 робочий і поляризуючий потоки сумуються.
Тягове зусилля визначається різницею сил тяжіння в зазорах δ1 і δ2 (звідки і назва – диференціальний ПЕМ). При зміні полярності робочої напруги Uр якір перекидається до протилежного полюса.
Одна з конструктивних схем ПЕМ з мостовим магнітопроводом і відповідна схема заміщення зображені на рис. 7.2, в. Робочий потік Фр, що проходить по С-образному магнітопроводу 1, розгалужується на два потоки Фр1 і Фр2, а поляризуючий потік Фп постійного магніту 6 - на два потоки Фп1 і Фп2.
При даній полярності робочої напруги Up потоки Фп1 і Фр2 в зазорі δ1 і Фр1 і Фп2 в зазорі δ3 підсумовуються, а Фп1 і Фр1 в зазорі δ2 і Фп2 і Фр2 в δ4 віднімаються, внаслідок чого постійний магніт 6 з полюсними наконечниками 4 повертається на деякий кут проти годинникової стрілки навколо осі 5. Зміна полярності робочої напруги викликає поворот магніту з полюсними наконечниками у зворотному напрямку.
Основні недоліки ПЕМ з послідовним магнітним ланцюгом - це, по-перше, мала магнітна проникність магнітотвердого матеріалу постійного магніту, через що знижується чутливість ПЕМ і потрібна підвищена МДС робочої обмотки, а по-друге, вплив розмагнічування робочої МДС на постійний магніт , що несприятливо позначається на стабільності намагніченості останнього і збільшує розміри ПЕМ.