ИССЛЕДОВАНИЕ ТЯГОВОГО УСИЛИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА

Силовые электромагниты находят применение в электромагнитных приводах различных устройств. Многие из них благодаря механизации и автоматизации производственных процессов выпускаются серийно большими партиями до сотен тысяч штук в год. Конструкции электромагнитов разнообразны и могут быть классифицированы по ряду признаков, например:

· по способу действия:удерживающие – для удержания грузов или деталей, например, электромагнитные столы станков, грузоподъемные электромагниты; притягивающие – совершают механическую работу, притягивая свой якорь;

· по способу включения: с параллельной катушкой – ток в катушке определяется параметрами самого электромагнита и напряжения сети; с последовательной катушкой – ток в катушке определяется параметрами устройств (машин, аппаратов), в цепь которых включена катушка;

· по роду тока: постоянного тока, переменного тока;

· по характеру движения якоря: поворотные – якорь совершает поворот относительно некоторой фиксированной точки (опоры) или оси; прямоходовые – якорь перемещается поступательно.

Магнитные системы электромагнитов отличаются большим разнообразием форм конструктивных решений (рис.1), диапазоном развиваемых тяговых усилий и перемещений подвижных частей.

Во многих руководствах электромагниты классифицируются по конструктивным признакам: плоские или цилиндрические, то есть имеющие прямоугольное П - или Ш - или Е – образное ярмо и прямоугольный якорь или цилиндрический корпус и якорь; короткоходовые или длинноходовые в зависимости от размера перемещений якоря по отношению к высоте обмотки возбуждения; с втяжным якорем, с внешним поперечно движущимся якорем, с комбинированным якорем; со стопом (ограничителем хода якоря) или со свободным выбегом якоря (бойка) для электромагнитов ударного действия и т.п.

При прохождении тока по обмотке электромагнита возникает магнитный поток, который распространяется в пространстве по замкнутому контуру. В электромагнитах такие замкнутые контуры образуются ферромагнитными и неферромагнитными элементами их конструкций, и называются магнитными цепями. Магнитная цепь электромагнита состоит из магнитопровода и воздушных зазоров. Изменяющейся при движении якоря электромагнита зазор называется рабочим. Постоянные воздушные зазоры на пути магнитного потока являются паразитными или технологическими. Магнитный поток, замыкающийся через рабочий зазор, называется основным. Все остальные потоки, замыкающиеся вне рабочего зазора, представляют собой потоки рассеяния.

Между уравнениями, определяющими электромагнитные процессы в магнитных и электрических цепях, имеется аналогия в записи уравнений, если принять следующие соответствия:

, , , ,

где - ЭДС источника электрической энергии, а F - намагничивающая (магнитодвижущая) сила; I – электрический ток, а Ф – магнитный поток; U – электрическое напряжение, а - магнитное напряжение (падение напряжения); R –электрическое сопротивление, а - магнитное сопротивление.

В этом можно убедиться, сопоставив следующие уравнения:

для электрической цепи

, , , ;

для магнитной цепи

, , , ,

где - вектор плотности электрического тока; - вектор напряженности электрического поля; - электропроводность материала обмоточного провода; - вектор индукции магнитного поля; - вектор напряженности магнитного поля; - абсолютная магнитная проницаемость среды.

а) б) в)

Рис. 1. Разновидности конструкций магнитных систем силовых электромагнитов с втяжным якорем (а), с внешним притягивающимся якорем (б), с комбинированным якорем (в)

Аналогия в записи уравнений позволяет заменить магнитную цепь электромагнита эквивалентной схемой замещения (рис. 2) и использовать для ее расчета известный аппарат теории электрических цепей. Однако при переходе от магнитных цепей к их схемам замещения возникают существенные трудности. Они обусловлены различиями свойствами сред по отношению к электрическому току и магнитному потоку. Если электрическая цепь может быть составлена из проводников, причем окружающая среда (воздух) в обычных условиях является изолятором, то магнитная цепь состоит из отдельных участков и включает воздушные зазоры, где образуется магнитное поле рассеяния. При этом удельные электрические сопротивления проводников и изоляторов отличаются на 15 порядков и более, так например, удельное сопротивление меди , алюминия , фторопласта , гетинакса . Состояние магнитопровода сильно зависит от технического насыщения, и отличается не более, чем на 6 порядков от абсолютной магнитной проницаемости вакуума Гн/м. Так, например, для электротехнической стали марки 3421 максимальная магнитная проницаемость Гн/м, для пермаллоя марки 79 НМ соответственно 0,19 Гн/м.

При построении схем замещения магнитных цепей резистивный элемент является аналогом трубки магнитного потока. Трубкой магнитного потока называют часть пространства, ограниченную трубчатой поверхностью и совокупностью силовых линий магнитного поля. В любом сечении такой трубки, нормальном к ее оси, магнитный поток один и тот же. Если магнитная индукция в пределах сечения трубки распределена равномерно, то можно принять:

,

где S – площадь сечения трубки, и B – соответственно магнитный поток и магнитная индукция в сечении трубки.

Для участка магнитной цепи длиной , характеризующегося постоянной магнитной проницаемостью , магнитное сопротивление и магнитная проводимость рассчитываются по формулам:

, .

Учет магнитного сопротивления материала магнитопровода оказывает существенное влияние на расчет магнитной цепи. При значительных зазорах магнитная система электромагнита является ненасыщенной. Поэтому магнитным сопротивлением стали, как правило, пренебрегают. При малых зазорах магнитная система насыщается и при расчете магнитной цепи применяется графоаналитический метод.

Для определения магнитного потока требуется знание геометрии магнитной системы электромагнита, обмоточных данных и основной кривой намагничивания магнитопровода . В правильно спроектированной конструкции электромагнита магнитная индукция на участке цепи не должна быть чрезмерно большой, насыщение стали не должно превышать допустимого значения 1,2 1,3 Тл, а для пермаллоев 1,8 2,2 Тл.

При учете магнитного сопротивления стали расчет магнитной цепи удобнее вести непосредственно, определяя магнитное напряжение на участке цепи по формуле

,

где - напряженность магнитного поля, определяемая по основной кривой намагничивания и рассчитанному значению магнитной индукции В.

По найденному из расчета магнитной цепи электромагнита распределению магнитного потока на различных участках вычисляется потокосцепление обмотки.

Если неразветвленную магнитную цепь электромагнита (рис. 2) без учета потоков рассеяния привести к схеме замещения с двумя участками (рис. 3), моделирующими ферромагнитный участок и участок воздушного зазора, то при наличии в цепи намагничивающей силы обмотки и постоянства магнитной проницаемости ферромагнетика магнитный поток на основании второго закона Кирхгофа будет:

,

где - относительная магнитная проницаемость стали; - длина средней линии магнитной цепи; S – сечение магнитной цепи; - длина воздушного зазора.

Рис. 2 Рис. 3

Потокосцепление обмотки электромагнита будет:

Взаимосвязь потокосцепления и тока принято характеризовать статической индуктивностью

Индуктивность обмотки электромагнита является функцией одной переменной, аргументом которой служат длина воздушного зазора. Зависимость индуктивности обмотки электромагнита от рабочего зазора называется статической характеристикой.

Определив зависимость расчетным или экспериментальным путем, можно найти тяговое усилие электромагнита в функции от величины рабочего зазора

Характеристика , построенная при неизменном значении тока в обмотке, получила название статическая тяговая характеристика.