МАГНИТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Кривая устанавливает однозначную зависимость между намагничивающим током (I причиной) и создаваемым им магнитным потоком (следствием). Она называется магнитной или вебер-амперной характеристикой данной магнитной цепи и определяется расчетом или экспериментально. Характеристика нелинейна. Вначале Ф растет пропорционально току (линейная часть характеристики).

После насыщения ферромагнитного сердечника (точка А) даже значительное увеличение (I) тока дает малый прирост (Ф) потока (работа в зоне насыщения). Работа в ней обычно нерациональна.

ЗАКОНЫ МАГНИТНЫХ ЦЕПЕЙ И АНАЛОГИЯ С

ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ЦЕПЯМИ.

Подставив в формулу (4)

, и далее и , получим

, (5)

где , - магнитные сопротивления сердечника и воздушного зазора. По аналогии с электрической цепью уравнение (5) можно назвать уравнением состояния магнитной цепи. Оно показывает, что М.Д.С. расходуется на проведение магнитного потока через магнитные сопротивления и участков магнитной цепи.

Магнитные сопротивления, как и электрические, пропорциональны длинам участков, обратнопропорциональны их сечениям и зависят от материала участка. Магнитные сопротивления воздушных зазоров намного больше, чем сердечников.

Выражение, аналогичное закону Ома для электрической цепи, условно называют законом Ома для магнитной цепи.

. (6)

-магнитный поток равен М.Д.С. (F), деленной на сумму магнитных сопротивлений ( ).

Между магнитными и электрическими цепями имеется формальная аналогия для следующих велечин.

1-й – з-н Кирхгова – алгебраическая сумма потоков в узле равна нулю.

2-й – закон – сумма падений магнитных потенциалов по замкнутому контуру равна сумме М.Д.С. по этому контуру.

– составляющие магнитных

сопротивлений, принадлежащих только

сердечнику.

МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ С “~” М.Д.С.

Электромагнитные процессы.

В установившемся режиме ток намагничивающий катушки постоянного тока I=U/R, при включении этой же катушки в цепь переменного тока

,где: U – напряжение сети;

R – сопротивление проводов катушки;

X_L – индуктивное сопротивление катушки, которое формально

учитывает токоограничивающее влияние э.д.с. самоиндукции E_L,

возникающей в катушке на переменном токе. (Ток в идеальном индуктивном элементе (не имеющем сопротивления R) ограничивается возникающей в нем э.д.с. самоиндукции, значение которой определяется динамическим равновесием, возникающим в этой цепи в соответствии с причинно – следственной цепочкой , а именно: переменное напряжение (с заданной амплитудой) вызывает переменный ток с такой амплитудой, что создаваемый им переменный магнитный поток с потокосцеплением наводит в индуктивном элементе э.д.с. самоиндукции с такой амплитудой, что она точно уравнивает приложенное напряжение. Известно, что э.д.с. самоиндукции направлена так, чтобы противодействовать изменению тока ).

Из-за влияния X_L ток катушки в цепи переменного тока меньше, чем в цепи постоянного тока. Поэтому катушки, рассчитанные на включение в цепьпеременного тока, нельзя включать в цепь постоянного тока на то же напряжение (они сгорят).

Если же необходимо включить эту катушку в цепь постоянного тока, нужно снизить напряжение или включить последовательно добавочное токоограничивающее сопротивление.

Обычно на переменном токе , поэтому при изучении главных свойств магнитных цепей переменного тока можно пренебречь , т.е. перейти к рассмотрению идеальной катушки переменного тока с ферромагнитным сердечником, для которой считаем отсутствующими сопротивление проводов и поток рассеяния ( ).

МАГНИТНЫЙ ПОТОК ИДЕАЛЬНОЙ КАТУШКИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ФЕРРОМАГНИТНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ

При включении такой катушки в цепь переменного тока установившиеся процессы в ней описываются причинно-следственной цепочкой

U i ψ e_L=U (*)

Известно, что значение Э.Д.С.:

e_L= ,

где W – число витков катушки;

Ф – мгновенное значение ее магнитного потока.

Учитывая (*), можно записать:

U=e_L= ,откуда:

(**)

Т.е. поток Ф в идеальной катушке переменного тока создается током i, но характер его изменения определяется приложенным напряжением U.

Подставив в (**) значение U=U_msin wt и проинтегрировав, получим:

Ф=Ф_msin(wt-90⁰),где - амплитуда магнитного потока.

Откуда следует, что:

1. – при синусоидальном напряжении, приложенном к идеальной катушке, ее магнитный поток – синусоидален;

2. – магнитный поток Ф отстает от напряжения U по фазе на 90⁰;

3. – амплитуда магнитного потока определяется амплитудным значением приложенного напряжения.

С учетом и выражение принимает вид:

.

Это выражение связывает приложенное к идеальной катушке напряжение U с амплитудой магнитного потока Ф_m, частотой тока f и числом витковW.

МАГНИТНЫЕ ПОТЕРИ

Переменный магнитный поток приводит к нагреву магнитопровода из-за магнитных потерь в стали, которые вызываются перемагничиванием сердечника (гистерезисные потери) и вихревыми токами в сердечнике (вихревые потери).

В каждом поперечном сечении толщи магнитопровода создается переменная Э.Д.С. ( ) по линиям концентрических окружностей.

Под действием Э.Д.С. возникают по тем же окружностям вихревые переменные токи i, нагревающие сердечник.

Для снижения гистерезисных потерь применяют электротехнические стали или сплавы с узкой петлей гистерезиса.

Для уменьшения вихревых потерь сердечник набирают (шихтуют) из пластин толщиной (0,35 0,5) мм., изолированных друг от друга (лаком, папиросной бумагой и т.д.).

При этом путь для тока в каждой пластине становится уже и длиннее, что (в соответствии с , где - удельное сопротивление проводника, (Ом^*мм²)/м, - его длина, м; - площадь поперечного сечения) ведет к возрастанию сопротивления цепи, по которой идет вихревой ток, т.е. к уменьшению величины тока и потерь на нагрев.

Удельные магнитные потери в ферромагнитных материалах приводятся в каталогах в зависимости от материала, частоты тока и индукции (1…4 Вт/кг)

Итак: ферромагнитные сердечники для магнитных цепей постоянного тока могут быть сплошными, а для магнитных цепей переменного тока набираются (шихтуются) из тонких листов электротехнической стали.

ОСНОВНОЕ СВОЙСТВО МАГНИТНОГО ПОТОКА ИДЕАЛЬНОЙ КАТУШКИ С ФЕРРОМАГНИТНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ. ВЛИЯНИЕ ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА.

При увеличении воздушного зазора увеличивается магнитное сопротивление цепи, поэтому магнитный поток должен снижаться.

При включении этой катушки в цепь постоянного тока в установившемся режиме ток катушки , где - сопротивление проводов катушки, т.е. ток не зависит от зазора. Поэтому на постоянном токе с увеличением воздушного зазора магнитный поток уменьшается.

На переменном токе положение другое. При зазоре =0 будет иметь место динамическое равновесие .

Если увеличить зазор, то магнитный поток должен уменьшаться, что привело бы к уменьшению .

Но тогда нарушится равновесие и ( < ), что приведет к возрастанию тока, при котором восстановится поток, т.е. динамическое равновесие.

Итак: в идеальной катушке переменного тока значение намагничивающего тока автоматически устанавливается таким, чтобы обеспечить равновесие между приложенным напряжением и противо-э.д.с. самоиндукции.

Любое возмущение, стремящееся к нарушению этого равновесия (например, увеличение воздушного зазора), будет приводить к автоматическому изменению намагничивающего тока для восстановления этого равновесия.

В идеальной катушке переменного тока при увеличении воздушного зазора поток =const, но намагничивающий ток автоматически возрастает.

Индуктивное сопротивление идеальной катушки:

С увеличением воздушного зазора индуктивное сопротивление идеальной катушки переменного тока уменьшается.

Стремление к сохранению значения магнитного потока будем называть основным свойством магнитного потока идеальной катушки переменного тока с ферромагнитным сердечником.

Оно является частным проявлением общего закона физики: замкнутый электрический контур стремится сохранить неизменным свой магнитный поток, и лежит в основе действия трансформаторов и электрических машин переменного тока.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАГНИТНЫХ ЦЕПЕЙ

Магнитные цепи широко используются в трансформаторах и электрических машинах. Свойство катушек переменного тока изменять свое сопротивление с изменением воздушного зазора используется для:-создания индукционных датчиков перемещения. Перемещение якоря ведет к изменению тока, т.е. ток становится мерой перемещения;-создания бесконтактных датчиков перемещения машин. Катушка, размещенная на сердечнике без якоря устанавливается рядом с трассой движения какой-либо машины. Когда машина проходит мимо сердечника, ее железная масса играет роль приближающегося якоря, что ведет к снижению тока. Контролируя ток, можно установить момент приближения машины к точке контроля;-регулирования величины сварочного тока. Катушка включается последовательно со сварочным агрегатом. При большом зазоре ее сопротивление мало и сварочный ток – большой. При малом зазоре наоборот.

Способность электромагнитов притягивать близко расположенные ферромагнитные тела используется в тяговых электромагнитах. Ток, проходя по катушке неподвижного сердечника, создает поток. По сторонам воздушного зазора образуются два противоположных полюса (там, откуда выходят силовые линии – северный полюс N, куда входят – южный S). Противоположные полюса притягиваются, т.е. возникают силы, притягивающие подвижный якорь к неподвижному сердечнику.

Сила, действующая в одном зазоре:

,

- (тяговая характеристика – это зависимость тягового усилия электромагнита от величины воздушного зазора)

где - поток в зазоре, - сечение зазора.

Выпускаются электромагниты постоянного и переменного (одно- и трехфазные) токов.

Основные характеристики – общее тяговое усилие (Н), максимальный ход (мм).

ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электромагнитными называются устройства, предназначенные для создания в определенном пространстве магнитного поля с помощью обмотки, обтекаемой электрическим током.

В электромагнитах постоянного тока рабочий магнитный поток создается с помощью обмотки постоянного тока.

Действие таких электромагнитов не зависит от направления тока в обмотке, они наиболее экономичны и благодаря разнообразию конструктивных исполнений их легко приспосабливать в различных конструкциях к различным условиям работы. Поэтому они получили наибольшее распространение. Значительную часть электромагнитов “—” тока составляют электромагнитные механизмы, использующиеся в качестве привода для осуществления необходимого перемещения.

Примером подобных электромагнитов являются: тяговые электромагниты, предназначенные для совершения механической работы при перемещении их рабочих органов, электромагниты муфт сцепления и торможения и тормозные электромагниты; электромагниты, приводящие в действие контактные устройства в контакторах, пускателях, автоматических выключателях; электромагниты реле, регуляторов и других чувствительных устройств автоматики.

При всем разнообразии электромагнитов отдельные их узлы имеют общее назначение:-катушка с расположенной на ней намагничивающей обмоткой;неподвижная часть магнитопровода (сердечник);-подвижная часть магнитопровода (якорь).

Якорь отделяется от остальных частей магнитопровода рабочим и паразитным зазорами и представляет собой часть электромагнита, которая, воспринимая электромагнитное усилие, передает его соответствующим деталям приводимого в действие механизма.

В зависимости от расположения якоря относительно остальных частей электромагнита и характера воздействия на якорь со стороны магнитного потока электромагниты постоянного тока разделяются на следующие типы:

1. – электромагниты с втягивающимся якорем;

2. с внешним притягивающимся якорем;

3. с внешним поперечно движущимся якорем.

Одна из типичных конструкция 1. Характерной особенностью таких электромагнитов является то, что якорь, или как его в данном случае можно назвать, подвижный сердечник, располагается целиком или частично внутри катушки с обмоткой. В процессе срабатывания электромагнита якорь, перемещаясь поступательно, погружается в катушку. Втягивание якоря происходит как за счет магнитного потока, проходящего через торцевую поверхность якоря, так и за счет действия магнитных потоков, выходящих из его боковой поверхности.

У электромагнитов с внешним притягивающимся якорем якорь расположен снаружи по отношению к катушке. На него действует главным образом рабочий магнитный поток, проходящий от якоря к торцу шляпки сердечника. В результате этого якорь поворачивается в пределах малого угла или совершает поступательное перемещение в направлении линии индукции рабочего магнитного потока.

В случае конструкции с внешним поперечно движущимся якорем якорь также располагается снаружи катушки. Рабочий магнитный поток, действующий на якорь, проходит из его боковой поверхности к полюсным наконечникам, имеющим особую форму, определенным образом согласованную с формой боковой поверхности якоря. В результате воздействия со стороны рабочего магнитного потока якорь движется поперек магнитных линий, поворачиваясь на некоторый угол.

В каждой из трех перечисленных групп электромагнитов “—” тока в свою очередь имеется ряд конструктивных разновидностей, определяемых конструкцией магнитной цепи. Кроме того, в зависимости от способа включения обмотки электромагнита различают электромагниты с обмотками параллельного включения и с обмотками последовательного включения.

В первом случае обмотка выполняется таким образом, что ее включают на полное напряжение источника питания непосредственно или через добавочное сопротивление. Ток в цепи обмотки параллельного включения полностью или в значительной степени определяется ее параметрами.

Обмотка последовательного включения практически не влияет на величину тока той цепи, в которую она включается. Последний определяется параметрами остальных элементов цепи.

Благодаря этим особенностям некоторые характеристики электромагнитов параллельного и последовательного включений, в первую очередь их динамические характеристики оказываются, различными. И, наконец, электромагниты различаются по скорости их срабатывания.

РАБОЧИЙ ЦИКЛ ЭЛЕКТРОМАГНИТА

Работа электромагнита в электромагнитном механизме носит циклический характер. Это определяется тем, что якорь электромагнита, используемого в качестве привода, совершает поступательное или вращательное перемещение в ограниченных пределах, следовательно, необходимо обеспечивать его возврат в исходное положение.

Для рассмотрения работы электромагнита приводим следующие рисунки: зависимость положения якоря от времени и зависимость тока в обмотке электромагнита от времени.

Первым этапом рабочего цикла является процесс срабатывания электромагнита. Он начинается с момента подачи питания на обмотку электромагнита, когда якорь переходит из своего начального положения в конечное и подразделяется на период трогания и период движения.

В ПЕРИОД ТРОГАНИЯ ток в обмотке электромагнита нарастает до , обеспечивающего равенство электромагнитной силы силам, противодействующим движению. После этого якорь приходит в движение.

ВРЕМЯ ТРОГАНИЯ , в течении которого ток нарастает до тока трогания, определяется как схемой включения обмотки электромагнита и условиями ее питания, так и параметрами самого электромагнита и его нагрузки. Для одного и того же электромагнита при разной нагрузке (противодействующих движению силах) время трогания будет различно.

Характер движения зависит от соотношения движущих (электромагнитных) и противодействующих сил, а так же массы движущихся частей, трения и т.д.

В период движения при срабатывании совершается та работа, которую должен произвести электромагнит. Ток в обмотке электромагнита в процессе движения якоря, как правило, изменяется (кривая 2).

Его изменения связаны как с процессом установления тока в обмотке, который имел бы место при неподвижном якоре (кривая 1), так и возникновением противо-э.д.с., связанной с движением якоря. Период движения определяет время движения при срабатывании , которое совместно с временем трогания составляет время срабатывания.

После окончания перемещения якоря следует период включенного состояния, в течение которого система находится в покое, а обмотка остается во включенном состоянии.

В начальной стадии этого периода ток в обмотке электромагнита нарастает до установившегося значения (кривая 3), после чего, если не изменяются напряжение питания и сопротивление обмотки, ток остается неизменным.

Длительность включенного состояния зависит от требований эксплуатации электромагнита. Температура нагрева, которой достигает обмотка электромагнита в процессе включенного состояния, не должна превосходить допустимого значения.

Процесс возврата якоря в исходное состояние, так же как и срабатывание, происходит двумя ступенями. Сначала при отключении обмотки ток спадает до величины тока отпускания , при котором электромагнитная сила становится равной силе, стремящейся возвратить якорь в исходное положение. Длительность этого процесса характеризуется промежутком времени , зависящим от нагрузки, условий отключения обмотки и от задерживающего действия вихревых токов в массивных частях электромагнита и короткозамкнутых контурах, если такие имеются. Перемещение подвижных частей в исходное положение происходит в течении времени , которое зависит от ряда факторов и, в первую очередь, от величины отбрасывающих якорь усилий. Время отпускания и время движения в процессе возврата составляют время возврата .

Цикл работы электромагнита завершается периодом отключенного состояния, в течении которого обмотка электромагнита остается обесточенной и происходит ее охлаждение.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ

Наиболее общими являются динамические характеристики, которые учитывают изменение намагничивающей силы электромагнита в процессе его срабатывания за счет действия э.д.с. самоиндукции и движения, а также учитывают трение, демпфирование и инерцию подвижных частей. Для некоторых типов электромагнитов (быстродействующие приводы выключателей, электромагнитные вибраторы и т.д.) знание динамических характеристик является обязательным, так как только они характеризуют рабочий процесс такого электромагнита. Однако получение динамических характеристик сопряжено с большим объемом вычислений. Поэтому во многих случаях, особенно когда не требуется точного определения времени срабатывания, ограничиваются рассмотрением статических характеристик.

Последние получаются, если не учитывать влияния на электрическую цепь движущегося якоря электромагнита, а также не учитывать изменения потокосцепления по времени, т.е. считать, что ток в обмотке электромагнита неизменен.

Важнейшими характеристиками электромагнита с точки зрения его оценки являются следующие:

1. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА.

Представляет зависимость электромагнитной силы ( ) от положения якоря ( ) для различных постоянных значений напряжения, подведенного к обмотке, или тока в обмотке.

при

при

Она должна быть такой, чтобы в любом положении якоря электромагнитная сила была больше противодействующей.

2. НАГРУЗОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА.

Связывает значение электромагнитной силы и величину напряжения, подведенного к обмотке, или тока в ней при различных положениях якоря

для

3. УСЛОВНАЯ ПОЛЕЗНАЯ РАБОТА.

Определяется как произведение электромагнитной силы, соответствующей данному положению якоря, на величину его возможного хода

при .

Значение условной полезной работы для данного электромагнита является функцией начального положения якоря и величины тока в обмотке электромагнита.

4. ВРЕМЯ СРАБАТЫВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА.

При прочих равных условиях является функцией начальной силы, противодействующей перемещению якоря

при

5. ХАРАКТЕРИСТИКА НАГРЕВА.

Зависимость температуры нагрева обмотки электромагнита от продолжительности включенного состояния

n_обм=f(t)

6. ПОКАЗАТЕЛЬ ДОБРОТНОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТА.

Отношение веса электромагнита к величине условной полезной работы

7. ПОКАЗАТЕЛЬ ЭКОНОМИЧНОСТИ.

Отношение потребляемой обмоткой электромагнита мощности к величине условной полезной работы

Все эти характеристики позволяют установить пригодность данного электромагнита к определенным условиям его работы.

Кроме перечисленных характеристик, следует рассмотреть также некоторые из основных параметров электромагнитов.

К ним относятся:

а) МОЩНОСТЬ, ПОТРЕБЛЯЕМАЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТОМ.

Предельная мощность, потребляемая электромагнитом, может ограничиваться как величиной допустимого нагрева его обмотки, так, в некоторых случаях, и условиями питания цепи обмотки электромагнита.

Для силового электромагнита, как правило, ограничением является его нагрев за период включенного состояния. Поэтому величина допустимого нагрева и его правильный учет при проектировании являются наиболее важным фактором.

Выбор рациональной конструкции как в магнитном и механическом отношении, так и в смысле тепловых характеристик позволяет при заданных условиях получить конструкцию с минимальными габаритами и весом, а следовательно, и наименьшей стоимостью. Применение более совершенных магнитных материалов и обмоточных проводов также способствует увеличению эффективности конструкции.

В некоторых случаях электромагниты (для реле регуляторов и др.) проектируют из расчета получения максимального усилия, т.е. минимального потребления мощности при заданной полезной работе. Такие электромагниты характеризуются сравнительно небольшими электромагнитными силами и ходами и легкими подвижными частями. Нагрев их обмоток бывает обычно значительно ниже допустимого. Теоретически мощность, потребляемая электромагнитом, может быть сколь угодно снижена путем соответствующего увеличения размеров его катушки. Практически предел этому создают увеличивающаяся длина среднего витка обмотки и длина средней линии магнитной индукции, вследствие чего увеличение размеров электромагнита становится малоэффективным.

б) КОЭФФИЦИЕНТ ЗАПАСА.

В большинстве случаев намагничивающую силу трогания можно считать равной Н.С. срабатывания электромагнита.

Отношение Н.С., соответствующей установившемуся значению тока, к Н.С. срабатывания (критической Н.С.) носит название коэффициента запаса

Для получения минимального времени трогания, при определенной конструкции электромагнита, ток трогания должен составлять примерно 70% установившегося тока, т.е. .

в) КОЭФФИЦИЕНТ ВОЗВРАТА.

Отношение Н.С., при которой происходит возврат якоря в первоначальное положение, к Н.С. срабатывания называется коэффициентом возврата электромагнита.

Коэффициент возврата имеет наибольшее значение при максимальном приближении противодействующей характеристики к тяговой характеристике электромагнита. Уменьшение хода электромагнита также повышает коэффициент возврата.

ФОРСИРОВКА ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ “—” I

Форсировка электромагнита “—” тока – это значит ускорение срабатывания электромагнита.

Определяющим во времени срабатывания является время трогания. Фактически – изменение постоянной времени цепи.

СПОСОБЫ ФОРСИРОВКИ

а) Включение дополнительного резистора в цепь катушки электромагнита с одновременным увеличением питающего напряжения.

U>U_н, I_{установив.}=const, Т=L/(R+R_Д) – постоянная времени цепи уменьшается.

Уменьшается время трогания и время срабатывания.

б) Включение дополнительного сопротивления, шунтируемого дополнительным (вспомогательным) контактом электромагнита (или С).

В первый момент времени контакт шунтирует резистор и ток быстро достигает тока трогания из-за малого сопротивления обмотки. После включения электромагнита вводится дополнительное сопротивление, ограничивающее значение установившегося тока.

В момент включения емкость представляет собой малое сопротивление, фактически шунтирующее . После того, как якорь трогается, происходит дешунтирование (зарядка С).

Каким образом можно осуществить замедление Вы узнаете из л.р. №7 (при помощи короткозамкнутого витка, надеваемого на сердечник; КЗ виток – это магнитный демпфер. При включении магнитная система разомкнута, время замедления – доли секунды.

Поскольку при отключении система магнитопровода замкнута, то постоянная времени намного больше. Замедление достаточно большое (десятки секунд). Потоки направлены друг против друга.)