Електромагніти

Класифікація електромагнітів

Електромагніт (ЕМ) є найпоширенішим перетворювачем електричного сигналу в механічний рух. ЕМ набули застосування в якості приводних або керуючих пристроїв у ряді механізмів, електричних апаратів і реле, приводах для включення й вимикання комутаційних апаратів, електромагнітних контакторах, автоматичних регуляторах, приводах для включення й відключення механічних, пневматичних, гідравлічних ланцюгів.

У САР і АСК позиційного принципу дії досить широке поширення як виконавчі механізми одержали електромагнітні приводи, що перетворять енергію електричного струму в поступальний рух робочого органа - так звані електромагнітні виконавчі механізми (ЕМВМ).

ЕМВМ служать для перетворення електричного струму в механічне переміщення з метою впливу на регулювальний орган об'єкта керування. Вони є найпоширенішими перетворювачами електричного сигналу в механічне переміщення. ЕМВМ набули застосування в якості приводного або керуючого пристрою в ряді механізмів, електричних апаратах і реле. Наприклад, у піднімальних і гальмових електромагнітах, у приводах для включення й вимикання комутаційних апаратів, в електромагнітних контакторах, в автоматичних регуляторах, у приводах для включення й відключення механічних, пневматичних і гідравлічних ланцюгів, для зчеплення й розчіплювання обертових валів, відкривання й закривання клапанів, вентилів, заслінок, золотників на невеликі відстані до декількох міліметрів із зусиллям у кілька десятків ньютонів.

ЕМВМ здатні працювати як на постійному, так і на змінному струмі. Однак електромагніти постійного струму застосовуються набагато ширше, чим електромагніти змінного струму, оскільки при однакових розмірах вони розбудовують більше тягове зусилля, мають більш високу стабільність параметрів, конструктивно простіше й дешевше.

Характерною рисою таких пристроїв є їхня здатність працювати тільки в схемах двопозиційного (“відкрите" – “закрите”) регулювання або керування. Це пояснюється тим, що регулювальний орган (вентиль, клапан і т.д.) може перебувати тільки у двох кінцевих положеннях, що відповідають двом можливим положенням сердечника електромагніту.

Принципово можливе створення багатопозиційного (три положення й більш) ЕМВМ. Однак розв'язок цього завдання сполучене зі значними труднощами, тому широкого поширення багатопозиційні приводи не одержали.

ЕМВМ у порівнянні з электродвигунними ВМ відрізняються простотою конструкції й схем керування, меншими вагомий і розмірами й значно меншою вартістю. Завдяки відсутності редуктора вони більш надійні в експлуатації.

ЕМВМ за принципом дії розділяються на дві групи:

- розраховані на тривале обтікання котушки соленоїда електричним струмом; при подачі напруги живлення якір соленоїда втягується (при цьому, наприклад, клапан відкривається), а вертається він у вихідне положення при знятті напруги (клапан закривається). Основними недоліками при цьому є постійне споживання електроенергії й неправильні спрацьовування при зникненнях живлячого напруги.

- з короткочасним обтіканням котушок соленоїда електричним струмом; вони складаються із двох електромагнітів – тягового й засувки. Тяговий електромагніт призначений для втягування якоря соленоїда, напруга живлення на його котушку подається короткочасно. Утримання якоря в робочому стані після знеструмлення тягової котушки здійснюється механічно спеціальною засувкою. Повернення у вихідний стан здійснюється шляхом короткочасної подачі напруги на котушку електромагніту засувки, яка звільняє зворотну пружину і якір соленоїда закривається.

По призначенню ЕМВМ розрізняють на:

- утримуючі, призначені для фіксації положення феромагнітних тіл, наприклад електромагніти для підйому предметів з феромагнітних матеріалів. Вони не роблять роботи, від них потрібно лише певна сила, на яку вони розраховуються.

- приводні, які служать для переміщення виконавчих пристроїв, наприклад клапанів, золотників, заслінок. Вони використовуються також у контакторах, електромагнітних муфтах і ін. Ці електромагніти роблять певну роботу й тому розраховуються на певну силу й переміщення.

По роду струму в обмотці розрізняють електромагніти постійного й змінного струму. Електромагніти постійного струму діляться на нейтральне живлення, що не реагують на полярність напруги, і поляризоване живлення, що реагують на полярність напруги.

По конструктивному виконанню розрізняють електромагніти:

- клапанні, із зовнішнім якорем, що притягається; вони мають невелике переміщення якоря (одиниці міліметра) і розбудовують велике зусилля;

- прямоходові, з поступальним рухом якоря; вони називаються соленоїдними електромагнітами, мають великий хід якоря й мають високу швидкодію.

По призначенню розрізняють електромагніти:

· утримуючі, які служать для фіксації положення феромагнітних тіл (ЕМ, призначені для підйому предметів з феромагнітного матеріалу, ЕМ плити для фіксації деталей на металообробних верстатах, ЕМ верстати). Ці ЕМ не роблять роботи, від них потрібно лише певна сила, на яку вони розраховуються;

· приводні, які служать для переміщень виконавчих пристроїв (клапанів, золотників, заслінок, залізничних стрілок), а також використовуються в контакторах, електромагнітних муфтах і ін. Ці ЕМ роблять певну роботу й тому розраховуються на певну силу й переміщення;

· спеціальні, які використовуються в прискорювачах елементарних часток, медичній апаратурі й ін.

По конструктивному виконанню розрізняють наступні типи ЕМ:

· клапанні - із зовнішнім якорем, що притягає (рис.6.18, а...г), при цьому магнітні системи можуть мати різну форму (невелике переміщення якоря (кілька міліметрів), розбудовують більші зусилля й мають високу чутливість):

o П-подібний магнітопровід і сердечник круглого перетину;

o П-подібний магнітопровід і плоский якір-ярмо;

o Ш-подібний магнітопровід і сердечник круглого перетину;

o циліндричний магнітопровід.

· прямоходові - з поступальним рухом якоря. Використовуються вони, як правило, у вигляді соленоїдів і тому часто називаються соленоїдними ЕМ (рис. 6.18, д, е). Прямоходові ЕМ мають великий хід якоря, менші, чому клапанні, розміри й більша швидкодія, однак чутливість у них менше. По своєму призначенню прямоходові ЕМ виконуються у двох варіантах:

o з нерухливим осердям-«стоп» (рис. 6.18, д, е),

o без осердя з наскрізним отвором по віссі котушки - так звані довго ходові електромагніти (рис. 6.18, е, показаний пунктиром).

· ЕМ з нерухливим сердечником створює велике зусилля, значення якого зростає в міру наближення якоря до сердечника. Довгоходові системи дозволяють одержати щодо великий хід якоря (до 200 мм) за рахунок подовження котушки. Ці ЕМ застосовуються в установках, що працюють у режимі короткочасного навантаження, тобто коли струм, що проходить через котушку, має велике значення, але не викликає її перегріву.

· З поперечним рухом - якір рухається в поперечному напрямку до середньої лінії між полюсами. У цих системах якір підвішується на пружині, а робітник кут повороту якоря вибирається таким, щоб він не займав крайніх положень проти полюсів. Практичне використання одержали наступні форми магнітних систем:

o з виступаючим якорем (рис. 6.18, ж) - при кутах повороту якоря 25...40°;

o з якорем, що витягається (рис. 6.18, з) - при кутах повороту якоря 10...15. ° Дозволяють одержати тягову характеристику будь-якої форми (зростаюча, спадає з будь-яким кутом нахилу), що забезпечується відповідним вибору профілю якоря.

Розглянуті системи з якорем, що рухається в поперечному напрямку, застосовуються в автоматичних регуляторах, коли потрібно одержати 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).

Рис. 6.18. Нейтральні електромагніти різної конструкції: а-г – клапанні; д, е – прямоходові; ж, з – з поперечним рухом якоря; 1 – осердя; 2 – якір; 3 – полюсний наконечник; 4 – котушка; 5 – ярмо; 6 – направляюча трубка; 7 – пружина; d_н – почтаковий повятряний зазор.

ЕМ складається з магнітопроводу й властиво котушки.

Магнітопровід в ЕМ постійного струму виконується суцільним зі смугового або круглого матеріалу - технічно чистого заліза. Високочутливі ЕМ мають магнітопровід з залізонікелю і залізонікелькобальтових сплавів. Широке застосування в магнітопроводах швидкодіючих ЕМ знайшли леговані кремнієм сталі. Легування електротехнічних сталей кремнієм обумовлює значне підвищення електроопору. При цьому зменшуються втрати енергії на вихрові струми, що дозволяє застосовувати сталь у могутніших пристроях, що працюють на змінному струмі.

Магнітопроводи ЕМ змінного струму виконують шихтованими, тобто збирають із пластин, які штампуються з листового матеріалу товщиною 0,3...0,5 мм. Матеріалами можуть бути: гаряче- і холоднокатана електротехнічна сталь.

Іноді магнітопроводи ЕМ постійного струму також роблять шихтованими для усунення вихрових струмів, що виникають у процесі включення й вимикання.

Котушка. По своїй конструкції котушки бувають каркасними й безкаркасними, а за формою - круглого й прямокутного перетину. Каркасна котушка складається з каркаса й обмотки. На одному каркасі може бути кілька обмоток. Безкаркасна котушка простіше каркасної. Відсутність каркаса дозволяє повністю використовувати намотувальне вікно.

Електромагніти повинні відповідати наступним вимогам:

1. Обирана конструкція повинна відповідати довжині ходу, тяговій силі й заданій тяговій характеристиці. Для більших тягових сил і малої довжини ходу якоря використовують короткоходові (рис.6.19, а), а для невеликих тягових сил і значних ходів якоря - довгоходові ЕМ (рис.6.19, b), для більших переміщень якоря - електромагніти із замкненим циліндричним магнітопроводом і квазипостоянной тяговою силою (рис. 6.19, c).

2. Для швидкодіючих систем необхідно застосовувати електромагніти із шихтованим магнітопроводом, а для вповільнених систем - з не шихтованим магнітопроводом і поворотним якорем з масивною мідною гільзою.

3. Число циклів спрацьовування повинне бути менше припустимого.

4. Електромагніти змінного струму при однакових зроблених механічних роботах споживають електроенергії більше, ніж електромагніти постійного струму.

5. Електромагніти повинні бути зручними в експлуатації й простими в обслуговуванні.

Вибір електромагніту здійснюють по напрузі, струмі й споживаної потужності. Після вибору електромагніту розраховують його обмотки на нагрівання, уважаючи, що середня припустима температура нагрівання 85...90°З.

Рис. 6.19. Форми магнітопроводів і тягові характеристики електромагнітів: а – короткоходові; b і c – довгоходові.

Динаміка електромагніту

Під інерційністю ЕМ розуміють запізнювання переміщення якоря в порівнянні зі змінами вхідної напруги. Вона визначається відставанням зміни струму в обмотці від зміни прикладеного до неї напруги й механічною інерцією якоря й пов'язаних з ним рухливих частин.

Динамічні властивості ЕМ як елемента дискретної дії характеризуються двома тимчасовими параметрами: часом спрацьовування t_сраб і часом відпускання t_отп.

Час від подачі вхідної напруги на затискачі обмотки ЕМ до повного притягання якоря (δ = δ_К) називають часом спрацьовування t_cpaб, а час від зняття вхідної напруги до повернення якоря в початкове положення (δ = δ_Н) - часом відпускання t_отп.

Якщо ввести позначення t_тр і t^’_тр для часу рушання відповідно при спрацьовуванні (час від подачі вхідної напруги U до початку руху, рушання якоря) і відпусканні (від зняття U до початку руху якоря), можна записати:

де t_дв, t’_дв - час руху якоря відповідно від δ_Н до δ_К, і навпаки.

Значення t_cpa6 і t_ОТП звичайно рівні 0,05...0,15 із для ЕМ нормальної швидкодії.

Збільшити або зменшити t_сраб і t_отп можна конструктивними й схемними способами. Конструктивні способи збільшення й зменшення швидкодії ЕМ полягають у наступному.

Зниження t_сраб і t_oтп досягається зменшенням вихрових струмів у магнітопроводі й ходу якоря, рівного δ_Н-δ_К; вибором досить великого коефіцієнта запасу при спрацьовуванні k_зсраб=I_уст/I_сраб (чим більше K_з.сраб, тем надійніше втримується якір у притягнутому положенні); оптимізацією розмірів обмотки й іншими методами.

Збільшення t_сраб і t_отп здійснюється за допомогою електромагнітних, механічних, пневматичних і гідравлічних демпферів, що приєднуються до якоря.

Рис. 6.20. Схеми зміни часу спрацювання та відпускання ЕМ: а-е – збільшення часу спрацювання; ж-и – зменшення часу спрацювання; к-н – збільшення часу відпускання.

Електромагнітні демпфери виконують у вигляді конструктивних елементів, виготовлених з струмопровідного матеріалу й поміщених у магнітне поле (наприклад, у лічильнику електроенергії в поле постійного магніту обертовий алюмінієвий диск). Якщо потрібно одержати t_cpaб і t_отп порядку однієї або декількох секунд, то прибігають до екранування: на сердечнику розміщають мідну втулку, що охоплює весь його перетин; виникаючий при русі якоря струм екрана сповільнює наростання й спадання потоку в магнітопроводі.

На рис.6.20 показані деякі схемні способи зміни t_сраб і t_отп. Наведені схеми забезпечують стабільне зниження t_сраб нормальних по швидкодії ЕМ до декількох мс або збільшення їх t_отп до декількох с.

Електромагніти змінного струму

Тягова характеристика. Якір ЕМ притягається до сердечника при подачі в обмотку як постійного, так і змінного струму. Уважаючи потік у магнітопроводі синусоїдальним, що справедливо при синусоїдальній напрузі на затискачах обмотки із пренебрежимо малим активним опором, вираження для тягового зусилля:

де Ф_δ - магнітний потік у повітряному зазорі; S - поперечний переріз повітряного зазору; ω - кругова частота живильного струму; (Q_тmах = Ф²_mах/(2μ₀S) - амплітуда тягового зусилля, незмінного за знаком і пульсуючого з подвоєною частотою (рис.6.21).

Рис. 6.21. Магнітний потік та тягове зусилля ЕМ (а), тягові характеристики ЕМ постійного (1) та змінного (2, 3) струму (б) та схема екрану для усунення вібрації якоря.

Різною залежністю від δ пояснюється відмінність статичних тягових характеристик ЕМ - і (струмів, показаних на рис.6.21, б). Якщо тягова характеристика 1 електромагніту постійного струму круто піднімається зі зменшенням δ, то тягова характеристика 2 електромагніту, що працює на змінному струмі, більш полога через ріст індуктивності обмотки.

Способи усунення вібрації якоря. Як видне з рис.6.21, а, у деякі моменти часу тягове зусилля Q_T звертається в нуль. Якщо f = 50 Гц, то якір робить 100 коливань у секунду, що приводить до підвищеного механічного зношування й виникненню шуму.

Ефективними засобами зниження вібрації якорі є зменшення пульсації тягового зусилля за допомогою магнітних екранів (короткозамкнених витків), що охоплюють частину перетину сердечника, і використання багатофазних ЕМ.

На рис.6.21, у наведена конструкція частини магнітопроводу ЕМ з екраном і показані напрямки магнітних потоків при убуванні основного потоку Ф. Тоді відповідно до принципу Ленца потік Ф_к, створюваний струмом, наведеним в екрані (Э) правим потоком Ф_пр, буде спрямований згідно із правим потоком Ф_пр, тобто Ф₂ = Ф_пр + Ф_к і Ф₁ = Ф_лев - Ф_к, де Ф₁ Ф₂ - сумарні потоки в повітряних зазорах.

Для того щоб виключити вібрацію якоря, можна також використовувати двох- або трифазний електромагніт зі струмами в котушках, зрушеними по фазі.

Якщо з якорем зчленовані інерційні механізми, то він стає більш важчим, що запобігає вібрації. Однак чутливість ЕМ при цьому знижується.

Тягові характеристики електромагнітів постійного й змінного струму.

Основні характеристики прямоходових ЕМ – хід якоря, залежність між переміщенням якоря й тяговим зусиллям, залежність між положенням якоря (його переміщенням) і витратою електроенергії й час спрацьовування. Ці характеристики залежать від форми магнітопроводу, що полягає з ярма і якоря, розташування обмоток, що намагнічують, і роду живильного струму (змінного або постійного).

Залежно від ходу якоря (його максимального переміщення) розрізняють короткоходові (рис.6.22 а) і довгоходові (рис.2.22 b,c) електромагніти.

Рис. 6.22. Форми магнітопроводів і тягові характеристики електромагнітів: а – короткоходові; b і c – довгоходові.

Поляризовані електромагніти

Принципова відмінність поляризованих електромагнітів (ПЕМ) від нейтральних полягає в існуванні залежності між напрямком переміщення якоря й полярністю керуючої напруги U_p, що прикладається до робочої обмотки. Ця залежність досягається за допомогою двох магнітних потоків: робітника Ф_р, створюваного постійною напругою, полярність якого може змінюватися, і поляризующего Ф_п, утвореного постійним магнітом або електромагнітом постійного струму з незмінною полярністю живлячого напруги (рис.6.23).

Підвищена швидкодія ПЕМ (мс) у порівнянні з нейтральними ЕМ досягається не тільки конструктивними прийманнями (шихтованим магнітопроводом, невеликими ходом і масою якоря, малої постійної часу обмотки), але й зв'язане безпосередньо з його принципом дії: при спрацьовуванні й відпусканні потік у магнітопроводі не виникає й не зникає, а перерозподіляється або змінює своє значення. Ще одна особливість ПЕМ, обумовлена наявністю постійного магніту, полягає в можливості прийняття якорем різних фіксованих положень при знеструмленій робочій обмотці.

Розрізняють три основні конструктивні схеми магнітопроводів ПЕМ: послідовну, паралельну (диференціальну) і бруківку (рис.6.23).

Схема ПЕМ з послідовним магнітним ланцюгом, у якому робочий потік Ф_р, створюваний струмом робочої обмотки, і потік поляризації Ф_п постійного магніту замикаються в загальному простому нерозгалуженому магнітопроводі 1, показана на рис.6.23, а разом з його схемою заміщення (у схемі заміщення передбачається, що магнітний ланцюг не насичений). При зустрічній дії потоків Ф_р і Ф_п якір 2 відтягнуть пружиною 3. Зміна полярності робочої напруги викликає притягання якоря до осердя.

Рис. 6.23. Конструктивні та еквівалентні електричні схеми поляризованих ЕМ: а – нерозгалужений магнітопровод; б – з диференційним магнітним колом; в – з мостовим магнітопроводом; 1 – магнітопровод; 2 – якор; 3 – пружина; 4 – полюсні наконєчніки; 5 – вісь; 6 – постійний магніт.

Основні недоліки ПЕМ з послідовним магнітним ланцюгом - це, по-перше, мала магнітна проникність магнитотвердого матеріалу постійного магніту, через що знижується чутливість ПЕМ і потрібно підвищена МРС робочої обмотки, а по-друге, вплив, що розмагнічує робочої МРС на постійний магніт, що несприятливо позначається на стабільності намагніченості останнього й збільшує розміри ПЕМ.

Дата добавления: 2014-01-07