Основные части электромагнитов постоянного тока

Нейтральные электромагниты постоянного тока обладают наиболее благоприятными характеристиками и наиболее экономичны. Благодаря большому количеству возможных конструктивных исполнений эти электромагниты легко приспосабливать к различным условиям работы и различным конструкциям устройств, в которых они используются. Поэтому они получили наибольшее распространение.

При всем разнообразии встречающихся на практике таких электромагнитов они имеют следующие основные части одинакового назначения (рис. 2.1 — 2.3):

Ø катушку с расположенной на ней намагничивающей обмоткой 1;

Ø неподвижную часть магнитопровода из ферромагнитного материала 2;

Ø подвижную часть магнитопровода — якорь 3.

Якорь отделяется от остальных частей магнитопровода рабочим и паразитным зазорами и представляет собой часть электромагнита, которая, воспринимая электромаг-нитное 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 рзделяются на следующие типы:

¨ электромагниты со втягивающимся якорем;

¨ электромагниты с внешним притягивающимся якорем;

¨ электромагниты с внешним поперечно движущимся якорем.

Одна из типичных конструкций электромагнита с втягивающимся якорем показана на рисунок 10.1. Характерной особенностью таких электромагнитов

является то, что якорь или,

Рисунок 10.1. Электромагнит с втягивающимся якорем.

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 торцовую поверхность якоря, так и за счет действия магнитных потоков, выходящих из его боковой поверхности. На рисунок 10.2 изображена одна из разновидностей электромагнитов с внешним

Рисунок 10.2. Электромагнит с внешним притягивающимся якорем. а - внешний вид реле с электромагнитом с притягивающимся якорем;

б - разрез электромагнита. притягивающимся якорем.

У этих электромагнитов 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.

Конструкция электромагнита с внешним поперечно движущимся якорем показана на рис. 10.3.

Рисунок 10.3. Электромагнит с внешним поперечно движужимся якорем.

Якорь в подобных электромагнитах располагается снаружи катушки. Рабочий магнитный поток, действующий на якорь, проходит из его боковой поверхности к полюсным наконечникам, имеющим особую форму, определенным об- разом согласованную с формой боковой поверхности якоря. В результате воздействия со стороны рабочего магнитного потока якорь движется поперек магнитных линий, поворачиваясь на некоторый ограниченный угол.

В каждой из трех перечисленных групп электромагнитов потоянного тока в свою очередь имеется ряд конструктивных разновидностей, определяемых конструкцией магнитной цепи. Кроме того, в зависимости от способа включения обмотки электромагнита различают:

¨ электромагниты с оботками параллельного включения;

¨ электромагниты с обмотками поледовательного включения.

В первом случае обмотка выолняется таким образом, что ее включают на полное наряжение источника питания непосредственно или через неоторое добавочное сопротивление. Ток в цепи обмотки параллельного включения полностью или, во всяком случае в значительной степени определяется ее параметрами. Обмотка последовательного включения практически не влияет на величину тока той цепи, куда она включается. Последний определяется параметрами остальных элементов этой цепи. Благодаря этим особенностям некоторые характеристики электромагнитов параллельного и последовательного включения и в первую очередь их динамические характеристики оказываются различными.

б) Основные части электромагнитов переменного тока.

Характеристики и конструкция таких электромагнитов имеют коренные отличия по сравнению с электромагнитами постоянного тока,

Магнитный поток, создаваемый обмоткой, по которой проходит переменный ток, периодически меняется по величине и направлению (переменный магнитный поток), в результате чего сила электромагнитного притяжения пульсирует от нуля до максимума с удвоен- ной частотой по отношению к частоте питающего тока'.

Однако для тяговых электромагнитов снижение электромагнитной силы ниже определенного уровня недопустимо, так как приводит к вибрации якоря, а в отдельных случаях — к прямому нарушению нормальной работы.

Поэтому в тяговых электромагнитах, работающих при переменном магнитном потоке, приходится прибегать к специальным мерам для уменьшения глубины пульсации силы.

Основным способом уменьшения пульсации суммарной силы, действующей на якорь электромагнита с переменным магнитным потоком, является применение магнитных систем с расщепленными путями магнитного по- тока, по каждому из которых проходят переменные магнитные потоки, сдвинутые по фазе относительно друг друга.

Пpи всем разнообразии встречающихся на практике тяговых электромагнитов они состоят из следующих основных частей одинакового назначения (рис. 10-4).

1 - катушка с расположенной на ней намагничиваю- щей обмоткой (может быть несколько катушек и несколько обмоток);

2 - неподвижная часть магнитопровода, выполняемого из ферромагнитного материала (основание и сердечник);

3 - подвижная часть магнитопровода (якорь).

а) б) в)

Рисунок 10.4: а) эскиз электромагнита с внешним б) эскиз электромагнита с притягивающимся якорем. в) втягивающимся частично якорем

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

Количество и форма воздушных промежутков, отделяющих подвижную часть магнитопровода от неподвижной, зависят от конструкции электромагнита. Воздушные промежутки, в которых возникает полезная сила, называются рабочими; воздушные промежутки, в которых не возникает усилие в направлении возможного перемещения якоря, являются паразитными.

Поверхности подвижной или неподвижной части магнитопровода, ограничивающие рабочий воздушный промежуток, называют полюсами.

В зависимости от расположения якоря относительно остальных частей электромагнита различают электромагниты

¨ с внешним притягивающимся якорем (рисунок 10.5 а),

¨ электромагниты с втягивающимся якорем (рисунок 10.4 б)

¨ электромагниты с поперечно движущимся якорем.

Последняя система в электромагнитах переменного тока практически не применяется. Зато во многих случаях применяются конструкции с якорем, имеющим черты как втягивающегося, так и внешнего притягивающегося (рисунок 10.4 в)

Формы конструктивного выполнения электромагнитов переменного тока ограничены из-за необходимости выполнять их магнитопроводы шихтованными из тонких листов электротехнической стали. Последнее диктуется стремлением свести к минимуму потери на вихревые токи. С этой же целью, а также для уменьшения потерь на гистерезис приходится применять специальные технологические приемы при изготовлении электромагнитов, что в свою очередь также сказывается на их конструкции.

Электромагниты различают также по ряду других признаков:

v по способу включения обмоток — с параллельными и последовательными обмотками;

v по характеру работы — работающие в длительном, прерывистом и кратковременном режимах;

v по скорости действия — быстродействующие и замедленного действия и т. д.

Магнитные материалы и их характеристики. Применение в электромагнитах.

Для изготовления магнитопроводов электромагнитов применяют- ся магнитно-мягкие материалы. Они характеризуются высокой проницаемостью в слабых и средних полях и низкой коэрцитивной силой. Для них, как впрочем и для всех ферромагнитных материалов, характерным является зависимость намагниченности от температуры и наличие определенной температуры (точка Кюри) в пределах твердого состояния, при которой материал становится немагнитным.

а) Характеристика магнитного состояния. Для ферромагнитных материалов связь между магнитной индукцией и напряженностью поля не является однозначной. Она зависит от предыдущего магнитного со стояния и определяется точка- ми, находящимися внутри предельной петли магнитного гистерезиса (рисунок 10.5).

Рисунок 10.5 - Петли магнитного гистерезиса

Если в первоначально размагниченном образце увеличивать напряженность по- ля, то индукции будет возрастать по кривой первоначального намагничивания (кривая 1, рисунок 10.5). При циклическом изменении напряженности поля между равными по величине положительными и отрицательными значениями Н индукция будет следовать так называемым симметричным или основным петля магнитного гистерезиса, конфигуация которых для данного - материала определяется пределами изменения напряженности поля.

Кривая, идущая от начала координат и соединяющая вершины основных петель, Рисунок 10.5. Петли магнитного гисерезиса ферромагнитного материала называется основной или коммутационной - кривой намагничивания (кривая 2 рисунок 10.5).

В электромагнитах, работающих при переменном магнитном потоке, происходит непрерывное циклическое перемагничивание. Поэтому магнитное состояние их магнитопровода определяет именно ком- мутационная кривая намагничивания, причем небезразлично, каким образом эта кривая снята: коммутационным методом на постоянном токе или на переменном. При расчетах тех или иных магнитов следует пользоваться данными, полученными для магнитов постоянного или переменного тока.

В тех случаях, когда напряженность поля, имея постоянную составляющую, меняется в небольших пределах, изменение индукции происходит по малому ч частному циклу - гистерезиса. В этом случае связь между индукцией и напряженностью поля может быть приближенно выражена через среднюю проницаемость в частном цикле:

μ_Δ= где ΔΒ и ΔΗ - приращения индукции и напряженности, определяю- щие частный цикл. Ее величина в каждой точке нормальной кривой меньше проницаемости μ, и зависит от величины смещающего поля и величины ΔΗ. Предел, к которому стремится μ_Δ при уменьшении ΔΗ до нуля, называется обратимой проницаемостью μ_Δ.

Также у материалов для магнитов на переменном токе учитываются еще

б)Потери на перемагничивание. При перемагничивании (изменении магнитного состояния) образца из ферромагнитного материала затрачивается определенная энергия, выделяющаяся в виде тепла. Энергия, выделяющаяся за один цикл перемагничивания, характеризуется площадью, заключенной внутри соответствующей петли маг- нитного гистерезиса.

в) Потери от вихревых то- ков и общие потери. При переменном магнитном поле в ферромагнетике кроме потерь, связанных с гистерезисом, возни- кают также потери из-за вихре- вых токов. Эти токи появляются под действием э. д. с., на- водимой переменным магнитным потоком в ферромагне- тике. Для снижения потерь от вихревых токов магнитопровод приходится делать шихтованным, т. е. выполнять из набора тонких пластин, изолированных в электрическом отношении друг от друга. Если пластины тонкие, то можно считать, что магнитный поток по их толщи- не распределен равномерно, а контуры вихревых токов имеют стороны, параллельные сторонам по- перечного сечения пластины. Магнитные материалы, применяемые в электрома- гнитах. При изготовлении магнитопроводов электромагнитов постоянного и переменного тока находят применение низкоуглеродистые электротехнические стали, кремнистые электротехнические стали, качественные конструкционные стали с содержанием углерода до 0,2 — 0,25%, стальное литье, чугуны, специальные железоникелевые и железокобальтовые стали. Для магнитопроводов электромагнитов высокочувствительных электромагнитных устройств применяются железоникелевые сплавы, обладающие очень малой коэрцитивной силой (0,01 — 0,1 а/см) и чрезвычайно высокой проницаемостью в слабых полях ( доходит до 300000). Недостатком этих сплавов являются сравнительно низкая ин- дукции насыщения (7000 — 10000 гс) и большая чувстви- тельность к механическим воздействиям. Появляющийся в этом случае наклеп приводит к сильному ухудшению магнитных свойств. Низкоуглеродитые электротехнические стали (ма- рок Э, А и т. п.), содержащие углерод в количестве до 0,04% и выпускаемые в виде листов и прутков, наиболее часто применяются для изготовления маломощных электромагнитов. Они имеют незначительную коэрцитивную силу (0,3 — 1,2 а/см) при высокой проницаемости ( оходит до 6000) и индукции насыщения до 21400 гс. Благодаря этому можно допускать значительно большие значения индукции, чем при применении железоникелевых сплавов, что существенно в электромагнитах на большие рабочие усилия.

При отсутствии жестких требований к значениям Н_с и , например в силовых электромагнитах, электромагнитах многих коммутационных аппаратов и реле управления, для изготовления магнитопроводов применяют качественные конструкционные стали (марок 0; 1; 2 и тонко листовые 0,5; 0,8; 10; 15 и 20), имеющие при соответствующей термической обработке коэрцитивную силу от 0,7 до 3,5 а/см и максимальную проницаемость 2000— 4000.

В некоторых случаях, особенно для больших электромагнитов, из технологических соображений части магнитопроводов выполняются из стального литья и чугуна, обладающих сравнительно низкими магнитными свойствами. При обычном изготовлении стальные и чугунные отливки не подвергаются дополнительной термической обработке, однако отжиг может значительно улучшить их магнитные свойства. Кремнистые стали (марок Э11, Э21 и др.) применяют для изготовления магнитопроводов быстродействующих электромагнитов постоянного тока. Обладая высокими магнитными свойствами (Н_с =0,2 — О,7 а/см =5000 — 10000 и В_S=19200 — 21000 гс) они имеют в не- сколько раз меньшую электропроводность, что приводит к снижению вихревых токов и, следовательно, уменьшает их влияние на скорость срабатывания электромагнита. Они также широко применяются в электромагнитах переменного тока.

С точки зрения снижения габаритов и веса электромагнитов, что особенно существенно для многих случаев их специального применения, большой интерес представляют сплавы железа с кобальтом (типа пермендюр) вследствие их большой индукции насыщения (В_S =23600 гс) при до- статочно низкой коэрцитивной силе (1,2 — 1,6 а/см) и вы- сокой проницаемости ( достигает 4500).

Для изготовления магнитопроводов электромагнитов, работаю- щих при переменном магнитном потоке, применяют почти исключи- тельно кремнистые электротехнические стали. Им присущи малые потери на гистерезис благодаря незначительной - коэрцитивной силе и низкие потери на вихревые токи благодаря повы- шенному удельному электрическому сопротивлению. Для снижения потерь на вихревые токи магнитопроводы изготовляются в виде тон- ких листов толщиной от 0,1 до 1 м и.

Химический состав и свойства этих сталей нормируются ГОСТ 802-54, который включает 28 марок. Основное различие между ними, определяющее их свойства, заключается в содержании кремния и ха- рактере механической обработки (прокатки) в процессе производства листов.

Увеличение содержания кремния приводит к повышению магнит- ной проницаемости в слабых и средних полях, снижению потерь и коэрцитивной силы. Однако при этом повышается твердость и хруп- кость материала, что затрудняет изготовление из него деталей.

Железноникелевые стали, обладающие весьма высокой начальной и максимальной проницаемостью, малыми потерями и низкими значениями коэрцитивной силы, для электромагнитов применяются только в исключительных случаях, когда требуется особо высокая чувствительность. Вообще же из-за низкой индукции насыщения их использование в электромагнитах, как правило, нецелесообразно.