Основные характеристики электромагнита

δк δн δ

Рисунок 14. Согласование характеристик электромагнита.

1. тяговая статическая характеристика Р=f(δ) при U=const или I=const. Ее вид показан на рис.14 кривая 1.

2. противодействующее усилие (нагрузка) представляет собой зависимость противодействующих сил от рабочего зазора Р_п=f(δ). На рис.14. эта зависимость представлена в виде двух вступающих в действие пружин (кривая 2).

3. время срабатывания эл.магнита - это время с момента подачи сигнала на обмотку до перехода якоря в его конечное положение. При прочих равных условиях оно является функцией начальной противодействующей силы Р_пн и заштрихованной площади Q (рис.14).

К основным параметрам эл.магнитов относят следующие.

Мощность, потребляемая эл.магнитом. Предельная мощность может ограничиваться как величиной допустимого нагрева его обмотки, так (в некоторых случаях) и условиями питания обмотки эл.магнита.

Коэффициент запаса. Отношение мдс, соответствующей установившемуся значению тока, к мдс срабатывания .

Параметр срабатывания. Это минимальное значение тока или напряжения, при котором происходит срабатывания эл.магнита (перемещение якоря от δ_н до δ_к).

Параметр отпускания (возврата). Соответственно максимальное значение тока или напряжения, при котором якорь возвращается в исходное положение. Отношение тока отпускания к току срабатывания называется коэффициентом возврата

.

Динамика работы эл.магнита постоянного тока

Общее уравнение баланса напряжений на обмотке эл.магнита при его включении на напряжение U имеет вид

Представим потокосцепление ,

где L_d – динамическое значение индуктивности

Тогда

.

В первой стадии включения (участок оа на рис.15) индуктивность L_d =L=const, так как рабочий зазор относительно велик и его магнитное сопротивление постоянно, а магнитопровод ненасыщен.

Рисунок 15. Изменение тока в обмотке при включении.

Тогда уравнение приобретает вид:

Решение при начальном условии t=0, i=0 следующее - установившееся значение тока;

- постоянная времени цепи.

Ток обмотки, при котором начинается движение якоря, называется током трогания i_тр, а время нарастания тока от нуля до i_тр – временем трогания t_тр.

Для момента трогания . Решив его относительно t_тр, получим

,

где - коэффициент запаса.

Время трогания пропорционально постоянной времени и зависит от коэффициента запаса Кз и растет с приближением Кз 1.

На участке ав происходит движение якоря, при этом ток в обмотке уменьшается.

При движении якоря, зазор δ уменьшается и его магнитная проводимость G_m и индуктивность обмотки увеличивается.

При движении якоря , поэтому i и начинают уменьшаться, поскольку сумма всех слагаемых (*) равна неизменному значению напряжению источника U. Чем больше скорость движения якоря, тем больше спад тока.

В точке «в» рис.15, соответствующий крайнему положению якоря, уменьшение тока прекращается. Далее ток меняется по закону ,

где I₀ – значение тока, соответствующее моменту достижения якорем крайнего положения;

- постоянная времени при δ=δ_к

Начало движения якоря имеет место при . При движении якоря ток вначале еще немного нарастает, а затем падает до значения . Итак, во время движения якоря, ток в обмотке значительно меньше установившегося значения I_y. Поэтому и сила тяги, развиваемая эл.магнитом в динамике, значительно меньше, чем в статике при I_y=const (рис.14, кривая 4).

Отпускание эл.магнита

При размыкании цепи обмотки эл.магнита магнитный поток в нем начинает уменьшаться из-за введения в цепь большого сопротивления дугового или тлеющего разряда между контактами. Процесс отпускания описывается уравнением

,

где R_д – сопротивление искры (дуги);

L_k – индуктивность обмотки при конечном зазоре.

Если положить, что R_д=const, то решение уравнения

где - постоянная времени.

Обычно R_д>>R. Тогда .

Так как R_д велико, то T_к очень мала. Процесс спада тока, а, следовательно, и магнитного потока протекает очень быстро. Если сердечник, на котором размещается обмотка, сплошной и имеет большое сечение, то спад магнитного потока замедляется, из-за возникающих в нем вихревых токов.

Ускорение срабатывания эл.магнитов

К

С

В большинстве случаев основную часть времени срабатывания составляет время трогания.

а) б) в)

Рисунок 16. Схемы форсировки срабатывания электромагнита.

Ускорение срабатывания достигается снижением, возникающих в переходных режимах вихревых токов в магнитопроводе, а также применением специальных схем (рис.16).

Время трогания при срабатывании можно уменьшить, если одновременно с увеличением питающего напряжения, включить в схему добавочное сопротивление R_доб (рис.16,а), обеспечивающее постоянство установившегося тока

Уменьшение времени трогания получается здесь за счет снижения постоянного времени

Недостатком является то, что это достигается пропорциональным увеличением мощности, теряемой в R_доб.

В схеме (рис.16, б) форсировка тока получается за счет того, что в первый момент после подачи напряжения U не заряженная еще емкость С создает, шунтируя R_доб, дополнительный путь для тока. Поэтому за счет тока заряда конденсатора в обмотке эл.магнита ток растет быстрее.

Емкость конденсатора, мкФ, рекомендуется брать равной ,

где L – индуктивность обмотки, Гн;

R, R_доб – ее активное и добавочное сопротивление, Ом.

Недостаток этой схемы – наличие конденсатора, емкость которого обычно значительна.

Форсировку тока можно получить шунтированием R_доб. размыкающим контактом, связанным с якорем данного эл. магнита (рис.16, в). После подачи напряжения U, малое сопротивление R способствует быстрому нарастанию тока до тока трогания i_тр. После начала движения якоря контакт размыкается и ток нарастает до меньшего установившегося значения , который должен быть достаточным для удержания якоря в притянутом положении. Недостатком схема является наличие добавочного размыкающего контакта.

Рассмотрим влияние питающего напряжения на время трогания .

Допустим, что ток трогания i_тр=const (неизменна сила противодействующей пружины).

При U=const и L=const после включения эл.магнита ток в обмотке изменяется

.

Скорость нарастания тока и при t=0 .

Таким образом, скорость нарастания тока в момент включения не зависит от активного сопротивления цепи и определяется только питающим напряжением и индуктивностью цепи.

Чем больше активное сопротивление обмотки R, тем меньше I_y, и он становится ближе к i_тр, ln возрастает.

Итак, при U=const эл.магнит будет срабатывать тем быстрее, чем меньше активное сопротивление цепи обмотки эл.магнита.

При увеличении напряжения питания U↑, величина установившегося тока I_y↑ увеличивается, ln↓ уменьшается, время трогания t_тр↓ уменьшается.

При уменьшении питающего напряжения U↓ уменьшается значение I_y↓, что ведет к увеличению ln↑ и t_тр↑. При i_тр=I_y время трогания t_тр= ∞.

Минимальное напряжение, при котором эл.магнит может сработать равно U=i_трR.

Зависимость t_тр=f(U) изображена на рис.17.

Рисунок 17. Зависимость времени трогания от напряжения питания.

Замедление срабатывания эл. магнитов.

Используют все общие факторы, приводящие к увеличению времени трогания и времени движения. Наиболее распространенным является эл.магнитное демпфирование с помощью К3 обмоток, выполненных из медной или алюминиевой гильзы, надеваемой на сердечник эл.магнита.

Вихревые токи, появляющиеся в экранирующих гильзах в момент замыкания или размыкания основной обмотки, задерживают изменения магнитного потока. При отпускании якоря достигается больший замедляющий эффект, так как при отключении обмотки переходной процесс происходит при притянутом якоре, когда индуктивность системы больше.

Устройство эл.магнита с экранирующей гильзой 6 показано на рис.18. Рабочий процесс протекает с момента прекращения питания обмотки 4 до момента отпускания якоря 3.

Рисунок 18. Замедление действия электромагнита с помощью магнитного демпфирования.

Выдержка времени определяется временем спадания потока от начального значения Ф_н, до потока отпускания Ф_отп, при котором, механическое усилие, создаваемое возвратной пружиной 1, станет равным эл.магнитному усилию притяжения якоря к сердечнику 5.

Величину этого времени можно регулировать изменением толщины немагнитной прокладки 2 (влияет на поток Ф_н) или изменяют натяжение пружины 1 (влияет на Ф_отп).

Возможны случаи, когда остаточный магнитный поток создает силу притяжения большую, чем сила развиваемая пружиной. Происходит так называемое залипание якоря, когда якорь остается в притянутом положении после отключения питающей обмотки. Для устранения залипания на торце сердечника или якоря устанавливается тонкая немагнитная прокладка, фиксирующая достаточно малый конечный зазор δ_к≠0. Зависимость выдержки времени от температуры К3 обмотки является одним из основных недостатков эл. магнитов с К3 обмоткой.

Динамика эл.магнитов переменного тока.

При включении эл.магнита под напряжением эл.магнитные процессы описываются уравнением

.

Если магнитопровод ненасыщен, то

.

Решение этого уравнения

,

где - амплитудное значение потока;

- угол сдвига фаз между током и напряжением.

При свободный апериодический поток и пики потока имеют наибольшее значение

Через время поток достигает наибольшего значения Ф=2Ф _т.

Таким образом, в эл.магните переменного тока пиковые значения потока, а, следовательно, и силы имеют место в начале включения через после включения, чем обеспечивается малое время трогания t_тр.

Если апериодическая составляющая отсутствует и пиковые значения потока появляются через

Таким образом, в эл.магните переменного тока обеспечивается быстрое трогание без применения специальных мер. Необходимо отметить, что в момент включения эл.магнита рабочий зазор велик, что вызывает согласно формуле

большой намагничивающий ток, в десятки раз больший, чем ток при притянутом положении якоря.

Следовательно, эл.магниты переменного тока обладают большим быстродействием, чем эл.магниты постоянного тока.

Поляризованные электромагниты постоянного тока характеризуется наличием двух независимых магнитных потоков поляризующего и рабочего.

Поляризующий поток Ф_п создается с помощью постоянных магнитов. Рабочий поток Ф_р создается рабочей отмоткой. При отсутствии в ней тока на якорь действует сила, создаваемая поляризующим потоком.

Действие поляризованного эл.магнита зависит как от величины, так и от направления рабочего потока, т.е. от направления тока рабочей обмотке.

Магнитные системы поляризованных эл.магнитов могут быть с последовательной (рис.19,а), параллельной (рис.19,б,в) и мостовой (рис.19, г) магнитной цепью.

В последовательной магнитной системе проходит единый поток являющийся результатом совместного действия мдс поляризующего и рабочего источников .

Пренебрегаем потоками рассеяния и насыщением стали. Тогда

.

Считаем поле в зазорах равномерным

Сила, действующая на якорь, будет равна .

При отсутствии тока в рабочей обмотке .

Зависимость P₀=f(δ) представлена на рис.19, д – кривая 1. Там же показаны возможные характеристики возрастной пружины (2, 3, 4).

Если характеристика пружины соответствует характеристике 2, то при отсутствии тока в рабочей обмотке якорь всегда будет занимать положение с максимальным (начальным) рабочим зазором δ_Н.

ж)

Рисунок 19. Магнитные системы и характеристики поляризованных электромагнитов.

Для срабатывания эл.магнита в этом случае мдс рабочей обмотки должна действовать согласно с мдс поляризующей обмотки.

При характеристики пружины, соответствующей прямой 3 будет иметь место преобладания к минимальному (конечному) зазору и якорь при отсутствии тока в рабочей обмотке всегда будет притянут к сердечнику. В этом случае эл.магнит срабатывает только при встречном действии мдс рабочей обмотки по отношению к мдс поляризующей обмотки.

Наконец, если характеристика пружины соответствует прямой 4, якорь может при отсутствии тока в рабочей обмотке занимать два положения. В зависимости от направления предыдущего действия мдс рабочей обмотки он может остаться или в положении с максимальным зазором (удерживающая сила Р_уд,н), или в притянутом положении (удерживающая сила Р_уд,к).

Наибольшее распространение, благодаря своим высоким энергетическим показателям и достаточной простоте конструкции, получили системы с параллельной магнитной цепью (рис.19,б,в).

Рассмотрим магнитную систему (рис.19,в). При отсутствии тока в рабочей обмотке на якорь действует результирующая сила

где Ф_П1 и Ф_П2 – потоки, создаваемые постоянным магнитом в рабочих зазорах δ₁ и δ₂.

Обозначим через плечо приложения эл.магнитной силы, тогда вращающий момент

,

где М₀ – удерживающий момент М_у, приживающий якорь к упору со стороны меньшего зазора.

Ф_П= Ф_П1+ Ф_П2 – суммарный магнитный поток от постоянного магнита

Подставим эти значения в уравнение моментов

,

где = Х – полуразность магнитных зазоров между якорем и полюсами, являющаяся одним из параметров эл.механических характеристик.

При якорь притягивается к полюсу 1 (влево),

- к полюсу 2 (вправо),

, М₀=0

Значение Х можно менять, изменяя положение упора, условно показанного на рис.19,б.

Когда по рабочей обмотке протекает ток

В зазоре δ₁ потоки складываются, а в δ₂ – вычитаются, поэтому такие системы называют «дифференциальными».

Зависимость М=f(F_p) изображается в виде параболы с параметром Х (рис.19, е). Она характеризует два основных параметра поляризованного эл.магнита:

- величину М_уд=М₀ (при F_p=0) – момент удерживающий якорь;

- мдс срабатывания эл.магнита F_p.cp.

Между точками «а» и «б» парабола близка к прямой. Для этой области прямые показаны на рис.19,ж с параметром .

Наиболее чувствительные поляризованные эл.магниты строятся на базе систем мостового типа (рис.19,г).

При симметричной настройке (рис.19,г – упоры расположены симметрично от линии «нейтрали») якорь может занимать только положения, соответствующие отклонениям Х и –Х. Коэффициент возврата К_в=1. При отсутствии тока в рабочей обмотке якорь может быть расположен у любого из упоров, и настройку называют двухпозиционной без преобладания.

При настройке с магнитным преобладанием (рис.19,г) якорь в обоих крайних положениях находится по одну сторону от нейтрали, и коэффициент возврата 0<Кв<1. Такая настройка называется двухпозиционной с преобладанием.

Если при отсутствии тока в обмотке якорь возвращается в среднее положение с помощью специальной пружины без предварительной затяжки, то Кв=1. Такая настройка носит название трехпозиционной.