В поляризованных ЭМ имеются два независимых магнитных потока: поляризующий и рабочий. Поляризующий магнитный поток в большинстве случаев создается постоянным магнитом, а рабочий – обмоткой управления. На рис. 5.12 показаны две наиболее распространенные конструкции поляризованных ЭМ: с дифференциальной магнитной цепью (рис. 5.12, а) и с мостовой магнитной цепью (рис. 5.12, б).
Рассмотрим дифференциальный ЭМ. Поляризующий поток Фп, создаваемый постоянным магнитом, разветвляется на две части: Ф1 (в левом воздушном зазоре) и Ф2 (в правом):
Фп = Ф1 + Ф2. (5.19)
Якорь поляризованного ЭМ находится под действием двух электромагнитных сил, направленных в разные стороны. Результирующая сила равна разности сил, действующих в воздушных зазорах. При отсутствии рабочего потока электромагнитные силы создаются потоками Ф1и Ф2. В среднем положении якоря эти силы одинаковы, и результирующая сила равна нулю. Однако в среднем положении равновесие якоря неустойчиво. Незначительное смещение его от нейтрального положения приводит к возрастанию одного потока и уменьшению другого, что вызывает увеличение одной силы и уменьшение другой. Под действием возникшей результирующей силы якорь перемещается к одному из полюсов (например, левому).
|
|
Рабочий магнитный поток Фр, создаваемый обмоткой управления, проходит последовательно через два воздушных зазора и внешний магнитопровод. В зависимости от полярности напряжения управления рабочий поток складывается с поляризующим потоком в одном воздушном зазоре и вычитается в другом. При соответствующем направлении рабочего потока и определенном его значении электромагнитные силы, действующие на якорь, сравняются и якорь перейдет в другое положение (например, правое) и останется в нем после отключения тока.
Найдем тяговую характеристику ЭМ. Без учета магнитного сопротивления магнитопровода магнитные потоки Ф1 и Ф2 распределяются обратно пропорционально магнитным сопротивлениям Rм1, Rм2 соответствующих зазоров. Для плоскопараллельных полюсов
(5.20)
где δ 1, δ 2 – величины левого и правого зазоров соответственно; δ = δ 1 + δ 2; S – сечение рабочего воздушного зазора.
С учетом (5.19) из (5.20) получим следующие выражения:
(5.21)
Пусть направление Фр таково, что Фр и Ф1 складываются (в левом зазоре), а Фр и Ф2 вычитаются (в правом), т. е., как на рис. 5.12.. Тогда результирующие магнитные потоки в соответствующих воздушных зазорах равны
Флев = Ф1 + Фр; Фправ = Ф2 – Фр. (5.22)
|
|
Электромагнитные силы, создаваемые потоками, находим по формуле Максвелла:
(5.21)
Результирующая электромагнитная сила, действующая на якорь, равна
(5.22)
С учетом выражений (5.19), (5.21) окончательно получим
(5.23)
Первое слагаемое – электромагнитная сила, создаваемая поляризующим потоком и пропорциональная смещению якоря; второе – электромагнитная сила, создаваемая рабочим потоком и пропорциональная току обмотки управления.
Фр можно выразить через МДС, создаваемую током управления: Фр = FG p, где G p – магнитная проводимость по пути рабочего потока.Введем обозначения констант:
Тогда
Р э = Ах + ВF. (5.24)
Как видим, Р э линейно зависит от х. Выражение (5.24) представляет собой тяговую характеристику электромагнита (рис. 5.13, а).
Непрерывный или релейный режим работы ЭМ определяются согласованием его тяговых и механических характеристик. При непрерывном режиме работы механическая характеристика (а это как правило характеристика пружины) должна идти более круто, чем тяговая. Тогда равновесие якоря наступает при равенстве электромагнитной силы и силы противодействия пружины Р пр :
Р э = Р пр . (5.25)
Лучше всего, если Р пр будет изменяться по линейному закону в зависимости от перемещения якоря. Тогда и перемещение будет линейно зависеть от тока ЭМ. Как таз такой вид механической характеристики имеет пружина, усилие которой Р призменяется пропорционально ее растяжению х:
Р пр = сх,
где с – жесткость пружины.
При названных условиях из (5.24) и (5.25) получаем уравнение статической характеристики ЭМ:
Статическая характеристика показана на рис. 5.13, б. При отсутствии тока якорь находится в среднем положении (х = 0) с помощью пружины. Подача тока приводит к перемещению якоря, пропорциональному значению тока.
При отсутствии противодействующего усилияполяризованный ЭМ работает в релейном режиме. Якорь в этом режиме может занимать одно из крайних положений (х = ± х шах). При отсутствии тока управления якорь удерживается в крайнем положении силой Р пшах, которую можно определить из (5.23) при Фр = 0:
(5.26)
Для переключения якоря в другое положение необходимо подать ток такой полярности, чтобы сила Р рбыла направлена встречно Р п шах. Можно показать, что значение МДС срабатывания (см. Жадобина)
(5.27)
Одно из основных применений поляризованных ЭМ – электромагнитные реле (реле – это ЭМ + контактная система). Их так и называют – поляризованные реле.
Рассмотренный принцип действия реализован в т.н. двухпозиционных поляризованных реле. Контактная система этих реле показана на рис. 5.14, а. У двухпозиционного реле при отсутствии тока в обмотке управления якорь занимает одно из крайних положений, и поэтому всегда замкнут один из двух контактов в зависимости от предшествующего направления тока. Перемещение якоря в другое крайнее положение произойдет при подаче тока противоположного направления. При отключении обмотки контакты остаются в состоянии, соответствующем последнему срабатыванию. У трехпозиционного реле (рис. 5.14, б) имеется пружина, усилие которой превышает силу постоянного магнита, поэтому при отсутствии тока якорь под действием пружины находится в среднем положении, оба контакта разомкнуты. При подключении обмотки управления замыкается один из контактов в зависимости от направления тока.
Важное достоинство поляризованных реле – отсутствие тока в покое.
|
|
До сих пор мы рассматривали дифференциальный электромагнит (рис. 5.12, а). На рис. 5.12, б показан мостовой поляризованный ЭМ. Якорь мостового ЭМ находится под воздействием разности двух сил, одна из которых определяется суммой, а другая – разностью поляризующего и рабочего магнитных потоков. Отличие мостового ЭМ от дифференциального заключается в том, что в мостовом ЭМ пути прохождения поляризующего и рабочего магнитных потоков в большей степени разделены. Такое разделение способствует более стабильной работе постоянного магнита и повышению чувствительности ЭМ.
Отличительной особенностью поляризованных ЭМ является их более высокое быстродействие по сравнению с нейтральными. При подключении и отключении обмотки управления магнитное поле ЭМ не создается и не уничтожается полностью благодаря наличию поляризующего потока. Поэтому постоянная времени обмотки управления обычно мала. К тому же ход якоря небольшой, сам якорь выполняется легким, поэтому время срабатывания значительно меньше, чем у нейтральных ЭМ. Оно лежит в пределах 1–3 мс.