Электромагнитные устройства: назначение, виды, требования, конструкции

Назначение электромагнитных устройств

Производство, преобразование, передача, распределение или потребление электрической энергии осуществляются при помощи электротехнических устройств. Из всего их многообразия выделим электромагнитные устройства, работа которых основана на явлении электромагнитной индукции, сопровождающемся возникновением магнитных потоков.

К статическим электромагнитным устройствам относят дроссели, магнитные усилители, трансформаторы, реле, пускатели, контакторы и другие устройства. К вращающимся — электродвигатели и генераторы, электромагнитные муфты.

Совокупность ферромагнитных деталей электромагнитных устройств, предназначенных для проведения основной части магнитного потока, называется магнитной системой электромагнитного устройства. Особой конструктивной единицей такой системы является магнитопровод. Магнитные потоки, проходящие через магнитопроводы, могут частично замыкаться по немагнитной среде, образуя магнитные потоки рассеяния.

Магнитные потоки, проходящие через магнитопровод, могут создаваться при помощи постоянных или переменных электрических токов, протекающих в одной или более индуктивных катушках. Такая катушка представляет собой элемент электрической цепи, предназначенный для использования его собственной индуктивности и/или его магнитного поля.

Одна или несколько катушек образуют обмотку. Часть магнитопровода, на которой или вокруг которой расположена обмотка, называется сердечником, часть, на которой или вокруг которой обмотка не расположена, называется ярмом.

Расчет основных электрических параметров электромагнитных устройств базируется на законе полного тока и законе электромагнитной индукции. Явление взаимоиндукции используется для передачи энергии из одной электрической цепи в другую.

Требования к магнитопроводам электромагнитных устройств

Требования к магнитопроводам зависят от функционального назначения электромагнитных устройств, в которых они используются.

В электромагнитных устройствах могут одновременно использоваться постоянные и/или переменные магнитные потоки. Постоянный магнитный поток не вызывает потерь энергии в магнитопроводах.

Магнитопроводы, работающие в условиях воздействия постоянного магнитного потока (например, станины машин постоянного тока), можно изготавливать из литых заготовок с последующей механической обработкой. При сложной конфигурации магнитопроводов экономичнее изготавливать их из нескольких элементов.

Прохождение через магнитопроводы переменного магнитного потока сопровождается потерями энергии, которые называют магнитными потерями. Они вызывают разогрев магнитопроводов. Снизить разогрев магнитопроводов можно специальными мерами для их охлаждения (например, работа в масле). Такие решения усложняют их конструкцию, увеличивают затраты на их производство и эксплуатацию.

Магнитные потери состоят из:

Потери на гистерезис могут быть уменьшены за счет использования магнитомягких ферромагнетиков, имеющих узкую петлю гистерезиса.

Потери на вихревые токи обычно снижают:

использованием материалов с меньшей удельной электрической проводимостью;

изготовлением магнитопроводов из электрически изолированных лент или пластин.

Распределение вихревых токов в различных магнитопроводах: а – в литом; б – в набранном из деталей, изготовленных из листового материала.

Средняя часть магнитопровода в большей степени охватывается вихревыми токами по отношению к его поверхности, что приводит к «вытеснению» основного магнитного потока к поверхности магнитопровода, т. е. возникает поверхностный эффект.

Это приводит к тому, что при некоторой частоте, характерной для материала данного магнитопровода, магнитный поток будет полностью сосредоточен в тонком приповерхностном слое магнитопровода, толщина которого определяется глубиной проникновения на данной частоте.

Наличие вихревых токов, протекающих в магнитопроводе из материала с малым электрическим сопротивлением, приводит к соответствующим потерям (потерям на вихревые токи).

Задача уменьшения потерь на вихревые токи и максимального сохранения магнитного потока решается изготовлением магнитопроводов из отдельных деталей (или их частей), которые электрически изолированы друг от друга. При этом площадь поперечного сечения магнитопровода остается неизменной.

Широко применяются штампованные из листового материала пластины или ленты, навитые на сердечник. Для изоляции поверхностей пластин (или лент) можно применять различные технологические приемы, из которых чаще всего используют нанесение изолирующих лаков или эмалей.

Магнитопровод из отдельных деталей (или их частей) позволяет:

уменьшить потери на вихревые токи за счет перпендикулярного расположения пластин по отношению к направлению их циркуляции (в этом случае уменьшается длина контуров, по которым возможна циркуляция вихревых токов);

получить незначительную неравномерность распределения магнитного потока, так как при малой толщине листового материала, соизмеримой с глубиной проникновения, экранирующее действие вихревых токов невелико.

К материалам магнитопроводов могут предъявляться и другие требования: стойкость к воздействию температуры и вибрации, низкая себестоимость и т. п. При проектировании конкретного устройства выбирается тот магнитомягкий материал, параметры которого лучше всего удовлетворяют заданным требованиям.

В зависимости от технологии изготовления магнитопроводы электромагнитных устройств можно разделить на 3 основные группы:

Пластинчатые магнитопроводы набирают из отдельных, электрически изолированных друг от друга пластин, что позволяет уменьшить потери на вихревые токи. Ленточные магнитопроводы получают навивкой ленты определенной толщины. В таких магнитопроводах влияние вихревых токов значительно снижается, так как плоскости ленты покрывают изолирующим лаком.

Формованные магнитопроводы изготавливают литьем (электротехнические стали), методами керамической технологии (ферриты), смешением компонентов с последующим прессованием (магнитодиэлектрики) и другими методами.

При изготовлении магнитопровода электромагнитного устройства необходимо обеспечить его заданную конструкцию, которая определяется многими факторами (мощностью устройства, рабочей частотой и т. д.), и в том числе – наличием или отсутствием в устройстве прямого или обратного преобразования электромагнитной энергии в механическую.

Конструкции устройств, в которых такое преобразование происходит (электродвигатели, электрогенераторы, реле и т. п.), включают в себя детали, перемещающиеся под влиянием электромагнитного взаимодействия.

Устройства, в которых электромагнитная индукция не вызывает преобразования электромагнитной энергии в механическую (трансформаторы, дроссели, магнитные усилители и т. п.), называются статическими электромагнитными устройствами.

В статических электромагнитных устройствах в зависимости от конструкции наиболее часто используются броневые, стержневые и кольцевые магнитопроводы.

Формованные магнитопроводы могут иметь более сложную конструкцию по сравнению с листовыми и ленточными.

Формованные магнитопроводы: а – кольцевой; б–г – броневой; д – чашечный; е, ж – стержневой; з – многоотверстный

Броневые магнитопроводы отличаются простотой конструкции и, как следствие, технологичностью. Кроме того, такая конструкция обеспечивает лучшую (по сравнению с другими) защиту катушек от механических воздействий и электромагнитных помех.

Стержневые магнитопроводы отличаются:

малой чувствительностью к помехам (так как ЭДС помех, наводимых в соседних катушках, противоположны по знаку и частично или полностью компенсируются);

меньшей (по отношению к броневым) массой при одинаковой мощности;

меньшим (по отношению к броневым) рассеянием магнитного потока.

К недостаткам устройств на основе стержневых магнитопроводов (по отношению к устройствам на основе броневых) относятся трудоемкость изготовления обмоток (особенно при размещении на разных стержнях) и их меньшая защищенность от механических воздействий.

Кольцевые магнитопроводы за счет малых потоков рассеяния отличаются, с одной стороны, хорошей помехозащищенностью, а с другой – малым влиянием на рядом расположенные элементы радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). По этой причине они широко применяются в радиотехнических изделиях.

Недостатки кольцевых магнитопроводов связаны с их нетехнологичностью (трудности при навивке обмоток и установке электромагнитных устройств в месте использования) и ограниченностью по мощности – до сотен ватт (последнее объясняется нагревом магнитопровода, который не имеет прямого охлаждения из-за расположенных на нем витков катушки).

Выбор типа и вида магнитопровода осуществляется с учетом возможности получения наименьших значений его массы, объема и стоимости.

Достаточно сложные конструкции имеют магнитопроводы устройств, в которых происходит прямое или обратное преобразование электромагнитной энергии в механическую (например, магнитопроводы вращающихся электрических машин). В таких устройствах используются формованные или пластинчатые магнитопроводы.

Виды электромагнитных устройств

Дроссель – устройство, используемое в качестве индуктивного сопротивления в цепях переменного или пульсирующего тока.

Магнитопроводы с немагнитным зазором используются в дросселях переменного тока, которые служат для накопления энергии, и в сглаживающих дросселях, предназначенных для сглаживания пульсаций выпрямленного тока. При этом существуют дроссели, в которых размер немагнитного зазора можно регулировать, что необходимо для изменения индуктивности дросселя в процессе его работы.

Магнитный усилитель – устройство, состоящее из одного или нескольких магнитопроводов с обмотками, с помощью которого в электрической цепи, питаемой от источника переменного напряжения или переменного тока, может изменяться ток или напряжение по величине, основанное на использовании явления насыщения ферромагнетика при действии постоянного подмагничивающего поля.

Принцип работы магнитного усилителя основан на изменении дифференциальной магнитной проницаемости (измеряемой на переменном токе) при изменении постоянного тока подмагничивания, поэтому простейшим магнитным усилителем является дроссель насыщения, содержащий рабочую обмотку и обмотку управления.

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две (или более) индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Мощность трансформатора определяется максимально возможной индукцией материала магнитопровода и его размерами. Поэтому магнитопроводы (обычно стержневого типа) силовых трансформаторов большой мощности собираются из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм.

Электромагнитным реле называется электромеханическое реле, работа которого основана на воздействии магнитного поля неподвижной обмотки на подвижный ферромагнитный элемент.

Любое электромагнитное реле содержит две электрические цепи: цепь входного (управляющего) сигнала и цепь выходного (управляемого) сигнала. По принципу устройства управляемой цепи различают неполяризованные и поляризованные реле. Работа неполяризованных реле, в отличие от поляризованных реле, не зависит от направления тока в управляющей цепи.

Вращающаяся электрическая машина – устройство, предназначенное для преобразования энергии на основе электромагнитной индукции и взаимодействия магнитного поля с электрическим током, содержащее, по крайней мере, две части, участвующие в основном процессе преобразования и имеющие возможность вращаться или поворачиваться друг относительно друга.

Часть электрических машин, которая включает неподвижный магнитопровод с обмоткой, называется статором, а вращающаяся часть – ротором.

Электрическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую, называется электромашинным генератором. Электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии в механическую, называется вращающимся электродвигателем.

Приведенные примеры использования манитомягких материалов для создания электромагнитных устройств не являются исчерпывающими. Все эти принципы также применяются при разработке магнитопроводов и других электротехнических изделий, в которых используются катушки индуктивности, например коммутационных электрических аппаратов, магнитных замков и т. п.

Источник

§ 97. Электромагнитные приборы

Электромагнитные приборы и их устройство.

Принцип работы приборов этой системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого катушкой 1 со стальным сердечником 3, помещенным в поле этой катушки. Электромагнитный измерительный механизм выполняют с плоской (рис. 324, а) или круглой (рис. 324,б) катушкой.

Рис. 324. Устройство электромагнитных измерительных механизмов с плоской (а) и круглой (б) катушками

В приборах с плоской катушкой сердечник установлен на оси, несущей стрелку. При прохождении тока по катушке 1 сердечник 3 будет намагничиваться и втягиваться в катушку, поворачивая ось и стрелку. Повороту оси препятствует спиральная пружина 2. Когда усилие, создаваемое пружиной, уравновесит усилие, созданное катушкой, подвижная система прибора остановится и стрелка зафиксирует на шкале определенный ток.

Вращающий момент, воздействующий на подвижную часть прибора, пропорционален силе притяжения F электромагнита, под действием которой сердечник втягивается в катушку. Сила притяжения F, как было показано в § 93, пропорциональна квадрату индукции в, создаваемой магнитным полем катушки; следовательно, она пропорциональна квадрату тока I в катушке. Поэтому вращающий момент

где c₁ — постоянная величина, зависящая от конструктивных параметров прибора (числа витков и размеров катушки, материала и формы сердечника) и положения сердечника относительно катушки.

При втягивании сердечника в катушку вращающий момент М изменяется пропорционально I 2 .

Под действием момента М подвижная часть прибора будет поворачиваться до тех пор, пока этот момент не будет уравновешен противодействующим моментом M_пр = c₂α, созданным пружинами или растяжками. В момент равновесия М = M_пр, откуда

α= (c1/c2) I 2 = kI 2 (97)

где к — постоянная величина.

Следовательно, в приборах с электромагнитным измерительным механизмом угол поворота а подвижной части и стрелки пропорционален квадрату тока, проходящего по катушке. Поэтому такой прибор имеет неравномерную (квадратичную) шкалу. Для сглаживания этой неравномерности сердечнику придается особая лепестко-образная форма, вследствие чего форма магнитного поля и усилие, создаваемое катушкой, изменяются по мере втягивания сердечника.

Устранение колебаний подвижной системы прибора при переходе стрелки из одного положения в другое осуществляется демпфером 5.

В приборах с круглой катушкой подвижная система поворачивается в результате взаимодействия двух стальных намагничивающихся пластинок 3, расположенных внутри катушки 1. Одна из них укреплена на оси прибора, а другая — на внутренней поверхности каркаса катушки.

При прохождении тока по катушке пластины намагничиваются, и их одноименные полюсы оказываются расположенными друг против друга. Между ними возникают силы отталкивания и создается вращающий момент, поворачивающий ось со стрелкой 4.

Электромагнитные приборы используют, главным образом, для измерения тока и напряжения в промышленных установках переменного тока. При периодическом изменении тока, проходящего через прибор, усилие, создаваемое его катушкой, не будет изменяться по направлению, так как оно пропорционально квадрату тока.

Угол отклонения стрелки определяется некоторым средним усилием F, значение которого пропорционально среднему квадратичному значению тока или напряжения. Следовательно, электромагнитные приборы в цепях переменного тока измеряют действующие значения тока или напряжения.

Катушка при измерениях может быть включена в электрическую цепь последовательно или параллельно двум точкам, между которыми действует некоторое напряжение. В первом случае прибор будет работать в качестве амперметра, во втором — в качестве вольтметра.

Достоинством приборов электромагнитной системы являются простота и надежность конструкции, невысокая стоимость, стойкость к перегрузкам и пригодность для измерений в цепях переменного и постоянного тока. К недостаткам относятся невысокая точность, малая чувствительность, неравномерность шкалы и зависимость показаний от внешних магнитных полей и частоты переменного тока.

Астатические приборы.

Катушки электромагнитных приборов создают относительно слабое магнитное поле, так как силовые линии этого поля проходят в основном по воздуху. Поэтому такие приборы весьма чувствительны к влиянию внешних магнитных полей. Для защиты от этих влияний электромагнитные приборы окружают стальными экранами или выполняют астатическими.
В астатическом приборе имеются две плоские катушки 1 и два сердечника 2, расположенные на общей оси (рис. 325).

Рис. 325. Устройство астатического измерительного механизма

Обмотки катушек включают так, чтобы направления их магнитных потоков Ф₁ и Ф₂ были противоположны. Вращающие моменты действуют на подвижную систему прибора в одинаковом направлении. Поэтому внешний магнитный поток Ф_вн будет усиливать поле одной катушки и ослаблять поле другой; создаваемый же ими суммарный вращающий момент будет оставаться неизменным.

Источник