Электромагнитные механизмы в электрических аппаратах

3.7.1 Общие сведения

Основные части электромагнита – это катушка (обмотка) и магнитопровод из ферромагнитного материала. Катушка без стального сердечника также будет обладать магнитными свойствами, но сила притяжения при одном и том же токе, проходящем через нее, значительно меньше, чем у катушки со стальным сердечником. Это объясняется тем, что магнитная проницаемость воздуха намного меньше, чем стального (ферромагнитного) сердечника.

Электромагниты широко применяются в таких электрических аппаратах, как контакторы, пускатели, реле, автоматы, электромагнитные муфты и т.д.

Классификация электромагнитов:

1. По способу действия: удерживающие, притягивающие.

2. По способу включения: с параллельной катушкой, с последовательной катушкой.

3. По роду тока: постоянного тока, переменного тока.

4. По характеру движения якоря: поворотные, прямоходовые.

Магнитный поток электромагнита определяется намагничивающей силой F = I·W. Магнитная проницаемость не является постоянной величиной и зависит от величины намагничивающей силы. С ростом намагничивающей силы магнитная проницаемость сначала резко возрастает, достигает своей максимальной величины, после чего наступает насыщение.

Магнитное сопротивление возрастает с увеличением длины силовых линий магнитного потока и числа воздушных промежутков, находящихся на пути магнитного потока, и уменьшается с увеличением сечения и повышения магнитной проницаемости материала, по которому проходит магнитный поток.

Примерный расчет силы электромагнита можно провести по следующей формуле:

где S – площадь соприкосновения между полюсами электромагнита и притягиваемой или удерживаемой подвижной частью.

Электромагнитная система электрических аппаратов включает в себя следующие элементы: обмотка управления (катушка) 2, магнитопровод 3, подвижный якорь 1.

Создаваемый обмоткой полный магнитный поток состоит из: потока Ф – рабочий магнитный поток, который проходит вдоль всей магнитной цепи лишь частично и замыкается по воздуху через расположенные поблизости детали конструкции; потока Фs – поток рассеяния, который с увеличением воздушного зазора и повышением насыщения магнитной цепи увеличивается; потока Фδ – главный рабочий поток, который проходит через рабочий воздушный зазор δ (именно этот поток обусловливает возникновение механических сил, вызывающих перемещение якоря).

При включении электромагнитной системы якорь переместится и приблизится к сердечнику. После включения обмотки электромагнита происходит нарастание магнитного потока до тех пор, пока сила тяги не станет равна противодействующей силе. После этого якорь начинает двигаться, при этом ток и магнитный поток будут изменяться. После достижения якорем конечного положения ток и магнитный поток будут продолжать изменяться до тех пор, пока не достигнут установившихся значений. Время срабатывания электромагнита состоит из времени трогания (время с начала подачи напряжения до начала движения якоря) и времени движения.

При размыкании цепи обмотки электромагнитной системы магнитный поток в ней начинает уменьшаться из-за введения в цепь большого сопротивления дугового или тлеющего разряда между контактами. Магнитный поток уменьшается и в момент, когда сила тяги электромагнита становится меньше усилия пружины, происходит отпускание якоря. Время отпускания состоит из времени спада потока до потока отпускания и времени движения.

Элементы магнитной цепи выполняют из магнитомягкой стали (сталь, имеющая узкую петлю гистерезиса).

Магнитомягкие материалы обладают малой коэрцитивной силой (магнитное поле, необходимое для полного размагничивания предварительно намагниченного материала). Это означает, что при снятии внешнего магнитного поля магнитопровод и якорь не остаются намагниченными, а возвращаются почти в исходное состояние. Остаточный магнитный поток может оказаться таким, что произойдет так называемое залипание якоря. В электромагнитных механизмах применяют холоднокатаную электротехническую сталь.

Важным параметром материала магнитопровода является индукция насыщения. Тяговое усилие электромагнита пропорционально квадрату индукции. Поэтому чем выше индукция насыщения, тем больше тяговое усилие электромагнита при тех же размерах. Для магнитопроводов высокочувствительных электромагнитных систем применяют пермаллой (сплав железа с никелем, легированный молибденом, хромом, медью и др. элементами). Пермаллои обладают более высокими магнитными свойствами, чем электротехнические стали, в слабых магнитных полях, но они не пригодны для работы при больших магнитных потоках, т.к. их индукция насыщения в 2 раза меньше, чем у электротехнических сталей.

Материалы магнитопроводов в электромагнитах переменного тока должны иметь малые потери на вихревые токи и гистерезис. Магнитопроводы выполняются шихтованными из пластин толщиной 0,35 – 0,5 мм.

Магнитопроводы электромагнитных механизмов некоторых электрических аппаратов постоянного тока также выполняют шихтованными для повышения быстродействия, т.к. при включении и выключении электромагнитного механизма магнитный поток изменятся по величине, что приводит к возникновению вихревых токов, которые ослабляют основной магнитный поток и увеличивают время срабатывания и отпускания. Вместо того, чтобы делать магнитопровод шихтованным, его иногда разрезают.

Магнитный поток переменного тока создает пульсирующую с удвоенной частотой электромагнитную сил, которая принимает только положительные значения от нуля до своего максимума даже при отрицательном знаке магнитного потока. В то же время на якорь действует постоянное противодействующее усилие возвратной пружины. Из-за этого возникает вибрация якоря. Для устранения этой вибрации на полюсе шихтованного магнитопровода электромагнитного механизма переменного тока имеется медный виток. Магнитный поток, создаваемый то­ком катушки, наводит в короткозамкнутом витке ЭДС, которая вы­зывает появление в нем тока, сдвинутого по фазе до отношению к току катушки и своего магнитного потока. Каждый из потоков создаёт свою электромагнитную силу.

Существует несколько различных типов электромагнитных механизмов.