Как рассчитать длину провода в электромагнитной муфты. Расчет обмоток электромагнитов

Хорошие постоянные магниты находят себе важные научные и технические применения, например в электроизмерительных приборах. Но создаваемые ими поля не очень сильны, хотя в последнее время и изготовляют специальные сплавы, которые позволяют получать сильные постоянные магниты, хорошо сохраняющие свои магнитные свойства. К числу таких сплавов относится, например, кобальтовая сталь, содержащая около 50% железа, около 30% кобальта, а также некоторое количество вольфрама, хрома и углерода. Кроме того, большим неудобством постоянных магнитов является невозможность быстро изменять магнитную индукцию их поля. В этом отношении гораздо удобнее применение соленоидов с током (электромагнитов), поле которых можно легко изменять, изменяя силу тока в обмотке соленоида. Поле соленоида можно увеличить в сотни и тысячи раз, помещая внутрь него железный сердечник. Именно так и устроено большинство электромагнитов, применяемых в технике.

Простейший электромагнит каждый легко может приготовить себе сам. Достаточно намотать на какой-нибудь железный стержень – болт или кусок железного прута – несколько десятков витков изолированной проволоки и присоединить концы этой обмотки к источнику постоянного тока: аккумулятору или гальванической батарее (рис. 366). Нередко электромагниту придают подковообразную форму (рис. 367), более выгодную для удержания груза.

Рис. 366. Простейший самодельный электромагнит в виде стержня

Рис. 367. Самодельный подковообразный магнит

Поле катушки с железным сердечником значительно сильнее, чем поле катушки без сердечника, потому что железо внутри катушки сильно намагничивается и поле его складывается с полем катушки. Однако применение железных сердечников в электромагнитах для усиления поля может оказаться полезным только до известного предела. Действительно, поле электромагнита складывается из поля, создаваемого обмоткой с током, и поля намагниченного сердечника, причем при небольших токах это последнее значительно сильнее, чем первое. При увеличении тока в обмотке оба эти поля возрастают сначала в одинаковой степени, а именно пропорционально току, так что роль сердечника продолжает оставаться решающей. Однако при дальнейшем увеличении тока в обмотке намагничивание железа начинает замедляться и железо приближается к состоянию магнитного насыщения. Когда практически все молекулярные токи ориентированы параллельно, дальнейшее увеличение тока обмотки уже ничего не может добавить к намагничиванию железа, тогда как поле обмотки продолжает расти пропорционально току. При большом токе в обмотке (точнее, когда число ампер-витков на метр достигает значений порядка ) поле, создаваемое самой обмоткой, оказывается гораздо сильнее поля насыщенного железного сердечника, так что сердечник становится практически бесполезным и лишь усложняет конструкцию электромагнита. Поэтому самые мощные электромагниты делают без железного сердечника.

Нетрудно видеть, что создание весьма мощных электромагнитов представляет собой очень сложную техническую задачу. Действительно, чтобы иметь возможность применить большие токи, надо иметь обмотку из толстой проволоки, иначе она сильно разогреется и может даже расплавиться. Иногда вместо проволоки применяют медные трубки, в которых циркулирует сильная струя воды для интенсивного охлаждения стенок трубок, по которым течет электрический ток. Но при обмотке из толстой проволоки или трубки нельзя уложить много витков на единице длины. Применение же сравнительно тонкой проволоки, обеспечивающей значительное число витков на метр, не дает возможности применять большие токи.

Очень остроумный выход из этого положения нашел советский физик Петр Леонидович Капица (1894-1984). Он пропускал через соленоид токи огромной силы – десятки тысяч ампер, – но только в течение короткого времени, примерно 0,01 с. За это время обмотка соленоида не успевала чрезмерно нагреться и получались сильные, хотя и кратковременные магнитные поля. Однако специальные приборы успевали регистрировать результаты опытов, в которых изучалось влияние создаваемых в соленоиде мощных магнитных полей на различные вещества.

В большинстве технических электромагнитов применяются обмотки, у которых число ампер-витков на метр не превышает нескольких десятков тысяч, так что для их питания можно ограничиться током в несколько ампер и проволокой умеренной толщины. При наличии железного сердечника в таких электромагнитах могут быть получены довольно сильные магнитные поля (с индукцией несколько тесла).

Наиболее интересным и перспективным явлением в природе считается магнетизм, который способен проявить себя через различные виды полей. Электромагнитные поля это всего лишь одна из разновидностей полей. Они образуются из двух видов полей электрического и магнитного. Давайте начнем разбираться именно с природой и принципом действием магнитных полей. В роли источника магнитных полей проще всего применить постоянные магниты и электромагниты. А вот как они работают, об этом мы ипоговорим.

Электромагнит, это простая электротехническая конструкция состоящая из обмотки и сердечник. Из курса электротехники известно, что в случае прохождения электрического тока через обмотку вокруг нее возникают электромагнитные поля.

То есть, в то время, когда электрических заряд движется он генерирует вокруг себя магнитные поля. Когда же он не перемещается, у него имеется только электрическое поле. Но, электроны и ионы никогда не будут находится в состоянии полного покоя. Всегда присутствует внутреннее движении, поэтому электрическое и магнитное поле присутствуют одномоментно, только в случае относительного покое в большей степени заметны электрические поля, а при увеличении движения элементарных частиц начинает преобладать магнитное поле.

Таким образом для возникновения магнитного поля требуется всего лишь пропустить ток по проводнику, а для повышения уровня интенсивность этого поля, требуется увеличить силу тока или длину электрического проводника. Но существует еще один фактор, влияющий на силу магнитного поля.

В электромагнитах, кроме выше сказанного имеется сердечник из магнитного материала. В таком магнитном материале осуществляется свое собственное внутреннее движения заряженных элементарных частиц. Но они располагаются в хаотичном порядке, из-за чего осуществляется взаимное гашение магнитных сил.

При воздействии внешним электромагнитным полем на такой материал возникает следующий эффект, а именно все внутренние магнитные поля этого материала поворачиваются в одном направлении, что ведёт к резкому росту магнитных свойств. Следовательно, для изготовления хорошего магнита требуется на магнитный сердечник намотать большое количество витков из медной проволоки, после чего пропустить через них ток.

Но помните, что при отключении напряжения у электромагнита исчезают все его свойства. Потому, что все заряженные частицы перестают двигаться в проводнике, а упорядоченные магнитные поля внутри магнитного сердечника возвращаются в исходное хаотичное состояние. Для изготовления постоянного магнита без электропитания, требуется, что бы внутренние магнитные поля оставались в однонаправленном состоянии. Этого можно добиться применяя специальные магнитные материалы, которые можно намагничивать или размагничивать.

В первоначальный момент это вещество не обладает такими сильными магнитными свойствами. Для намагничивания его, необходимо разместить в сильном постоянном магнитном поле. Через определенный промежуток времени и интенсивность воздействия данный материал становится постоянным магнитом. Для размагничивания постоянного магнита, го нужно подвергнуть высокой температуре, сильным ударам или воздействовать сильным переменным магнитным полем.

Думаю каждый встречал обычные постоянные магнитики. А знаете ли вы, что является истинной причиной их специфического действия? Думаю, совсем не многие об этом знают. Предлагая ознакомится с простой теоретической лекцией об устройстве постоянного магнита и магнитном поле

В принципе их расчет это достаточно сложный процесс, но для радиолюбителей, он существенно упращен. Магнитная цепь описывается величиной - В , на которую влияет напряженность поля и магнитная проницаемость вещества.Поэтому сердечники электромагнитов изготавливают из специаального сплава железа, обладающего высокой величиной магнитной проницаемости. От магнитной индукции зависит силовой поток, Ф .

Где, S площадь поперечного сечения магнитопровода. На силовой поток оказывает влияние и магнитодвижущая сила (Е м) , которая вычисляется по формуле:

Ф = (Е м)×R м, откуда Е м = 1,3×I×N

Где, где N - число витков катушки, а I - сила текущего по катушке тока в амперах.

Магнитное сопротивление определяется по формуле:

где L - средняя длина пути силовых магнитных линий, М - магнитная проницаемость, a S - поперечное сечение магнитопровода.

При изготовление самодельных электромагнитов стараются получить максимальный силовой поток. Добиваются этого уменьшением магнитного сопротивления. Для чего выбирают магнитопровод с минимальной длиной пути силовых линий и с максимально возможным поперечным сечением, а в качестве материала стальной сплав с отличной магнитной проницаемостью. Другой метод увеличения силового потока это увеличения количества ампервитков не очень целесообразен, т.к в целях экономии проволоки и напряжения питания следует стремиться к снижению числа ампервитков. Предположим, нам необходимо определить ампервитки и силовой поток замкнутого стального магнитопровода, изображенного на рисунке а ниже, и сделанного из стали плохого качества.

Для намотки катушек с минимальным числом витков для упрощенных расчетов примим величину магнитной индукции в 10 000 силовых линий на 1 см 2 при двух ампервитках на один сантиметр длины. В этом радиолюбительском примере расчет может быть осуществлен следующим образом. Так, при длине магнитопровода L =L1+L2 равной 20 см + 10 см = 30 см, потребуется 2×30=60 ампервитков.

Если диаметр сердечника D (Рисунок,в) равен2 см, то его площадь: S = 3,14xD2/4 = 3,14 см 2 , отсюда

Ф = B × S= 10000 × 3,14=31400 силовых линий

Можно приближенно определить и подъемную силу электромагнита P :

P = B2 × S/25 × 1000000 = 12,4 кг.

Для двухполюсного магнита полученный результат необходимо удвоить. При расчете подъемной силы магнита следует помнить, что она зависит не только от длины магнитопровода, но и от площади контакта якоря и сердечника. Поэтому якорь должен хорошо прилегать к полюсным наконечникам ЭМ, иначе случится резкое уменьшение подъемной силы. Далее можно сделать расчет катушки электромагнита. В случае двухполюсного магнита подъемная сила в 25 кг задается 60 ампервитками, т.е N×J = 60 ампервитков.

Конечно, можно задать и другое соотношение, например 2 А и 30 витков, либо увеличив число витков катушки 0,25 А и 240 витков. Однако изменение номинала тока в большом диапазоне не всегда можно осуществить на практике, т.к может потребываться уж очень большой диаметра применяемой проволоки. В нашем примере медная проволока должна быть следующего сечения: для тока в 2А - 0,4 мм 2 , а для тока в 0,25А - 0,05 мм 2 , диаметр проволоки будет 0,7 мм и 0,2 мм соответственно. Каким же из этих проводов случше осуществить обмотку? Зная диаметр проволоки и ее длину, можно легко найти сопротивление. Длина проволоки L вычисляется как, произведению общего числа витков на длину одного из них (среднюю): L = N × L1 где L1 - длина одного витка, равная 3,14 × D. В нашем примере D = = 6,3 см. Поэтому, для первой катушки длина медной проволки будет 190 см, а сопротивление обмотки постоянному току около 0,1 Ом, а для второй 512 см, с сопротивлением в 8,7 Ом. Зная закон Ома, легко найти нужное напряжение. Так, для создания в обмотках тока номиналом в 2А потребуется напряжение 0,2В, а для тока в 0,25А - 2,2В.

Расчет электромагнита постоянного тока

Электромагниты нашли в аппаратостроении широкое применение и как элемент привода аппаратов (контакторы, пускатели, реле, автоматы, выключатели), и как устройство, создающее силы, например, в муфтах и тормозах.

При заданном потоке падение магнитного потенциала уменьшается с уменьшением магнитного сопротивления. Так как сопротивление обратно пропорционально магнитной проницаемости материала, при данном потоке магнитная проницаемость должна быть возможно выше. Это позволяет уменьшить м.д.с. обмотки и мощность, необходимую для срабатывания электромагнита; уменьшаются размеры обмоточного окна и всего электромагнита. Уменьшение м.д.с. при прочих неизменных параметрах уменьшает температуру обмотки.

Вторым важным параметром материала является индукция насыщения. Сила, развиваемая электромагнитом, пропорциональна квадрату индукции. Поэтому чем больше допустимая индукция, тем больше развиваемая сила при тех же размерах.

После того, как обмотка электромагнита обесточивается, в системе существует остаточный поток, который определяется коэрцитивной силой материала и проводимостью рабочего зазора. Остаточный поток может привести к залипанию якоря. Во избежание этого явления требуется, чтобы материал обладал низкой коэрцитивной силой.

Существенными требованиями являются низкая стоимость материала и его технологичность.

Наряду с указанными свойствами магнитные характеристики материалов должны быть стабильны (не изменяться от температуры, времени, механических ударов).

В результате расчета магнитной цепи определяется не­обходимая магнито-движущая сила (МДС) обмотки. Обмотка должна быть рассчитана таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить требуе­мую МДС, а с другой – чтобы ее максимальная темпера­тура не превышала допустимой для используемого класса изоляции.

В зависимости от способа включения различают обмот­ки напряжения и обмотки тока. В первом случае напряже­ние, приложенное к обмотке, постоянно по своему действу­ющему значению, во втором - сопротивление обмотки электромагнита намного меньше сопротивления остальной части цепи, которым и определяется неизменное значение тока.

Расчет обмотки электромагнита постоянного тока .

На рисунке 72 показаны магнитопровод и катушка электро­магнита. Обмотка 1 катушки выполняется изолированным проводом, который наматывается на каркас 2.

Катушки могут быть и бескаркасными. В этом случае витки обмотки скрепляются ленточной или листовой изоляцией либо заливочным компаундом.

Для расчета обмотки напряжения должны быть заданы напряжение U и МДС. Сечение обмоточного провода q находим, исходя из потребной МДС:

где – удельное сопротивление;

– сред­няя длина витка (рисунок 72);

R – сопротивление обмотки, равное

При неизменной средней длине витка и заданном МДС определяется произведением .

Если при неизменном напряжении и средней дли­не витка требуется увеличить МДС, то необходимо взять провод большего сечения. При этом обмотка будет иметь меньшее число вит­ков. Ток в обмотке возрас­тет, так как сопротивление ее уменьшится за счет уменьшения числа витков и увели­чения сечения провода.

По найденному сечению с помощью таблиц сортаментов находится ближайший стан­дартный диаметр провода.

Рисунок 72 – К расчету обмотки электромагнита

Мощность, выделяющаяся в обмотке в виде тепла, определяется следующим образом:

Число витков обмотки при заданном сечении катушки определяется коэффициентом заполнения по меди

где – площадь, зани­маемая медью обмотки;

– сечение обмотки по меди.

Число витков

.

Тогда мощность, потребляемая обмоткой, определится выражением

.

Для расчета обмотки тока исходными параметрами яв­ляются МДС и ток цепи . Число витков обмотки нахо­дится из выражения . Сечение провода можно выбрать исходя из рекоменду­емой плотности тока, равной 2…4 А/мм 2 для продолжитель­ного, 5…12 А/мм 2 для повторно-кратковременного, 13…30 А/мм 2 для кратковременного режимов работы. Эти значения можно увеличить примерно в 2 раза, если срок службы обмотки и электромагнита не превышает 500 ч. Площадь окна, занимаемого рядовой обмоткой, определяется числом витков и диаметром провода d

Глава 21

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

§ 21.1. Назначение электромагнитных исполнительных устройств

Исполнительные устройства в системах автоматики предназначены для приведения в действие (т. е. для привода) раз­личных регулирующих органов, оказывающих непосредственное воздействие на объект управления с целью достижения выходной величиной этого объекта требуемого значения. Существует боль­шое разнообразие регулирующих органов: для изменения подачи жидкостей и газов в трубопроводах устанавливаются заслонки, клапаны, шиберы и краны; в подъемно-транспортных устройствах это различные контакторы, муфты, тормоза, вариаторы скорости; в осветительных и нагревательных электроустановках это различ­ные коммутационные аппараты.

Для воздействия па регулирующие органы необходимо выпол­нить механическую работу: повернуть заслонку или крап, соеди­нить две половинки муфты, переместить шестерню на валу короб­ки передач, замкнуть контакты и т. д. Входным сигналом испол­нительного устройства в электрических системах автоматики яв­ляется электрический ток или напряжение, а выходным сигна­лом - механическое перемещение.

Для преобразования электрической энергии в механическую служат электромагниты и электродвигатели. В данной главе будут рассмотрены только электромагнитные исполнительные устройст­ва. Электродвигатели являются электрическими машинами и изу­чаются в соответствующем курсе. Следует отметить, что почти всегда, когда ставится вопрос о разработке привода для регули­рующего органа, приходится делать выбор между двумя вариан­тами: электромагнит или электродвигатель. Основное преимуще­ство электромагнита - простота конструкции. У электродвигателя достоинств больше: высокий КПД, возможность получения любых скоростей и перемещений. Однако эти преимущества проявляются только в сравнительно сложных системах автоматики и при про­должительном режиме работы. При необходимости иметь неболь­шие перемещения (несколько миллиметров) и усилия (несколько десятков-сотен ньютон) электромагниты выгоднее, чем электро­двигатель с редуктором.

В предыдущих главах уже рассматривались электромагниты, используемые как составная часть электромагнитных реле и кон­такторов. В данной главе будут рассмотрены общие вопросы клас­сификации электромагнитов, их расчета, конструирования, приме­нения в качестве исполнительных элементов систем автоматики.

§ 21.2. Классификация электромагнитов

В зависимости от вида тока в обмотке электромагниты подразделяют на электромагниты постоянного и переменного то­ков, по скорости срабатывания - на быстродействующие, нор­мальные и замедленного действия. По назначению электромагни­ты разделяют на приводные и удерживающие.

Приводные электромагниты служат для выполнения механиче­ской работы. При подаче питания они перемещают различные ис­полнительные устройства: клапаны, толкатели, заслонки, золотни­ки, железнодорожные стрелки. Они перемещают контакты реле и контакторов, печатающие и перфорирующие устройства. Для выполнения этой работы электромагниты должны быть рассчита­ны на определенную силу и перемещение.

Удерживающие электромагниты служат не для перемещения, а лишь для удерживания ферромагнитных деталей. Например, электромагнит, используемый при подъеме железного металлоло­ма, только удерживает его, а перемещение осуществляется подъ­емным крапом. В этом случае, электромагнит выполняет лишь роль крюка подъемного крана. В металлообработке используются эле­ктромагнитные плиты для фиксации обрабатываемой детали на станке. Известны также электромагнитные замки. Поскольку удерживающие электромагниты не совершают работы, они рассчи­тываются лишь на определенное усилие. В некоторых случаях электромагнит имеет две катушки: одна, более мощная, исполь­зуется для перемещения якоря, а другая - лишь для удерживания якоря в притянутом положении.

Велико разнообразие электромагнитов специального назначе­ния. Они используются для фокусировки электронных пучков в телевидении, в ускорителях элементарных частиц, в разнообразных измерительных приборах, в медицинской аппаратуре и т. д.

По конструктивному выполнению различают клапанные (по­воротные), прямоходовые и электромагниты с поперечным движе­нием. Клапанные электромагниты имеют" небольшое перемещение якоря (несколько миллиметров) и развивают большое тяговое усилие.

Прямоходовые электромагниты имеют большой ход якоря и большее быстродействие; по размерам они меньше, чем клапан­ные. Часто они представляют собой соленоид (цилиндрическую катушку, втягивающую в себя ферромагнитный стержень), поэто­му их иногда называют соленоидными электромагнитами.

Рис. 21.1. Варианты конструктивных схем электромагнитов

Различные конструкции электромагнитов показаны на рис. 21.1. Несмотря на большое их многообразие (далеко не все возможные конструкции показаны на этом рисунке), все они состоят из ка­тушки 1, якоря (подвижного магнитопровода) 2, неподвижного магнитопровода (сердечника 3 и ярма 4). Кроме того, они имеют различные пружины, крепежные, фиксирующие и передающие де­тали, корпус. По конструкции магнитной цепи различают электро­магниты с разомкнутым (рис. 21.1, г, е) и замкнутым магнитопроводом (рис. 21.1, а, б, в, д, ж, з). По форме магнитопровода различают электромагниты с П-образным, Ш-образным и цилинд­рическим магнитопроводом.

Магнитопроводы электромагнитов постоянного тока обычно выполняются сплошными из магнитомягких материалов: обычных конструкционных сталей и низкоуглеродистых электротехнических сталей. Высокочувствительные электромагниты имеют магнитопровод из пермаллоев (сплавов железа с никелем и кобальтом). В быстродействующих электромагнитах стремятся к уменьшению вихревых токов, для чего используют электротехнические кремни­стые стали с повышенным электрическим сопротивлением и ших­тованный (наборный) магнитопровод.

Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод эле­ктромагнитов переменного тока собирают (шихтуют) из изолиро­ванных пластин толщиной 0,35 или 0,5 мм. В качестве материала используются горячекатаные и холоднокатаные электротехниче­ские стали. Отдельные части магнитопровода, которые трудно вы­полнить шихтованными, изготовляют из сплошного материала тол­щиной 2-3 мм.

Катушки электромагнитов по своей конструкции бывают кар­касные и бескаркасные, а по форме сечения - круглые и прямо­угольные. Провод каркасной катушки наматывают па каркас из изоляционного материала (текстолит, гетинакс, пластмасса). Про­вод бескаркасной катушки наматывают прямо на сердечник, об­мотанный изоляционной лентой, или па специальный шаблон. Для обеспечения прочности катушки, выполненной на шаблоне, ее об­матывают лентой (бапдажируют) и пропитывают компаундным лаком. Катушки, как правило, наматывают медным проводом с изоляцией, выбираемой исходя из назначения и условий работы электромагнита.

В зависимости от способа включения различают последова­тельные и параллельные катушки. Параллельные катушки име­ют большое число витков и наматываются тонким проводом. Обычно они включаются на полное напряжение сети. Последова­тельные катушки имеют сравнительно малое сопротивление, так как выполняются толстым проводом и с малым числом витков. Ток такой катушки определяется не ее сопротивлением, а зависит от тех устройств, с которыми катушка включена последовательно.

Различают также электромагниты, предназначенные для дли­тельной, кратковременной и повторно-кратковременной работы.

§ 21.3. Порядок проектного расчета электромагнита

Исходными данными для расчета электромагнита обыч­но являются требуемое тяговое усилие F э, ход (или угол поворо­та) якоря и напряжение питания U. Кроме того, в задании на проектирование указываются режим работы электромагнита и ус­ловия эксплуатации. Могут быть заданы требуемые быстродейст­вие, габариты, вес, стоимость.

В результате расчета необходимо выбрать конструкцию элект­ромагнита, материал магнитопровода, определить геометрические размеры магнитопровода и катушки, обмоточные данные.

На первом этапе проектного расчета необходимо выбрать кон­струкцию электромагнита, используя понятие конструктивного фактора А. Эта величина определяется в зависимости от тягового усилия и хода якоря :

где - в Н; - в см.

При используют прямоходовый электромагнит соленоидного типа; при -прямоходовый с коническим стопой; при -прямоходовый с плоским стопом; при 2,6<<26 - с поворотным якорем клапанного типа.

Форму электромагнита выбирают с учетом необходимой тя­говой характеристики. На рис. 21.2 показаны типичные тяговые

характеристики электромагнитов. Если не­обходимо иметь пологую тяговую характе­ристику 1, то следует применять прямохо­довый электромагнит, если крутую 2 - кла­панный электромагнит. Ш-образпая форма электромагнита (5) используется преиму­щественно в схемах переменного тока.

На втором этапе выбирается индукция и определяется сечение магнитопровода.

Сила притяжения якоря в основном соз­дается магнитным потоком в воздушном зазоре. Поэтому при проектном расчете влияние на тяговую силу потоков рассея­ния обычно не учитывается. Оптимальный магнитный поток и индукция в рабочем воздушном зазоре может находиться в весьма широких пределах и зависит от соотношения между тяговым усилием и величиной хода, т. е. от конструктивного фактора А. На рис. 21.3 приведены зависимости индукции от конструктивного фактора для трех конструкций электромагнитов (с плоским стопом, с коническим стопом, клапанного типа). После выбора по этим кривым индук­ции можно определить площадь сечения полюсного наконеч­ника. Напомним формулу (17.13), связывающую тяговое усилие синдукцией в зазоре и сечением полюсного наконечника При определении диаметра сердечника необходимо предвари­тельно задаться индукцией в стали и коэффициентом рассея­ниямагнитной системы. Для мощных электромагнитовпри­нимается в пределах , для небольших магнитных си­стем реле - в пределах от . Коэффициент рассеяния Меньшие значения берутся при малых ходах якоря, большие - для перемещений в несколько сантиметров. Сечение сердечника определяется по формуле

Сечение ярма обычно принимается равным сечению сердечника , а сечение якоря - меньшим:

Рис. 21.3. Зависимость индукции в зазоре электромагнита и размеров катушки от величины конструктивного фактора

требуемого тягового усилия. Введем коэффициент , представляю­щий собой отношение МДС, не участвующей в создании тягового усилия, к общей МДС катушки. Тогда, полагая проводимость воз­душного зазора , определяем полную МДС катушки:

Ее можно уточнить при расчете магнитной цепи с использованием кривых намагничивания для выбранного материа­ла магнитопровода.

Соотношение высоты обмоточного пространства катушки к его ширине обычно выбирается по конструктивному фактору (нижняя кривая на рис. 21.3). Конкретные размеры ка­тушки выбирают на основании условий нагрева катушки. При этом учитываются режим работы, коэффициент теплоотдачи , способ намотки, влияющий на коэффициент заполнения , изоляция про­вода, определяющая допустимую температуру . Кроме того, необходимо учесть и возможность снижения напряжения питания до

С учетом этих факторов ширина обмоточного пространства ка­тушки определяется по формуле

Зная размеры катушки, можно определить все размеры магнитопровода электромагнита: высоту сердечника и ярма, расстояние между ними и т. д.

§ 21.4. Особенности расчета электромагнитов переменного тока

В электромагнитах переменного тока индукция в маг­нитной цепи изменяется по синусоидальному закону. Так как мак­симальное (амплитудное) значение индукции враз больше действующего значения, а величина тягового усилия пропорцио­нальна квадрату индукции, то электромагнит переменного тока при одинаковой степени насыщения магнитопровода развивает в два раза меньшее значение тягового усилия. Поэтому при опреде­лении конструктивного фактора для электромагнита переменного тока принимается удвоенное значение тягового усилия"

Оптимальные соотношения между высотой и шириной обмоточ­ного пространства катушки t = h/ a получаются меньшими, чем для электромагнитов постоянного тока. Поэтому катушки элект­ромагнитов переменного тока будут короче и толще. Более корот­кая катушка уменьшает длину сердечника и его объем, что при­водит к снижению потерь в стали, вызванных гистерезисом и вих­ревыми токами. Этих потерь не было в электромагнитах постоян­ного тока. Там стремились к уменьшению потерь в меди, что обе­спечивалось уменьшением средней длины витка катушки за счет малой ее толщины. В электромагнитах переменного тока надо стремиться к уменьшению суммарных потерь (и в меди, и в ста­ли).

При уточненном расчете электромагнитов необходимо учиты­вать потоки рассеяния и падения МДС в нерабочих зазорах и в стали. Кроме того, в электромагнитах переменного тока необхо­димо учитывать потери на гистерезис и на вихревые токи в магнитопроводе

Эти потери пропорциональны частоте питания, массе магнито­провода и индукции в квадрате. Для материалов, используемых в магнитной цепи электромагнита, в справочниках приводятся удельные потери (в зависимости от толщины листа и частоты) на единицу массы.

Число витков обмотки электромагнита переменного тока

(21.7)

Диаметр провода определяется по допустимой с точки зрения нагрева плотности тока. При этом ток определяется с учетом по­терь в стали:

где -ток потерь в стали; -ток намагничивания.

Значения и можно определить с помощью электрической схемы замещения электромагнита (рис. 21.4). На схеме приняты следующие обозначения:-активное сопротивление обмотки;

Индуктивное сопротивление, со­ответствующее рабочему потоку; - индуктивное сопротивление, соответ­ствующее потоку рассеяния; -ак­тивное сопротивление, обусловленное потерями в магнитопроводе на гисте­резис и вихревые токи.

Если пренебречь падением напря­жения на активном сопротивлении об­моткии потоком рассеяния, то ток потерь

(21.9)

Намагничивающий ток, создающий рабочий магнитный поток, определяется по МДС (). Если пренебречь падением МДС в стали и нерабочих зазорах, то

где-действующеезначение переменного магнитного потока в рабочем зазоре; -магнитная проводимость рабочего зазора.

Предварительный расчет электромагнита с короткозамкнутым витком проводится без учета экранирующего действия этого вит­ка. Точный расчет параметров короткозамкнутого витка довольно сложен. На практике его выполняют из меди или латуни таким образом, чтобы он охватывал примернополюса электромагни­та. При Ш-образном магнитопроводе короткозамкнутый виток 3 располагается на среднем (рис. 21.5, а) или на крайних стержнях (рис. 21.5, б). С витком на среднем стержне выполнены широко распространенные электромагниты серии МИС. Для уменьшения падения МДС в нерабочем зазоре между якореми сердечником 2 имеется так называемый воротничок 5. Номинальное тяговое усилие электромагнитов серии МИС изменяется от 15 до 120 Н при ходе якоря 15-30 мм. Механическая износостойкость состав­ляет примерно 10 6 циклов включений-отключений.

С витками на крайних стержнях (рис. 21.5, б) вы­ полнены длинноходовые электромагниты серии ЭД. Они имеют Т-образный якорь 1. Тяговое усилие соз­дается во всех трех стерж­нях, т. е. магнитная цепь со­держит три рабочих зазора. Тяговое усилие электромаг­нитов серии ЭД достигает 250 Н при максимальном перемещении якоря до 40 мм. Электромагниты срабатывают при подаче тока в об­мотку 4.

§ 21.5. Электромагнитные муфты

Электромагнитная муфта предназначена для передачи вращающего момента двигателя к рабочему механизму. Муфта состоит из двух частей: ведущей и ведомой, - которые образуют замкнутую магнитную систему. Муфта выполнена из ферромагнит­ных материалов и имеет одну или несколько обмоток возбужде­ния.

Различают фрикционные муфты и асинхронные (индукцион­ные) муфты. Во фрикционных муфтах передача вращения проис­ходит за счет силы трения между ведущей частью, закрепленной на валу электродвигателя, и ведомой частью, которая может пе­ремещаться вдоль вала рабочего механизма на шлицах или шпон­ке. При подаче тока в обмотку возбуждения создается магнито­движущая сила и подвижная часть муфты прижимается к непо­движной. Такая муфта работает как электромагнит. Для передачи значительных моментов используются многодисковые конструкции электромагнитных муфт. Как на ведущем, так и на ведомом валу имеется несколько стальных дисков, которые под действием МДС притягиваются друг к другу и благодаря трению их поверхностей передается вращение. Соприкасающиеся поверхности фрикцион­ных муфт выполняют из специального материала - сплава фер-радо, имеющего коэффициент трения в 3-4 раза больший, чем у стали.

Различают конструкции электромагнитных фрикционных муфт с неподвижной катушкой электромагнита и с вращающейся ка­тушкой.

В маломощных муфтах (рис. 21.6, а) ведущая 1 и ведомая 2 полумуфты не имеют обмоток, но одна из них (обычно ведомая) может перемещаться вдоль вала по шпонке или шлицам. Обе муфты окружены неподвижной катушкой электромагнита 3, которая при подключении к напряжению создает магнитный поток. Воз­никающие электромагнитные силы прижимают ведомую полумуф­ту к ведущей. Момент трения между полумуфтами должен быть больше момента нагрузки на ведомом валу. При отключении ка­тушки муфты неподвижная полумуфта отжимается от подвижной с помощью пружины (на рисунке не показана). Обычно эта же пружина прижимает полумуфту к тормозным поверхностям, что

обеспечивает быструю остановку ведомого вала. В мощных муф­тах (рис. 21.6, б) для увеличения величины передаваемого момен­та в подвижной части муфты используется несколько стальных дисков 2, имеющих свободу перемещения вдоль оси вращения ве­дущего и ведомого валов. Соответствующее количество стальных дисков 1 жестко закреплено на ведущем валу. На этом же валу закреплена катушка электромагнита 3, подача тока к которой осуществляется с помощью контактных колец и щеток. Электро­магнитные силы притягивают подвижные диски к неподвижным. Большая площадь соприкосновения обеспечивает большой момент трения.

В электромагнитных муфтах с ферромагнитным наполнителем (рис. 21.6, в) передача вращения осуществляется за счет того, что зазор между ведомой 1 и ведущей 2 полумуфтами заполнен смесью 4 из зерен ферромагнитного материала и наполнителя. При пропускании тока через катушку 3 муфты создается магнит­ный поток, заставляющий ферромагнитные зерна ориентироваться вдоль силовых линий и образовывать мостики, связывающие ве­дущую и ведомую полумуфты. Зерна ферромагнитного материала имеют размеры от 4 до 50 мкм. Наполнитель может быть сухим (тальк, графит) или жидким (трансформаторные и силиконовые масла, фтористые соединения).

Электромагнитные муфты с ферромагнитным наполнителем бо­лее надежны, чем фрикционные, имеют меньшее время срабаты­вания (до 20 мс). Необходима регулярная смена наполнителя.

В электромагнитных индукционных муфтах передача вращаю­щего момента происходит за счет индукционных токов, т. е. без непосредственного механического соприкосновения обеих частей муфты. Одна из частей муфты (рис. 21.7) имеет электромагнит­ные полюсы 1 с обмоткой возбуждения, питаемой постоянным то­ком. Она называется индуктором и конструктивно выполнена по­добно ротору синхронного генератора. Другая часть муфты имеет короткозамкнутую. обмотку 2, аналогичную роторной обмотке.асинхронного двигателя. Эта часть называется якорем. При вра­щении индуктора в обмотке якоря наводится ЭДС и идет ток. Взаимодействие этого тока с магнитным потоком возбуждения

создаст электромагнитный мо­мент, приводящий во вращение якорь. В муфте происходят те же физические процессы, что и в асинхронном электродвигателе. Разница заключается в том, что вращение магнитного поля в дви­гателе происходит при подаче трехфазного переменного тока в обмотку неподвижного статора, а в муфте вращение магнитного поля происходит за счет механи­ческого вращения индуктора, возбужденного постоянным током. Так же как и в асинхронном двигателе, вращающий момент возникает лишь при неодинаковой скорости индуктора и якоря. Ведомая часть муфты вращается с частотой , где

Частота вращения ведущего вала,-скольжение. Величина скольжения обычно составляет

Если момент нагрузки приводного механизма оказывается больше максимального момента муфты, то происходит опрокиды­вание- вращение ведомой части прекращается. Благодаря спо­собности к опрокидыванию муфта может защитить приводной двигатель от больших перегрузок. Величина вращающего момен­та, передаваемого муфтой, зависит от магнитного поля возбуж­дения. Изменяя ток возбуждения, можно регулировать величину критического момента муфты. Разница в скоростях вращения ве­домой и ведущей частей асинхронной муфты принципиально необ­ходима для создания вращающего момента на ведомой части. По­этому асинхронные муфты называют еще электромагнитными муф­тами скольжения. Они получили наибольшее распространение в качестве элемента регулируемого автоматизированного электро­привода переменного тока, включающего помимо муфты нерегу­лируемый электродвигатель и систему автоматического регули­рования тока возбуждения муфты. К достоинствам такого приво­да с муфтой скольжения относятся простота устройства и экс­плуатации, низкая стоимость, высокая надежность. Но с увеличе­нием скольжения растут потери мощности и КПД привода сни­жается.

Катушка с железным (правильнее, стальным) разомкнутым сердечником образует электромагнит. Простейший электромагнит изображен на рис. 13.3.

Рис. 13.3. Электромагнит

Ток в катушке образует магнитный поток. Этот поток проходит по сердечнику и замыкается через его подвижную часть, которую называют якорем. Якорь намагничивается и притягивается к сердечнику.

Если ток в катушке прерывается, якорь отпадает от сердечника под действием собственной тяжести или специальной возвратной пружины.

Якорь магнита, изображенного на рис. 13.3, поворачивается на оси. Такой электромагнит называют электромагнитом клапанного типа. Существуют прямоходовые электромагниты, в которых якорь движется поступательно. Сконструированы также электромагниты со сложным движением якоря.

Электромагниты используют в электротехнике очень широко. Школьный звонок и звонок телефона - это электромагнитные механизмы. Существуют электромагнитные тормоза, электромагнитные муфты. Точные электромагниты используют в измерительной технике (см. гл. 15). Очень сильные электромагниты применяют в физических экспериментах.

Если в электромагните убрать якорь, то его можно применять для подъема ферромагнитных предметов. Такие магниты (их называют подъемными) работают на металлургических заводах, поднимают металлолом и другие детали.

О том, как используют электромагниты в электрических аппаратах, мы расскажем несколько позже.

Важнейшей характеристикой электромагнита является сила тяги. Если зазор между сердечником и якорем невелик, то силу тяги можно определить по формуле Максвелла

Здесь Ф - магнитный поток в сердечнике; S - сечение сердечника, вернее сечение полюса, т. е. окончания сердечника, взаимодействующего с якорем.

Если сечения сердечника и полюса одинаковы, то при некоторых допущениях можно принять, что

Тогда наша формула изменится:

Теперь можно легко найти силу тяги электромагнита в расчете на единицу площади полюса (удельная сила тяги):

Из этой формулы видно, что удельная сила тяги электромагнита пропорциональна квадрату магнитной индукции.

Попробуем оценить ее максимальное значение.

Подставим максимальное значение индукции насыщения электротехнической стали, используемой для сердечников электромагнитов,

Тогда получим

Измерять размеры в метрах не очень удобно, поэтому лучше определить силу в расчете на квадратный сантиметр площади полюса:

Эти цифры являются предельными, и в реальных конструкциях электромагнитов удается получить меньшее значение удельной силы - примерно 100-120 Н/см2.

Часто используют электромагниты, в которых зазор между полюсами сердечника и якоря соизмерим с линейными размерами полюса. В этом случае пользоваться формулой Максвелла нельзя и силу тяги электромагнита определяют так:

Удельная сила тяги электромагнита обратно пропорциональна квадрату зазора б между сердечником и якорем. Зависимость силы тяги от зазора называют тяговой характеристикой. Пример такой характеристики изображен на рис. 13.4.

При малых зазорах сила тяги электромагнита очень велика, но затем она резко уменьшается. Для производственных механизмов такая характеристика мало пригодна, и конструкторы электромагнитов применяют специальные меры для того, чтобы выровнять тяговую характеристику, обеспечить постоянство силы тяги.

Рис. 13.5. Работа электромагнита переменного тока. На верхнем графике изображено изменение тока в обмотке электромагнита, на нижнем - изменение силы тяги во времени. Сила тяги пропорциональна квадрату тока, поэтому частота ее изменения увеличилась вдвое

Рис. 13.4. Тяговая характеристика электромагнита

Электромагнит, о котором мы говорили, работает на постоянном токе. Если же обмотку включить на переменный ток, то сила тяги также станет переменной. Из наших формул видно, что сила тяги пропорциональна квадрату тока, поэтому и в положительный, и в отрицательный полупериод сила тяги будет положительной, т.е. направлена она будет в одну и ту же сторону. Якорь будет притягиваться к сердечнику. Это наглядно видно из графиков, приведенных на рис. 13.5.

Однако величина силы тяги изменяется в больших пределах и в тот момент, когда ток проходит через нуль и сила тяги равна нулю. Якорь будет то притягиваться, то отпадать. Мы получим вибратор. Интересно, что частота вибрации якоря вдвое превышает частоту сети. Если сеть имеет частоту 50 Гц, то колебания якоря будут происходить с частотой 100 Гц.

Вибраторы находят в технике самое широкое распространение, поэтому амплитуду колебаний якоря часто стараются увеличить, создать колебательную систему.

Но мы не будем рассматривать это интересное явление, а подумаем о том, как сделать силу тяги постоянной при питании обмотки электромагнита переменным током.

Одно решение напрашивается само. Нужно применить выпрямитель (рис. 13.6). Тогда обмотка электромагнита будет питаться выпрямленным током, который имеет постоянную и переменную составляющие. Если индуктивность обмотки электромагнита достаточно велика, то переменная составляющая тока окажется малой и вибрации якоря исчезнут.