Электромагнитные приводы электрических аппаратов

Электромагнит — катушка с током на сердечнике из магнитомягкого материала, например из железа. Сердечник позволяет значительно увеличить создаваемую катушкой с током магнитную индукцию. Электромагнитные устройства постоянно расширяют свое применение в промышленной и бытовой технике с очень большим разнообразием конструкций и технологий изготовления. В электрических аппаратах электромагнитные системы применяются для создания источников электромагнитного поля, силовых приводов, преобразования энергии, измерения параметров электрических, механических и тепловых процессов и управления ими.

В электрических цепях электромагниты используются в качестве элементов с большой индуктивностью для накопления энергии и изменения амплитудных и фазовых, временных и частотных характеристик устройств.

В магнитном поле катушки сердечник электромагнита намагничивается, т. е. появляется некоторое упорядоченное распределение магнитных моментов микротоков вещества (рис. 7.1), вызванное движением заряженных частиц (в основном электронов).

Рис. 7.1. Простейший электромагнит:

а — трехмерное изображение; б — сечение с изображением распределения намагниченности в сердечнике; 1 — катушка с током;

2 — сердечник из магнитомягкого материала Магнитный момент m контура с током — векторная величина, равная произведению силы тока /, площади витка S и единичного вектора, перпендикулярного к плоскости витка, направление которого соответствует ориентации витка (если смотреть по направлению вектора, то ток в витке должен протекать по направлению движения стрелок часов, как показано на рис. 7.2).

Рис. 7.2. Магнитный момент контура с током.

Распределение плотности магнитных моментов — векторов намагниченности

где V — выделенный малый объем намагничиваемого элемента, зависит от внешнего магнитного поля, геометрической формы сердечника электромагнита и магнитных свойств материала. Упорядоченное распределение проявляется для суммарных средних значений m и М в малых объемах и представляет собой дополнительные источники магнитного ноля, которые и увеличивают создаваемую электромагнитом магнитную индукцию. Как изменяется магнитное поле катушки при размещении внутри нее стального сердечника, показано на рис. 7.3. Размеры сердечника с квадратным сечением: 30×30 мм, длина — 100 мм, МД С катушки — 4500 А.

Рис. 7.3. Распределение магнитного поля в электромагните (см. рис. 7.1).

по центральной линии Зависимость 1 — распределение напряженности магнитного поля вдоль оси катушки без сердечника. Максимальное значение напряженности магнитного поля Н наблюдается в центре катушки. Для магнитной индукции зависимость такая же, так как в отсутствие намагниченных деталей В = х₀Н. Кривая 2 иллюстрирует распределение напряженности магнитного поля на оси катушки со стальным сердечником. Внутри сердечника напряженность магнитного поля мала из-за того, что намагниченный сердечник создает собственное размагничивающее распределение напряженности магнитного ноля, направленное против внешнего ноля катушки. Вне сердечника напряженность магнитного поля существенно увеличивается по сравнению с напряженностью катушки без сердечника. Зависимость 3 построена для распределения магнитной индукции на той же оси. Для удобства сопоставления она представлена для функции В/р₀ = Я + М. Внутри сердечника эта функция магнитной индукции резко возрастает, а снаружи совпадает с распределением напряженности магнитного поля.

Чтобы использовать электромагнит в качестве электромеханического преобразователя, в конструкцию включают подвижные элементы, которые осуществляют силовое взаимодействие с магнитным полем электромагнита и передают это усилие механизму. В качестве таких элементов используют детали из магнитомягких материалов, постоянные магниты и катушки с током. Разместим у торца электромагнита (см. рис. 7.1). стальную пластину, как показано на рис. 7.4.

Рис. 7.4. Электромеханический преобразователь электромагнитного типа:

а — трехмерное изображение; б — сечение с изображением распределения намагниченности в сердечнике и подвижном элементе; 1 — катушка с током;

2 — сердечник из магнитомягкого материала; 3 — подвижный элемент из магнитомягкого материала Под воздействием магнитного поля электромагнита подвижный элемент намагничивается, т. е. в нем появляются упорядоченные микротоки с их магнитными моментами, которые представляются распределением векторов намагниченности (рис. 7.4, б).

На проводники с током, находящимся в магнитном поле, действует сила Ампера, равная векторному произведению тока на магнитную индукцию:

где dP — сила, действующая на участок с током длиной dl. Направление силы просто определить, но правилу правого винта: при повороте вектора тока к вектору магнитной индукции поступательное движение завертываемого винта указывает направление силы (рис. 7.5, а).

Результирующая сила вычисляется интегрированием по длине линии тока L:

Для распределенного в объеме тока с плотностью J интегрирование осуществляется по занятому током объему:

Если рассмотреть замкнутый контур с током, то на него будет действовать результирующая сила и момент сил, стремящийся развернуть магнитный момент тока по направлению вектора магнитной индукции (рис. 7.5, б). Для намагниченных тел при расчетах сил можно перейти от понятия микротоков к понятию намагниченности, используя соотношения (см. работу [1]):

где J_M — объемная плотность «магнитных токов»; i_M — поверхностная плотность «магнитных токов» на поверхности намагниченной детали. В этом случае формула для силы, действующей на намагниченный объем V с поверхностью S, приобретает вид

где п — единичный вектор внешней нормали к поверхности S.

Рис. 7.5. Определение силы, действующей на ток:

а — определение направления силы по правилу правого винта; 6 — силы, действующие на кольцевой ток Для расчета сил часто используется другая запись этой формулы, которая получается после тождественных векторных преобразований:

где (MV)H = M_xdH/dx + M_ydH/dy + M_zdH/dz.

Сила, действующая на намагниченную частицу dV, пропорциональна пространственной производной напряженности магнитного поля. В однородном магнитном поле сила равна нулю.

Для расчета сил в электромеханических системах в ряде случаев предпочтительнее использовать метод ограничения области взаимодействия. Выделим в системе с помощью замкнутой поверхности S_Y ту деталь (или группы деталей) силовое взаимодействие с которой подлежит определению (см. рис. 7.4, б). Поверхность должна располагаться полностью в немагнитном пространстве. Суть метода ограничения области взаимодействия состоит в том, что отбрасывается одна из взаимодействующих частей магнитной системы, а ее влияние на напряженность магнитного поля учитывается введением граничных условий на разделяющей поверхности.

Сила, действующая на выделенную часть, вычисляется по формуле Максвелла (см. работу Г11):

У магнитных систем с малым немагнитным зазором между взаимодействующими деталями, например в электромагните клапанного типа, принимается, что напряженность магнитного поля имеет только одну составляющую и формула для расчета силы приближенно сводится к более простой.

где Ф — магнитный поток, проходящий между деталями в немагнитном зазоре через поперечное сечение трубки этого потока с площадью S._)KB. Основные допущения: в трубке потока магнитная индукция постоянна; сила направлена вдоль образующей трубки. Если взаимодействующие группы деталей имеют в немагнитном зазоре несколько таких трубок, и другими магнитными потоками пренебрегаем, то результирующая сила будет равна векторной сумме сил, рассчитанных во всех трубках.

Более общий способ расчета силы в магнитном иоле основан на анализе изменения энергии (энергетический метод) при малых перемещениях деталей магнитной системы (см. работу [1]). Например, для электромагнита постоянного тока (рис. 7.6) баланс энергии от момента включения источника электрической энергии до рассматриваемого момента времени можно записать в виде соотношения W_n = W_U + W_M, где W_H — энергия, полученная от источника; W_u — потери энергии, включающие: тепловые от протекания тока (в проводе катушек и индуцированных токов), механические — от трения и т. п., а также полезную работу устройства W_M — магнитная энергия, полученная электромагнитом. Магнитную энергию вычисляют как сумму энергий всех катушек электромагнита по известным вебер-амперным характеристикам для зафиксированного положения всех деталей.

Электромагнит на рис. 7.6 имеет только одну катушку, активное сопротивления провода которой составляет R_U[) и в данном положении якоря его веберамперная характеристика — зависимость потокосцеиления катушки от тока, соответствует кривой ^(Ч*) на рис. 7.7. Эта зависимость может быть получена расчетом или в эксперименте при медленном изменении тока от нуля до максимального значения, т. е. в стационарном приближении.

При включении электромагнита до момента времени t, когда потокосцепление катушки стало ^vF_t (без учета потерь на индуцированные токи):

aside class="viderzhka__img" itemscope itemtype="http://schema.org/ImageObject">

Рис. 7.6. Расчет сил энергетическим методом:

а — электромагнит; б — электрическая цепь электромагнита.

Рис. 7.7. Магнитная энергия в электромагнитной системе.

Переместим якорь электромагнита на малый угол Дер (виртуальное перемещение). Изменится вебер-амнерная характеристика катушки электромагнита (см. рис. 7.7, кривая i₂(^yP)), и ее потокосцепление станет Ч^. При этом будет совершена работа внешними силами против сил электромагнита. Приращение энергии источника dW_n за вычетом приращения энергии потерь dV_u определит приращение магнитной энергии, полученной от источника, которая частично израсходуется на совершения работы по перемещению якоря и изменит магнитную энергию электромагнита.

где dW_M — приращение магнитной энергии (см. рис. 7.7); Д1^_м — изменение магнитной энергии электромагнита; А_вш =AW_M-dW_M — работа внешних сил по перемещению якоря; М = -(A W_M -dW_M)/Дср — магнитный момент в направлении поворота якоря.

Если при перемещении поддерживать постоянное потокосцепление катушки, то приращение магнитной энергии dW_M = 0 и.

Для линейных вебер-амперных характеристик токи можно выразить через индуктивности электромагнита: ц (^х?) = ^х?/Ь_{; i₂(^x?) = ^x?/L₂. При W = const получаем, что.

или для предельно малых перемещений.

где = N²/L — суммарное магнитной сопротивление магнитной цепи электромагнита; L — индуктивность катушки при рассматриваемом положении якоря; N — число витков катушки. Производные всех параметров вычисляются при = const.

Выражение для магнитной энергии можно преобразовать, используя метод интегрирования по частям тогда

Для такой формы записи удобно принять, что перемещения осуществляются при поддержании тока неизменным (i = const), когда последний интеграл в формуле работы равен нулю и.

Если материал сердечника электромагнита имеет магнитный гистерезис, то расчеты изменения энергии должны быть выполнены по частным циклам перемагничивания.

Подвижный элемент в электромеханическом преобразователе (см. рис. 7.4) выполнен из магнитомягкого материала и при изменении магнитного поля электромагнита изменяет свою намагниченность. Зависимость силы притяжения от размера зазора 8 при различных токах показана на рис. 7.8. При изменении полярности тока направление силы и вид зависимостеи не изменяются, так как подвижным элемент также меняет направление намагниченности.

Рис. 7.8. Зависимость от величины зазора и тока силы притяжения подвижного элемента из магнитомягкого материала к электромагниту (см. рис. 7.4):

1 — F= 2250 А; 2-F= 4500 А; 3 — F= 6750 А При приближении подвижного элемента к электромагниту увеличиваются магнитная индукция и намагниченность. Поэтому увеличение силы происходит непропорционально быстро. Также возрастание силы тока увеличивает магнитную индукцию и намагниченность подвижного элемента. Если нет насыщения магнитного материала, то сила возрастает квадратично.

В случае, когда силовое взаимодействие происходит с постоянным магнитом из высококоэрцитивного сплава (NdFeB, SmCo и др.), создаваемое электромагнитом магнитное поле в широком диапазоне изменения магнитной индукции (до 0,6—1,0 Тл и более) слабо влияет на намагниченность постоянного магнита М. При определении направления силы, действующей на постоянный магнит, применяют следующий способ. Постоянный магнит считают однородно намагниченным. С этим допущением его можно представить эквивалентным соленоидом с поверхностной плотностью тока, равной взятому со знаком «минус» векторному произведению вектора внешней единичной нормали к поверхности магнита и вектора намагниченности: i_M = -п х М, или слоями поверхностных магнитных зарядов с плотностью, равной скалярному произведению вектора внешней единичной нормали к поверхности магнита и вектора намагниченности: а_м =р₀(пМ) (см. работу [2]), как показано на рис. 7.9.

Сила, действующая на ток, называется силой Ампера.

а силу, действующую на магнитные заряды в магнитном поле, рассчитывают по аналогии с законом Кулона в электростатическом поле:

Рис. 7.9. Представление однородно намагниченного постоянного магнита поверхностными распределениями фиктивных магнитных зарядов.

и магнитных токов В результате получаем, что на постоянный магнит в неоднородном магнитном поле будут действовать силы P_t и Р₂ (рис. 7.10), которые составят результирующую силу и момент сил в центре масс магнита. Если такой магнит поместить в однородное внешнее магнитное ноле или симметричное, как на рис. 7.10, то может возникнуть только момент пары сил, а результирующая сила будет равна нулю.

В конструкции устройства на рис. 7.11 направление намагниченности постоянного магнита выбрано перпендикулярно оси электромагнита. В магнитоэлектрических электромеханических системах, т. е. в системах, где с магнитным полем электромагнита взаимодействует постоянный магнит, выделяют две составляющие силы: активную и реактивную. Активная составляющая силы Р_я зависит от значения и направления тока в катушке и участвует в преобразовании электрической энергии источника в механическую работу. В нашем примере эта сила направлена в плоскости, перпендикулярной направлению движения постоянного магнита.

Реактивная сила Р, — это сила взаимодействия постоянного магнита с сердечником электромагнита. Постоянный магнит создает собственное магнитное поле, которое намагничивает сердечник, и возникает сила притяжения. Такая сила не может производить полезной работы. Ее сравнивают с силой растянутой пружины. В линейном приближении при постоянной магнитной проницаемости сердечника действует принцип наложения. Реактивная сила не зависит от тока в катушке, а активная сила может быть получена из суммарной вычитанием реактивной составляющей. Нелинейные магнитные характеристики материала заметно влияют на зависимость реактивной силы от тока вблизи насыщения. При отсутствии стального сердечника реактивная сила не возникает. На рис. 7.12 приведена зависимость активной составляющей силы Р_а (кривая 1) при изменении величины зазора 5 и постоянном токе в катушке (F= 4500 А, М = 1000 кА/м). Эта зависимость более пологая, чем у электромагнитной системы на рис. 7.8. Зависимости реактивной силы от величины зазора показывают кривые 2 и 3 на рис. 7.12. Кривая 2 построена при отсутствии тока в катушке, а кривая 3 — с током (F= 4500 А). Различие этих кривых вызвано нелинейными свойствами материала сердечника (сталь 20).

Рис. 7.10. Определение силы, действующей на постоянный магнит:

а — однородно намагниченный магнит во внешнем поле; б — определение сил с использованием модели для магнитных зарядов; в — определение сил с применением модели для магнитных токов.

Рис. 7.11. Электромеханический преобразователь магнитоэлектрического типа:

1 — катушка; 2 — сердечник электромагнита; 3 — постоянный магнит Силы, действующие на постоянный магнит при допущении постоянной магнитной проницаемости сердечника, пропорциональны его намагниченности М, а также линейно возрастают при увеличении тока в катушке электромагнита.

Рис. 7.12. Зависимость от величины зазора сил, действующих на постоянный магнит:

1 — активная сила Р"; 2,3 — реактивная сила Р,. с током и без тока в электромагните Если с магнитным полем электромагнита взаимодействует катушка с током (рис. 7.13, а) и возникающая на этой катушке сила используется для совершения механической работы, то такой электромеханический преобразователь относится к электродинамическому типу. Здесь подобно магнитоэлектрической системе также возникают два вида сил при включенном и выключенном токе электромагнита. Экспериментальным или расчетным путем можно определить результирующую силу Р_х (рис. 1.13, б) и отдельно силу P₍₎j-j при выключенном токе в катушке электромагнита. Поскольку ток в подвижной катушке регулируется, то как сила P_z, так и сила Р_пц могут участвовать в преобразовании электрической энергии в механическую.

Суммарная сила в рассматриваемой конструкции зависит от значений и направлений токов в катушке электромагнита и в подвижной катушке. В отличие от предыдущей конструкции с постоянным магнитом здесь эти силы действуют вдоль одной линии — по оси электромагнита.

Влияние сердечника может проявляться также в изменении направления силы при определенных соотношениях токов в катушках без изменения направлений токов. На рис. 7.14 приведена зависимость силы, действующей на подвижную катушку, от тока в этой катушке. В катушке электромагнита задана постоянная МДС F= 2250 А. Зависимость силы Р₍₎ц от тока в подвижной катушке имеет симметричный четный характер, т. е. значение силы не зависит от направления тока в ней, и сила всегда направлена к сердечнику.

Рис. 7.13. Электромеханический преобразователь электродинамического типа:

а — трехмерное изображение; б — сечение с изображением распределения намагниченности в сердечнике и сил, действующих на подвижную катушку;

1 — катушка с током электромагнита; 2 — сердечник из магнитомягкого материала; 3 — подвижный элемент — катушка с током.

Рис. 7.14. Зависимость силы, действующей на подвижную катушку, от МДС в этой катушке:

1 — результирующая сила; 2 — сила при выключенном токе электромагнита Суммарная сила P_s изменяет знак при изменении тока в подвижной катушке. Нечетная симметрия этой зависимости сохраняется только приближенно на участке, где влияние силы Р₀ц незначительное. При больших токах в подвижной катушке, когда создаваемое ею магнитное поле действует встречно полю электромагнита (положительные токи на графике), сила ^р«п становится преобладающей, суммарная сила уменьшается и меняет знак.

В электрических аппаратах в качестве приводов контактных и других механизмов наиболее широкое применение находят электромагниты, схемы конструкций которых изображенные на рис. 7.15.

Рис. 7.15. Схемы конструкций приводов механизмов электрических аппаратов:

а — электромагнит клапанного типа с поворачивающимся якорем; б — броневой электромагнит с втягивающимся якорем; в — электромагнит клапанного типа с поступательным движением якоря (прямоходовой) и с Шили П-образным сердечником; г — электромагнит с поворачивающимся якорем и С-образным сердечником; 1 — катушка; 2 — сердечник (магнитопровод);

3 — якорь; 4 — полюс сердечника электромагнита Все представленные конструкции относятся к электромеханическим преобразователям электромагнитного типа, у которых действующая на якорь сила или момент возникают из-за намагничивания в магнитном поле электромагнита, выполненного из магнитомягкого материала якоря. Сердечники и полюса электромагнитов также изготовляются из магнитомягкого материала.

Электромагнит клапанного типа с поворачивающимся якорем состоит из катушки на П-образном сердечнике. Якорь закреплен на опоре вращения с одной стороны сердечника. При включении тока в катушке возникает момент, поворачивающий якорь к полюсу электромагнита. При выключении тока якорь возвращается в исходное положение возвратной пружиной (на рисунках не показана). Этот тип конструкции чаще используется на постоянном токе.

Броневой электромагнит с втягивающимся якорем состоит из катушки, помещенной внутрь полого цилиндрического сердечника. Внутри катушки размещены полюс электромагнита как продолжение сердечника (такой полюс иногда называют «стоп») и подвижный стержневой якорь. Якорь совершает возвратно-поступательные движения. При включении электромагнита он притягивается к полюсу, при отключении — возвращается в исходное положение возвратной пружиной. Этот тип электромагнита позволяет получить большие по величине удельные силовые характеристики из-за меньших по сравнению с другими конструкциями значений магнитных потоков рассеяния и преимущественно применяется на постоянном токе.

Электромагнит клапанного типа с поступательным движением якоря (прямоходовой) и с Шили П-образным сердечником содержит одну или несколько катушек, включенных таким способом, чтобы получить максимальный магнитный поток в якоре. Якорь либо в виде пластины, либо Шили П-образный, но без катушек, иод действие магнитных сил и силы возвратной пружины совершает возвратно-поступательное движение. Используются конструкции, где якорь совершает вращательное движение относительно отдельно установленной опоры вращения. Конструкция отличается простотой изготовления шихтованных сердечников и якоря, поэтому она широко применяется на переменном токе.

Электромагнит с поворачивающимся якорем и С-образным сердечником работает следующим образом. При включении тока якорь под действием момента магнитных сил стремится встать в положение по направлению линий магнитной индукции, т. е. вертикально на рисунке. Если в исходном положении якорь находится перпендикулярно линиям магнитной индукции, то из такого положения неустойчивого равновесия он может повернуться в любую сторону. Поэтому исходное положение, устанавливаемое возвратной пружиной с упором, выбирается с углом, меньшим 90°.

В рассмотренных электромагнитах изменение направления тока в катушках не изменяет направление действующей на якорь силы. Управлять направлением силы с помощью изменения направления тока в катушках позволяют конструкции поляризованных магнитных систем, у которых имеется два источника магнитного поля: поляризующий и управляющий. К простейшим типам поляризованных магнитных систем можно отнести магнитоэлектрические и электродинамические электромеханические преобразователи, рассмотренные выше (см. рис. 7.11 и 7.13). Поляризующий источник неуправляемый. Это обычно постоянный магнит или катушка с неизменным током. Управляющий источник — это катушки с током, переключение направления тока в которых приводит к изменению направления силы.

Применение постоянного магнита позволяет зафиксировать якорь после срабатывания, отключить катушку управления и не расходовать энергию в нерабочий период. Поляризованные электромагниты также потребляют меньшую энергию на управление и имеют более высокое быстродействие из-за меньших электромагнитных постоянных времени по сравнению с неполяризованными электромагнитами. Они применяются для приводов высокочувствительных быстродействующих реле, электромагнитных преобразователей электрического сигнала в пропорциональное угловое или линейное перемещение, быстродействующих автоматических выключателей, блокирующих устройств и т. д. В зависимости от схемы конструкции поляризованные электромагниты делятся на последовательные, дифференциальные и мостовые. Каждая из этих схем имеет много разновидностей. Пример дифференциальной конструкции поляризованного электромагнита приведен на рис. 7.16. Он состоит из С-образного сердечника 2, в зазор которого помещен якорь 4, закрепленный одним концом на шарнире вращения.

Шарнир смонтирован на полюсе постоянного магнита 3, который установлен в средней части сердечника. Сердечник, якорь и полюс изготовлены из электротехнической магнитомягкой стали. На сердечнике находятся две соединенные последовательно катушки управления 1. Направление магнитных потоков, создаваемое катушками, согласное, т.с. в одну сторону, но периметру сердечника.

Рис. 7.16. Поляризованный электромагнит дифференциального типа:

а — нейтральное состояние; б — в катушке управления ток положительного направления; в — в катушке управления ток отрицательного направления Якорь может находиться в трех состояниях нейтральном (рис. 7.16, а), повернутом вправо (рис. 7.16, 6) и влево (рис. 7.16, в). В нейтральном положении якорь удерживается пружинами 5.

При положительном направлении тока в катушках управления (см. рис. 7.16, б) магнитные потоки постоянного магнита Ф_пм и катушек Ф_к слева от якоря вычитаются, а справа — складываются. Следовательно, правая сторона намагничивается больше, а левая размагничивается. На якорь будет действовать момент сил, направленный вправо по часовой стрелке. Якорь повернется направо, воздушный зазор между якорем и сердечником с этой стороны уменьшится, магнитный поток постоянного магнита Ф_пмв эту сторону увеличится. Для удержания якоря в смещенном положении может быть достаточно магнитного потока постоянного магнита и ток в катушке управления можно отключить. Аналогично при изменении направления тока в катушках управления якорь поворачивается и удерживается слева (рис. 7.16, в). Для перевода якоря в нейтральное положение значение тока в катушках управления и, соответственно, возникающие магнитные силы должны быть согласованы с усилиями пружин.