6 Электромагниты

6.1Электромагниты постоянного тока

В электромагнитах постоянного тока (ЭПТ) магнитный поток создается обмоткой, на который подается постоянный ток [10]. ЭПТ используются в качестве тяговых электромагнитов, электромагнитных муфт сцепления и торможения, тормозных электромагнитов; электромагнитов в контакторах и автоматических выключателях; электромагнитов реле, датчиков, регуляторов и др.

Характеристики электромагнитов:

1. Статическая или тяговая характеристика представляет собой зависимость электромагнитной силы от рабочего зазора для различных постоянных значений напряжения, подведенного к обмотке, или тока в обмотке: Р_эм =f(δ) при U=const или Р_эм =f(δ) при I=соnst

(6.1)

Выражение (6.1) описывает случаи, когда можно пренебречь рассеянием и магнитным сопротивлением стали (R_мΣ=R_δ ).

Для ЭПТ (рис. 6.1,а) с ходом якоря  зависимость Р= f(δ) (рис. 6.1,б) близка к гиперболической.

a ) б)

Рис 6.1 ЭПТ и его характеристика

2. Анализ показывает что, для нормального срабатывания электромагнита необходимо, чтобы тяговая статическая характеристика, построенная при I_ср=const во всем диапазоне изменений хода якоря, проходила выше противодействующей (рис.6.2 а); для четкого отпускания (возврата), наоборот, тяговая характеристика, построенная при I_отп = соnst, должна проходить ниже противодействующей (рис 6.2 б).

3. Время срабатывания электромагнита — это время с момента подачи напряжения на обмотку электромагнита до перехода якоря в его конечное положение. Время является функцией начальной противодействующей силы Р_пн и заштрихованной площади Q (рис. 6.2).

К основным параметрам электромагнитов относятся следующие:

1.Мощность, потребляемая электромагнитом. Предельная мощность, потребляемая электромагнитом ограничивается величиной допустимого нагрева его обмотки и условиями питания цепи обмотки электромагнита.

2.Коэффициент запаса. В большинстве случаев МДС трогания можно считать равной МДС срабатывания электромагнита. Отношение МДС, соответствующей установившемуся значению тока, к МДС срабатывания носит название коэффициента запаса:

. (6.2)

3.Параметр срабатывания. Представляет собой минимальное значение тока или напряжения, при котором происходит срабатывание электромагнита (перемещение якоря от δ_н до δ_к ).

4.Параметр возврата (отпускания). Соответственно максимальное значение тока или напряжения, при котором якорь возвращается в исходное положение.

5.Коэффициент возврата. Отношение МДС, при которой происходит возврат якоря в первоначальное положение, к МДС срабатывания называется коэффициентом возврата электромагнита:

. (6.3)

Для обычных электромагнитов значение коэффициента возврата всегда меньше единицы и для различных исполнений может составлять от 0,1 до 0,9.

В простейшем случае, использовав приведенную выше взаимосвязь (6.1) k_в равен:

. (6.4)

Для тока срабатывания I = I_cp, δ = δ_н электромагнит достигает равенства Р_эм.ср=Р_п.ср, т. е. силы Р_п.ср, противодействующей срабатыванию (например, силы пружины). Тогда

(6.5)

Аналогично, при возврате (отпускании)

I=I_отн=I_в; P_эм.в=P_п.в; δ= δ_в= δ_к ; (6.6)

Отсюда находим

(6.7)

Уравнение (6.7) — приближенное, оно не учитывает насыщения стали и другие факторы. Выше рассматривались характеристики электромагнитов при не изменяющейся во времени магнитодвижущей силе F. В действительности при включении электромагнита на напряжение ток в обмотке изменяется во времени, причем закон изменения тока будет различным: один — до начала движения якоря ток изменяется по экспоненте с электромагнитной постоянной времени τ_э.н (рис 6.3 участок Оа) , другой — когда якорь придет в движение ток меняется по кривой аb, соответствующей времени движения t_дв. В связи с этим различают время трогания якоря и время его движения и рассмотрение этих слагаемых времени срабатывания производят раздельно. На рис.6.3 показана осциллограмма тока для ненасыщенного электромагнита постоянного тока.

В первой стадии включения (участок Оа на рис. 6.3) индуктивность L_д=L можно полагать неизменной, так как воздушный зазор (δ = δ_н) и его магнитное сопротивление постоянны, а магнитопровод обычно ненасыщен и его магнитное сопротивление можно считать равным нулю. Решение уравнения при начальном условии t = 0, i = 0:

(6.8)

В этом уравнении постоянная времени равна

(6.9)

Из (6.8) для i = I_cp при t = t_тр находим время трогания электромагнита:

(6.10)

Выражение для коэффициента запаса k_з = I_y/I_тр с учетом I_y = U₀/R (6.10). Используя уравнение баланса напряжений на обмотке электромагнита при его включение на напряжение U₀:

(6.11)

На участке аb (рис. 6.3) происходит движение якоря, при этом ток в обмотке, как правило, уменьшается.

Если якорь движется, зазор δ уменьшается, то индуктивность уже нельзя считать постоянной - она увеличивается. В этом случае благодаря электромагнитной индукции в обмотке наводится противо-ЭДС движения, которая уменьшает действующее напряжение , что и приводит к снижению тока.

А при использовании уравнения движения якоря при срабатывании электромагнита

(6.12)

где Р_эм- электромагнитная сила, действующая на якорь, Н; х — путь, пройденный якорем, м; m - приведенная масса подвижных частей, кг; υ ‑ скорость движения подвижных частей, отнесенная к точке приведения масс, м/с; Р_n ‑ сила, противодействующая движению подвижных частей, которая сама может быть сложной функцией положения якоря и скорости его движения, Н.

Находим время движения электромагнита:

(6.13)

где Р_эм и Р_п — электромагнитная и противодействующая (приведенная к оси полюса) силы; х— путь при движении якоря, равный δ_н - δ_к.

Если m брать в кг, силы Р_эм и Р_п — в Н, х—в м, тогда по формуле (6.13) получим время движения в секундах.

Погрешность расчетов по формуле (6.13) получается значительная (около 20—50 %), так как не учитываются динамические процессы движения якоря электромагнита.

Использованием специальных схем (рис. 6.4) можно ускорить срабатывание электромагнитов. Уменьшение времени трогания при срабатывании достигается, при одновременном с увеличением напряжения включением в схему добавочное сопротивление R_доб (рис. 6.4,а), обеспечивающее постоянство .

Использованием емкости С (рис. 6.4,б) можно добиться форсировки тока за счет того, что в первый момент после подачи напряжения U незаряженная емкость С, шунтирует R_доб.

Ускорение срабатывания добиваются включением шунтирующего контакта. Наряду с ускорением действия электромагнита возникают проблемы его замедления наиболее распространенными является электромагнитное демпфирование с помощью короткозамкнутых витков (рис 6.5).