6.2 Поляризованные электромагниты и постоянные магниты

Поляризованные электромагниты постоянного тока характеризуются наличием двух независимых магнитных потоков: поляризующего и рабочего. Поляризующий магнитный поток Ф_п создаётся с помощью постоянных магнитов или специальной обмотки, на которую подается стабилизированное напряжение. Рабочий поток Ф_р возникает под действием МДС рабочей обмотки. При отсутствии в ней тока на якорь действует сила притяжения, создаваемая поляризующим магнитным потоком. Действие поляризованного электромагнита зависит как от величины, так и от направления рабочего потока, т. е. от направления тока в рабочей обмотке. Благодаря своим особым свойствам- зависимости действия электромагнита от направления тока в обмотке, высокой чувствительности (низкой мощности срабатывания), возможности получения при обесточенной обмотке нескольких стабильных положений якоря- они получили широкое распространение в электрических аппаратах На их базе строят как высокочувствительные реле, датчики положения и аппараты защиты, так и сильноточные коммутационные аппараты.

Магнитные системы поляризованных электромагнитов могут быть с последовательной (рис. 6.6,а), параллельной (рис. 6.6,б,в) и мостовой магнитной цепью (рис. 6.6,г).

Во всех системах с постоянными магнитами, создающими поток в рабочем зазоре Фδ , кроме потока рассеяния магнитопровода из мягкой стали Фσм существует еще и поток рассеяния постоянного магнита Фσм , как это показано на рис. 6.6,а.

При использовании для упрощения анализа работы электромагнита можно пренебречь потокам и рассеяния и насыщением стали, поэтому Ф = Фδ= (Fн ± Fр)/RδΣ и считая поле в зазоре равномерным, получим RδΣ = 2δ/μ0S. Знак плюс перед выражением рабочей МДС означает что поляризующая и рабочая МДС действуют согласно, минус - встречно. Электромагнитная сила, действующая на якорь, будет равна

. (6.14)

При отсутствии тока в рабочей обмотке

. (6.15)

График зависимости Р_эм0=f(δ) представлен на рис. 6.7, а (кривая 1) и аналогичен графику обычного электромагнита. При отсутствии тока в рабочей обмотке якорь всегда будет занимать положение с максимальным (начальным) рабочим зазором δ_н (для 2 характеристики пружины). Получается настройка с отклонением к максимальному зазору. Для срабатывания электромагнита в этом случае обмотки должна действовать согласно МДС поляризующей обмотки. При встречном направлении рабочей МДС якорь будет неподвижен.

Минимальный зазор будет при отсутствии тока в рабочей обмотке и якорь всегда будет притянут к сердечнику (для 3 характеристики пружины). Электромагнит сработает только при встречном действии МДС рабочей обмотки по отношению к МДС поляризующей обмотки. Якорь может при отсутствии тока в рабочей обмотке занимать два положения (для 4 характеристики пружины), в зависимости от направления предыдущего действия МДС рабочей обмотки он может остаться или в положении с максимальным зазором (удерживающая сила Р_уд.н) , или в притянутом положении (удерживающая сила Р_уд.к)

Магнитная цепь поляризованных электромагнитов обычно ненасыщенна, поэтому можно пренебречь сопротивлением стали. Для поляризованного электромагнита (см. рис. 6.6,б). При отсутствии тока в рабочей обмотке на якорь действует результирующая сила Р_эм0:

. (6.16)

где S — площадь полюса; Ф_п1 и Ф_п2 — потоки, создаваемые постоянным магнитом в рабочих зазорах δ₁ и δ₂. и

В

а б в

Рис 6.7 Характеристики поляризованных электромагнитов.

ращающий момент равен

(6.17)

где l ‑ плечо электромагнитного М_эм0 момента.

Или с учетом магнитных потоков учитывая что R_δ1 = δ₁/μ₀S; R_δ2 = δ₂/μ₀S получаем:

, (6.18)

где  ‑ полуразность магнитных зазоров между якорем и полюсами.

При δ₂ > δ₁ якорь притягивается к полюсу 1 (влево), при δ₂ > δ₁ – к полюсу 2 (вправо), при δ₂ = δ₁ якоря в среднем положении и М_эм0=0. При протекании тока по рабочей обмотке, возникают два магнитных потока рабочий и магнитный поток от постоянного магнита, поэтому якорь находится под действием силы, равной разности двух сил. Магнитный момент равен

(6.19)

В одном зазоре потоки складываются, а в другом — вычитаются, поэтому такие системы называют также «дифференциальными»

Наибольшей чувствительностью обладают поляризованные электромагниты на базе систем мостового типа. Один из вариантов такого поляризованного электромагнита показан на рис.6.6.б. С точки зрения воздействия сил притяжения на якорь этот электромагнит аналогичен изображенному на рис. 6.6, в, описывается аналогичными уравнениями и имеет подобные характеристики. Эта система также является дифференциальной, но имеет две пары зазоров.

Однако если в поляризованном электромагните с параллельной магнитной цепью (см. рис. 6.6 в) поляризующий магнитный поток проходит по тем же частям магнитопровода, что и поток рабочей обмотки, то в электромагните, изображенном на рис. 6.6,г, пути поляризующего и рабочего магнитных потоков разделены в несколько большей степени. Это способствует более стабильной работе постоянного магнита и повышает чувствительность таких электромагнитов, широко использующихся в системах автоматики.

При симметричной настройке (когда упоры расположены на одинаковом расстоянии от линии симметрии — «нейтрали», см. рис. 6.6,в) якорь может занимать только положения, соответствующие отклонениям х и -х. Поэтому коэффициент возврата k_в = F_р.в/F_р.ср будет для этого случая равен -1. При отсутствии тока в рабочей обмотке якорь может быть расположен у любого из упоров, поэтому такую настройку часто называют двухпозиционной без преобладания. При настройке с магнитным преобладанием (см. рис. 6.6,г) якорь в обоих крайних положениях находится по одну сторону от нейтрали и коэффициент возврата может принимать значения 0<k_в<1. Такая настройка носит название двухпозиционной с преобладанием. Если при отсутствии тока в обмотке якорь возвращается в среднее положение с помощью специальной пружины без предварительной затяжки, то коэффициент возврата k_в=1.

Такая настройка носит название трехпозиционной. Как видно, в поляризованных электромагнитах в отличие от обычных или «нейтральных» электромагнитов постоянного тока коэффициент возврата может изменяться в широких пределах.