1)Сила тяги электромагнита постоянного тока.

Зависимость тяговой силы электромагнита от рабочего зазо­ра при неизменном токе в обмот­ке называется статической тяговой характеристи­кой электромагнита

Р=f (δ) при І=конст . Ес­ли в электромагните вместо ли­нейного перемещения якоря пре­дусмотрен его поворот, то под статической характеристи­кой понимается зависимость момента М на якоре от угла его поворота а, снятая при не­изменном токе в обмотке.

Сила тяги, развиваемая электромагнитом, может быть рассчитана с помощью формулы Максвелла, полученной из анализа магнитного поля, действующего на поверхности полюсов. Если поле в рабочем зазоре равномерно и полюсы ненасыщены, то для электромагнита с одним рабочим зазором сила тяги

Р = BІ_δ S / 2μ₀ = Φ²_δ / 2 μ₀ S

где B_δ и Φ_δ — индукция, Тл, и магнитный поток, Вб, в рабочем зазоре;

S — площадь полюса, м²;.

μ_{0 –} постоянная магнитная проницаемость, Гн/м;

δ- длина зазора

Если клапанный электромагнит имеет два зазора при том же значении Φ_δ магнитного потока в зазоре, то сила тяги удваивается:

Р= ΦІ_δ / μ₀ S

Зависимость Р=f (δ ) при не­изменной МДС, называемая статической тяговой характе­ристикой, представлена на рис. 5.18 (кривая 1).

По мере уменьшения δ сила тяги резко возрастает и при δ = 0 стре­мится к бесконечности.

В действительности при δ >0 воз­растает магнитный поток и увеличивается падение магнит­ного потенциала в магнитопроводе, причем только часть МДС оказывается приложенной к воздушному зазору. Кривая 2 на рис. 5.18 изображает зависимость Р = f (δ), снятую экспериментально. При больших зазорах, когда магнитный поток в магнитопрово­де мал и падением магнитного потенциала в стали можно прене­бречь, расчетная и эксперимен­тальная кривые почти совпада­ют. При малых зазорах сила тяги имеет конечное значение.

2) Сила тяги электромагнита переменного тока. Магнитное сопротивление стали, активное сопротивление обмотки и потери в стали равны нулю; напряжение, ток и магнитный поток меняются синусоидально. При переменном напряжении ток в обмотке определяется в основном её индуктивным сопротивлением, которое резко меняется при перемещении якоря.

Для системы с двумя зазорами сила тяги: Р_m = Φ²_δ / 2 μ₀ S

Мгновенную силу тяги в однофазном электромагните можно выразить через среднюю Р = ( Р_m/2) –( Р_m/2) cos2ωt

Мгновенное значение силы тяги пульсирует с двойной частотой по отношению к частоте тока и напряжения. Первый член – среднее значение силы за период. Второй член представляет переменную составляющую силы и наличие её приводит к вредным явлениям вибрации якоря в эл магните.

Изменение силы во времени отрицательно сказывается на работе электромагнита. Т к однофазный эл магнит имеет 2 полюса одинакового сечения, через который проходит один и тот же поток, мгновенная сила, действующая на якорь равна Ррез = 2 Р. Для притяжения якоря необходимо, чтобы среднее значение силы тяги было больше противодействующего усилия пружины.

УСТНО:В определённые моменты времени противодействующее усилие пружины становится больше силы тяги, что вызывает отрыв якоря от сердечника. Затем по мере нарастания силы тяги якорь вновь притягивается к сердечнику. В результате якорь непрерывно вибрирует, что нарушает работу контактов. Создаётся шум, расшатывается магнитная система. Для притяжения якоря необходимо, чтобы это среднее значение было больше противодействующего усилия пружины

Для устранения вибрации якоря в однофазных эл магнитах используют КЗ витки. Наконечник полюса расщепляется, и на его большую часть насаживается КЗ виток из меди или алюминия. Магнитный поток Ф, создаваемый намагничивающей обмоткой. Разветвляется на 2 части Фн и Фэ(от экранирующего витка). Благодаря чему уменьшается амплитуда пульсации силы. Результирующая сила , действующая на якорь, не ниже определённой минимальной величины.

Рис13

В трёхфазном электромагните силы тяги, развиваемые под каждым полюсом равны

Ра= Р_msin²ωt,

Рв= Р_msin²(ωt – 2/3 π),

Рс= Р_msin²(ωt – 4/3 π),

результирующая сила , действующая на якорь

Р=Ра+Рб+Рс=3Р_m / 2

Результирующая сила, действующая на якорь во времени не меняется. Однако вибрация полностью не устраняется. При прохождении магнитного потока в каждой фазе через нуль сила, развиваемая этой фазой, также равна нулю. В результате точка приложения равнодействующей силы тяги всех трёх фаз перемещается по телу якоря. Поскольку точка приложения противодействующей силы неизменна, то из-за этого возникает вибрация якоря.

д) Сравнение статических тяговых характеристик эл. магнитов постоянного и переменного тока.

1.Если площади полюсов электромагнитов одинаковы и одинаковы максимальные значения В _m индукции в рабочих зазорах, то максимальное значение силы тяги эл. магнита переменного тока равно силе тяги эл. магнита постоянного тока. : Р_m = Ф₂ / 2μ₀ S =

Р = B²S /2 μ₀

2.Поскольку среднее значение силы при переменном токе Рср =Р_m / 2, то средняя сила, развиваемая электромагнитом переменного тока, в 2 раза меньше силы,: развиваемой электромагнитом постоянного тока.

3.Недостатком электромагнитов переменного тока является и вибрация якоря. Применение короткозамкнутого витка с целью уменьшения вибраций приводит к снижению среднего значения силы тяги.

4. Известно, что сила тяги изменяется обратно пропорционально квадрату зазора.

В связи с этим электромагнит постоянного тока либо имеет малый рабочий ход якоря для обеспечения большей силы тяги, либо обмотка должна иметь большую МДС для создания необходимого магнитного потока при больше воздушном зазоре.

5.Для электромагнитов переменного тока характерна слабая зависимость силы от величины воздушного зазора. Это объясняется тем, что с изменением зазора меняется индуктивное сопротивление обмотки. С ростом зазора растёт его магнитное сопротивление, но и растёт ток в обмотке, так что поток в зазоре падает только за счёт активного падения напряжения в обмотке. В связи с этим эл магнит переменного тока может работать при относительно больших ходах якоря.

6.К недостаткам эл магнитов переменного тока относится то, что слабо возрастающая по ходу якоря тяговая характеристика ограничивает возможности согласования её с нагрузочной характеристикой.

Тяговые характеристики электромагнита переменного тока могут быть улучшены при питании обмотки выпрямленным переменным током.

В электромагнитах переменного тока для компенсации активных потерь в стали приходится затрачивать дополнительную энергию. Это приводит к увеличению намагничивающего тока в обмотке. Материалы для эл. магнитов переменного тока должны иметь малые потери на вихревые токи и гистерезис. Магнитопроводы для таких эл. магнитов делаются шихтованными из пластин. Чем выше частота тока, тем меньше должна быть толщина пластин. Для быстродействующих эл. магнитов постоянного тока также применяются шихтованные Магнитопроводы, т.к. при этом уменьшаются вихревые токи, замедляющие нарастание потока.

Основные характеристики электромагнита

Рис14

Основные параметры:

Мощность, потребляемая эл магнитом - предельная мощность может ограничиваться каквеличиной допустимого нагрева его обмотки, так и условиями питания обмотки эл магнита.

Коэф-т запаса – отношение МДС, соответствующей установившемуся значению тока, к МДС срабатывания Кз = Fу/Fср = Iу/Iср >1

Параметр срабатывания – минимальное значение тока или напряжения, при котором происходит срабатывание эл магнита (перемещение якоря)

Параметр отпускания (возврата)- максимальное значение тока или напряжения, при котором якорь возвращается в исходное положение. Отношение тока отпускания к току срабатывания называется коэф-том возврата Кв = Fв/Fср = Iв/Iср = 0,1…0,9

Динамика работы эл магнита постоянного тока.

Уравнение баланса напряжений на обмотке эл магнита при включении U = iR + dΨ/dt

Ψ-потокосцепление.

В первой стадии включения (ОА) индуктивность L = L = const, т к рабочий зазор относительно велик и его магнитное сопротивление постоянно, а магнитопровод ненасыщен.

Ток обмотки, при котором начинается движение якоря , называют током трогания

i _тр , а время нарастания тока от нуля до i _тр – временем трогания t_тр.

Время трогания зависит от коэф-та запаса Кз и растёт с приближением Кз к 1.

На уч-ке (ав) происходит движение якоря, при этом ток в обмотке уменьшается. При движении якоря зазор уменьшается и его магнитная проводимость G и индуктивность обмотки увеличивается. Чем больше скорость движения якоря, тем больше спад тока.

В точке (в), соответствующей крайнему положению якоря, уменьшение тока прекращается.

Начало движения якоря имеет место при i _тр меньше установившегося значения <Iу. При движении якоря ток вначале ещё немного нарастает, а затем падает до значения

I₀ < при i _тр. Итак, во время движения якоря ток в обмотке меньше Iу. Поэтому и сила тяги, развиваемая эл магнитом в динамике, значительно меньше, чем в статике.

Отпускание эл магнита. При размыкании цепи обмотки эл магнита магнитный поток в нём начинает уменьшаться из-за введения в цепь большого сопротивления дугового или тлеющего разряда между контактами. U = iRд + iR + dΨ/dt

Rд- сопротивление дуги или искры. Обычно Rд >>R процесс спада тока, а следовательно и магнитного потока протекает очень быстро. Если сердечник, на котором размещается обмотка сплошной и имеет большое сечение, то спад магнитного потока замедляется, из- за возникающих вихревых токов.

ЧЛМТ_Ускорение срабатывания эл магнитов

В ряде случаев на практике необходимо замедлить или ускорить действие электромагнита

1- снижением, возникающих в переходных режимах вихревых токов в магнитопроводе - шихтованный магнитопровод

2- применением спец схем, содержащих сопротивления и ёмкости:

а) время трогания можно уменьшить включение Rдоб t = L /R+ Rдоб Недостаток- увеличение теряемой

мощности;

б) включение ёмкости: за счёт тока заряда конденсатора в обмотке электромагнита

ток растёт быстрее;

в) шунтирование Rдоб размыкающим контактом, связанным с якорем

электромагнита: после подачи напряжения малое сопротивление способствует

быстрому нарастанию тока до «тока трогания».

ЧЛМТЗамедление срабатывания эл магнитов.

- увеличение времени трогания и времени движения. Распространённым является эл магнитное демпфирование с помощью КЗ обмоток, выполненных из медной или алюминевой гильзы, надеваемой на сердечние эл магнита.

- Вихревые токи, появляющиеся в экранирующих гильзах в момент замыкания или размыкания основной обмотки, задерживают изменение магнитного потока. При опускании якоря достигается больший замедляющий эффект, тк при отключении обмотки переходный процесс происходит при притянутом якоре, когда индуктивность системы больше, т е -увеличением индуктивности самой катушки

- последовательным включением дополнительной индуктивности.,

- включение параллельно катушке ёмкости,

-при помощи к-з витка

Динамика электромагнитов переменного тока.

Рис. Зависимость тока в об­мотке от времени при включении электромагнита переменного тока.

Форма намагничивающего тока резко отличается от синусоидальной.

При включении обмотки и момент времени, соответству­ющий нулю тока (потока), постоянная составляющая не по­является и пиковое значение потока появляется через 1/4 периода после включения. Таким образом, в электромагни­тах переменного тока обеспечивается быстрое трогание элек­тромагнита без применения специальных мер.

На рис. показаны динамические характеристики электромагнита переменного тока частотой 50 Гц с ходом якоря 6мм, полученные на ЭВМ. Включение обмотки происходит в момент прохожде­ния питающего напряжения через нуль . Из приведенных кривых видно, что ток в обмотке имеет апери­одическую составляющую. Кривая силы тяги Рэм достигает максимума через 0,01 с после включения и имеет довольно сложный характер. Если включение происходит при ампли­тудном значении напряжения на обмотке (рис. 5.29,6), то первый максимум силы наступает через 0,004 с после включения. Второй максимум превышает первый в 6 раз и достигается через 0,015 с после включения обмотки. Таким образом, в первом случае время срабатывания эл. магнита составляет окол0,011, во втором 0,0135с.

Необходимо отметить, что в момент включения электромагнита рабочий зазор в магнитной цепи велик, что вызывает большой намагничивающий ток, в десятки раз больший, чем ток при притянутом положении якоря Следовательно, эл магниты переменного тока обладают больши м быстродействием, чем постоянного тока.