Электрические аппараты - Электромагниты

Магнитной цепью называются совокупность деталей и воздушных зазоров, через которые замыкается магнитный поток.
Различают разветвленные и неразветвленные магнитные цепи.
НЕРАЗВЕТВЛЕННАЯ МАГНИТНАЯ ЦЕПЬ:

11 - сердечник
22 - катушка электромагнита
33 - якорь
44-5 - воздушный зазор
6 - возвратная пружина

РАЗВЕТВЛЕННАЯ МАГНИТНАЯ ЦЕПЬ

Воздушный зазор изменяется при перемещении якоря.
ФФd-рабочий поток
ФФs-поток рассеяния

Магнитная цепь характеризуется следующими параметрами:

- Магнитным потоком Ф (фи) в веберах (Вб);
- Магнитной индукцией В=Ф/S в теслах (Тл);
- Напряженностью магнитного поля Н в амперах на метр (А/м);
- Магнитной проницаемостью =В/Н в генри на метр (Гн/м);
- Магнитодвижущей силой F=IW в амперах (А).
Магнитное поле создается током намагничивающей катушки. Чем больше ток (I) катушки и чем больше витков она имеет (W), тем сильнее магнитное поле, поэтому величина F=IW называется магнитодвижущей силой (М..Д.С.), которая рассматривается как причина возникновения магнитного поля.
Магнитопровод выполняется из ферромагнитного материала, который способен намагничиваться, т.е. усиливать магнитное поле, создаваемое током, при этом необходимый намагничивающий ток для создания определенного поля уменьшается в сравнении со случаем отсутствия магнитопровода. Кроме того, магнитопровод направляет поле, создаваемое катушкой, в нужную сторону. (У нас на рисунке к воздушному зазору).
Магнитное поле условно отображается замкнутыми силовыми линиями. (На рисунке пунктир). Направление и интенсивность магнитного поля в каждой точке определяется вектором магнитной индукции , касательным к силовым линиям. Вектор  оценивают по механической силе, с которой магнитное поле действует на проводник с током. Чем больше , тем сильнее поле в данной точке.
Если пересечь силовые линии плоскостью S, то векторы магнитной индукции  пронизывают ее (подобно струям воды, текущей из крана), образуя скалярную величину:

• магнитный поток Ф=,

         (где  – нормаль к поверхности S).
Для равномерного потока (В равномерно распределено по S), перпендикулярного к S,значение Ф=BS.
В (магнитная индукция) оценивает магнитное поле в каждой точке, а Ф (магнитный поток) – по всему сечению магнитопровода. (Аналогично вода, текущая в трубе, имеет различную скорость в каждой точке сечения, а поток определяет расход через всё сечение трубы.)
Влияние среды, где имеется магнитный поток, оценивается вектором напряженности магнитного поля:
,
где  - относительная магнитная проницаемость среды,
=4π*10-7 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость вакуума.
Для неферромагнитных материалов , а для намагничивающихся ферромагнитных >>1. Записав, приходим к выводу - коэффициент  примерно показывает, во сколько раз ферромагнитный сердечник усиливает магнитное поле, создаваемое катушкой с током.
Так как ферромагнитные материалы легко намагничиваются, то магнитный поток преимущественно замыкается по магнитопроводу (он играет для магнитного потока такую же роль, как и проводник для электрического тока), магнитная индукция в магнитопроводе намного больше, чем в окружающей среде. Поэтому различают основной магнитный поток Фd, который замыкается через рабочий (воздушный) зазор (а при его отсутствии через рабочий объем магнитопровода) и поток рассеяния Фσ, не доходящий до рабочего объема.
2-6.
Обычно Фd>>Фσ. Если специально не оговорено, будем дальше считать, что основной поток Фd – равномерный, а потоком Фσ будем пренебрегать.
При постоянном намагничивающем токе I направление потока Ф неизменно: это магнитная цепь с постоянной М.Д.С. Источником такого потока могут быть постоянные магниты.
При переменном токе i направление потока переменно: это магнитная цепь с переменной М.Д.С.
На магнитные цепи, как и на электрические, распространяются понятия ветвь, узел, контур.
О магнитных свойствах материалов, мы с Вами говорили в курсе ЭТМ (л/р №8).
И понятие домены, собственная намагниченность, коэрцитивная сила (значение обратной напряженности, при которой материал полностью размагничивается В=0), мягнитомягкие и магнитотвердые материалы Вам знакомы.
Поэтому перейдем к следующему вопросу.

МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ С ПОСТОЯННОЙ М.Д.С.

РАСЧЕТ НЕРАЗВЕТВЛЕННОЙ ОДНОРОДНОЙ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ (из одного материала с неизменным сечением)
Расчеты магнитных цепей основаны на известном из физики законе полного тока
                                                  (1)
— интеграл вектора напряженности вдоль замкнутого контура равен полному току, охваченному контуром.
Применим его к тороиду, т.е. к кольцевому соленоиду с ферромагнитным сердечником, поток которого близок к равномерному.
Выделим в соленоиде контур по его средней линии с радиусом R. В силу равномерности поля вектор Н одинаков в каждой точке средней линии и касателен к ней, поэтому
,
где  - длина средней линии.
Если катушка имеет W витков, то ток I катушки пересекает контур W раз, поэтому полный ток ΣI=IW.
Тогда формула (1) принимает вид
,
откуда
.                                                     (2)
Для однородной магнитной цепи по заданному I однозначно определяется H или наоборот. Изменяя I, можно изменить Н, измеряя при этом Ф, можно определить , т.е. снять экспериментально кривые намагничивания.
Если кривая намагничивания задана, то для однородной магнитной цепи можно решить две задачи:
1) По заданному Ф определить , по В на кривой намагничивания найти Н и => намагничивающий ток. Это – прямая задача расчета магнитной цепи.
Дано: L,S,Ф – магнитный поток.
1)
2)

3)

2) По заданному намагничивающему току I, найти H, по H на кривой намагничивания найти В и =>. Это – обратная задача расчета магнитной цепи.
Дано: L, S, IW – МДС.

2)

3)
Эти две задачи решались без учета рассеяния. В неоднородной магнитной цепи решения этих задач усложняются.
ПРЯМАЯ ЗАДАЧА РАСЧЕТА НЕРАЗВЕТВЛЕННОЙ НЕОДНОРОДНОЙ
 МАГНИТНОЙ ЦЕПИ

Пусть заданы геометрические размеры магнитной цепи,

кривая намагничивания электротехнической стали сердечника, магнитный поток Ф.
Требуется определить поперечное сечение сердечника SC и намагничивающий ток.
Сечение сердечника
                                              (3),
где: – оптимальное значение индукции в сердечнике, которое принимают на границе насыщения (на рисунке т.А).
При  увеличивается сечение магнитопровода (перерасход стали), при  резко увеличивается напряженность поля в магнитопроводе, что потребует увеличения тока и (или) числа витков намагничивающей катушки (перерасход меди). Из формулы (3) следует: чем больше магнитный поток, тем больше сечение магнитопровода.
Для вычисления тока неоднородную цепь делят на однородные участки, вдоль которых Н и В неизменны. Здесь их два: сердечник, имеющий одно сечение, и воздушный зазор. Индукции на каждом участке  и , где  и  - сечения сердечника и зазора. Обычно в зазоре поток выпучивается, однако при коротких зазорах .
По кривой намагничивания по Вср находят Нср в сердечнике. Для воздушного зазора .
Применим закон полного тока (1) () к контуру по средней линии магнитного потока. Заменив интеграл суммой  для каждого однородного участка, получим:
,                                            (4)
где  и  - длины сердечника и зазора.
Из (4) определяем:

и задача решена.
АНАЛИЗ УРАВНЕНИЯ ПОЛНОГО ТОКА ДЛЯ
НЕОДНОРОДНОЙ ЦЕПИ
Произведение  называется магнитным напряжением, показывающим, какая доля М.Д.С.  расходуется на проведение потока Ф через данный участок магнитной цепи: чем больше напряженность поля  и чем больше длина  участка, тем больше ампер–витков нужно затратить на проведение через него магнитного потока.
Значения напряженности в воздушном зазоре намного больше, чем в ферромагнитном сердечнике. (Так, для электротехнической стали с =4000 значение , а для воздушного зазора . При равных величинах В имеем , т.е. 1мм воздушного зазора эквивалентен для данной стали 4000 мм сердечника.)
Итак, воздушные зазоры вызывают резкое возрастание намагничивающих токов, поэтому паразитные воздушные зазоры в магнитных цепях должны исключаться.
Для уменьшения намагничивающих токов длины участков магнитных цепей () должны быть минимальными.
Если магнитная цепь имеет заметный воздушный зазор, то в формуле (4) обычно . При расчетах такой цепи можно пренебречь значением , т.е. считать, что сердечник - идеальный магнитопровод, не требующий М.Д.С. на проведение по нему потока. Тогда расчет в первом приближении достаточно проводить только с учетом М.Д.С., необходимой для проведения потока через зазор.
2-15.

ОБРАТНАЯ ЗАДАЧА РАСЧЕТА НЕРАЗВЕТВЛЕННОЙ НЕОДНОРОДНОЙ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ

Заданы размеры и материал магнитопровода, число витков W и ток I магнитной цепи.
Требуется найти поток Ф.
При этом в формуле (4)  известна правая часть, но не зная Ф, нельзя знать  и , т.е. разделить М.Д.С.  между неоднородными участками цепи. Поэтому эту задачу решают методом от обратного. Задаются произвольно несколькими значениями потока Ф1, Ф2, Ф3. Для каждого из них решают прямую задачу, определяя соответствующие им намагничивающие токи I1, I2, I3. Строится график . Отложив на нем заданный ток I, находим искомый поток Ф.

МАГНИТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Кривая  устанавливает однозначную зависимость между намагничивающим током (I причиной) и создаваемым им магнитным потоком (следствием). Она называется магнитной или  вебер-амперной характеристикой данной магнитной цепи и определяется расчетом или экспериментально. Характеристика нелинейна. Вначале Ф растет пропорционально току (линейная часть характеристики).
После насыщения ферромагнитного сердечника (точка А) даже значительное увеличение (I) тока дает малый прирост (Ф) потока (работа в зоне насыщения). Работа в ней обычно нерациональна.
ЗАКОНЫ МАГНИТНЫХ ЦЕПЕЙ И АНАЛОГИЯ С
ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ЦЕПЯМИ.

Подставив в формулу (4)

,  и далее  и , получим
,                                     (5)
где ,  - магнитные сопротивления сердечника и воздушного зазора. По аналогии с электрической цепью уравнение (5) можно назвать уравнением состояния магнитной цепи. Оно показывает, что М.Д.С.  расходуется на проведение магнитного потока через магнитные сопротивления  и  участков магнитной цепи.
Магнитные сопротивления, как и электрические, пропорциональны длинам участков, обратнопропорциональны их сечениям и зависят от материала участка. Магнитные сопротивления воздушных зазоров намного больше, чем сердечников.
Выражение, аналогичное закону Ома для электрической цепи, условно называют законом Ома для магнитной цепи.

.                                     (6)
-магнитный поток равен М.Д.С. (F), деленной на сумму магнитных сопротивлений ().
Между магнитными и электрическими цепями имеется формальная аналогия для следующих велечин.

1-й – з-н Кирхгова – алгебраическая сумма потоков в узле равна нулю.
2-й – закон – сумма падений магнитных потенциалов по замкнутому контуру равна сумме М.Д.С. по этому контуру.
Для магнитных цепей, как и для электрических возможно составление схем замещения. Эти схемы рассчитываются с помощью указанных выше законов, следует только иметь в виду, что магнитные сопротивления – существенно нелинейны.

                                                                      – составляющие магнитных
сопротивлений, принадлежащих только
сердечнику.
МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ С “~” М.Д.С.
Электромагнитные процессы.
В установившемся режиме ток намагничивающий катушки постоянного тока I=U/R, при включении этой же катушки в цепь переменного тока
,где: U – напряжение сети;
R – сопротивление проводов катушки;
XL – индуктивное сопротивление катушки, которое формально
учитывает токоограничивающее влияние э.д.с. самоиндукции EL,
возникающей в катушке на переменном токе. (Ток в идеальном индуктивном элементе (не имеющем сопротивления R) ограничивается возникающей в нем э.д.с. самоиндукции, значение которой определяется динамическим равновесием, возникающим в этой цепи в соответствии с причинно – следственной цепочкой , а именно: переменное напряжение  (с заданной амплитудой) вызывает переменный ток  с такой амплитудой, что создаваемый им переменный магнитный поток с потокосцеплением  наводит в индуктивном элементе э.д.с. самоиндукции  с такой амплитудой, что она точно уравнивает приложенное напряжение. Известно, что э.д.с. самоиндукции направлена так, чтобы противодействовать изменению тока ).
Из-за влияния XL ток катушки в цепи переменного тока меньше, чем в цепи постоянного тока. Поэтому катушки, рассчитанные на включение в цепь переменного тока, нельзя включать в цепь постоянного тока на то же напряжение (они сгорят).
Если же необходимо включить эту катушку в цепь постоянного тока, нужно снизить напряжение или включить последовательно добавочное токоограничивающее сопротивление.
Обычно на переменном токе , поэтому при изучении главных свойств магнитных цепей переменного тока можно пренебречь , т.е. перейти к рассмотрению идеальной катушки переменного тока с ферромагнитным сердечником, для которой считаем отсутствующими сопротивление проводов и поток рассеяния ().
МАГНИТНЫЙ ПОТОК ИДЕАЛЬНОЙ КАТУШКИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ФЕРРОМАГНИТНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ

При включении такой катушки в цепь переменного тока установившиеся процессы в ней описываются причинно-следственной цепочкой
UiψeL=U              (*)
Условно-положительные направления в нее величин указаны на следующем рисунке.

Известно, что значение Э.Д.С.:
eL=,
где W – число витков катушки;
Ф – мгновенное значение ее магнитного потока.
Учитывая (*), можно записать:
U=eL=,откуда:
       (**)
Т.е. поток Ф в идеальной катушке переменного тока создается током i, но характер его изменения определяется приложенным напряжением U.
Подставив в (**) значение U=Umsin wt и проинтегрировав, получим:
Ф=Фmsin(wt-900),где  - амплитуда магнитного потока.
Откуда следует, что:

• – при синусоидальном напряжении, приложенном к идеальной катушке, ее магнитный поток – синусоидален;
• – магнитный поток Ф отстает от напряжения U по фазе на 900;
•  – амплитуда магнитного потока определяется амплитудным значением приложенного напряжения.

С учетом  и  выражение принимает вид:
.
Это выражение связывает приложенное к идеальной катушке напряжение U с амплитудой магнитного потока Фm, частотой тока f и числом витковW.

МАГНИТНЫЕ ПОТЕРИ
Переменный магнитный поток приводит к нагреву магнитопровода из-за магнитных потерь в стали, которые вызываются перемагничиванием сердечника (гистерезисные потери) и вихревыми токами в сердечнике (вихревые потери).
В каждом поперечном сечении толщи магнитопровода создается переменная Э.Д.С. () по линиям концентрических окружностей.

Под действием Э.Д.С. возникают по тем же окружностям вихревые переменные токи i, нагревающие сердечник.
Для снижения гистерезисных потерь применяют электротехнические стали или сплавы с узкой петлей гистерезиса.
Для уменьшения вихревых потерь сердечник набирают (шихтуют) из пластин толщиной (0,350,5) мм., изолированных друг от друга (лаком, папиросной бумагой и т.д.).
При этом путь для тока в каждой пластине становится уже и длиннее, что (в соответствии с , где  - удельное сопротивление проводника, (Ом*мм2)/м,  - его длина, м;  - площадь поперечного сечения) ведет к возрастанию сопротивления цепи, по которой идет вихревой ток, т.е. к уменьшению величины тока и потерь на нагрев.
Удельные магнитные потери в ферромагнитных материалах приводятся в каталогах в зависимости от материала, частоты тока и индукции (1…4 Вт/кг)
Итак: ферромагнитные сердечники для магнитных цепей постоянного тока могут быть сплошными, а для магнитных цепей переменного тока набираются (шихтуются) из тонких листов электротехнической стали.
ОСНОВНОЕ СВОЙСТВО МАГНИТНОГО ПОТОКА ИДЕАЛЬНОЙ КАТУШКИ С ФЕРРОМАГНИТНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ. ВЛИЯНИЕ ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА.

При увеличении воздушного зазора увеличивается магнитное сопротивление цепи, поэтому магнитный поток должен снижаться.
При включении этой катушки в цепь постоянного тока в установившемся режиме ток катушки , где  - сопротивление проводов катушки, т.е. ток не зависит от зазора. Поэтому на постоянном токе с увеличением воздушного зазора магнитный поток уменьшается.
На переменном токе положение другое. При зазоре =0 будет иметь место динамическое равновесие .
Если увеличить зазор, то магнитный поток должен уменьшаться, что привело бы к уменьшению .
Но тогда нарушится равновесие  и  (<), что приведет к возрастанию тока, при котором восстановится поток, т.е. динамическое равновесие.
Итак: в идеальной катушке переменного тока значение намагничивающего тока автоматически устанавливается таким, чтобы обеспечить равновесие между приложенным напряжением и противо-э.д.с. самоиндукции.
Любое возмущение, стремящееся к нарушению этого равновесия (например, увеличение воздушного зазора), будет приводить к автоматическому изменению намагничивающего тока для восстановления этого равновесия.
В идеальной катушке переменного тока при увеличении воздушного зазора поток =const, но намагничивающий ток автоматически возрастает.
Индуктивное сопротивление идеальной катушки:

С увеличением воздушного зазора индуктивное сопротивление идеальной катушки переменного тока уменьшается.

Стремление к сохранению значения магнитного потока будем называть основным свойством магнитного потока идеальной катушки переменного тока с ферромагнитным сердечником.
Оно является частным проявлением общего закона физики: замкнутый электрический контур стремится сохранить неизменным свой магнитный поток, и лежит в основе действия трансформаторов и электрических машин переменного тока.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАГНИТНЫХ ЦЕПЕЙ
Магнитные цепи широко используются в трансформаторах и электрических машинах. Свойство катушек переменного тока изменять свое сопротивление с изменением воздушного зазора используется для:-создания индукционных датчиков перемещения. Перемещение якоря ведет к изменению тока, т.е. ток становится мерой перемещения;-создания бесконтактных датчиков перемещения машин. Катушка, размещенная на сердечнике без якоря устанавливается рядом с трассой движения какой-либо машины. Когда машина проходит мимо сердечника, ее железная масса играет роль приближающегося якоря, что ведет к снижению тока. Контролируя ток, можно установить момент приближения машины к точке контроля;-регулирования величины сварочного тока. Катушка включается последовательно со сварочным агрегатом. При большом зазоре ее сопротивление мало и сварочный ток – большой. При малом зазоре наоборот.
Способность электромагнитов притягивать близко расположенные ферромагнитные тела используется в тяговых электромагнитах. Ток, проходя по катушке неподвижного сердечника, создает поток. По сторонам воздушного зазора образуются два противоположных полюса (там, откуда выходят силовые линии – северный полюс N, куда входят – южный S). Противоположные полюса притягиваются, т.е. возникают силы, притягивающие подвижный якорь к неподвижному сердечнику.
Сила, действующая в одном зазоре:
,

• (тяговая характеристика – это зависимость тягового усилия электромагнита от величины воздушного зазора)

где  - поток в зазоре,  - сечение зазора.
Выпускаются электромагниты постоянного и переменного (одно- и трехфазные) токов.
Основные характеристики – общее тяговое усилие (Н), максимальный ход (мм).
ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Электромагнитными называются устройства, предназначенные для создания в определенном пространстве магнитного поля с помощью обмотки, обтекаемой электрическим током.
В электромагнитах постоянного тока рабочий магнитный поток создается с помощью обмотки постоянного тока.
Действие таких электромагнитов не зависит от направления тока в обмотке, они наиболее экономичны и благодаря разнообразию конструктивных исполнений их легко приспосабливать в различных конструкциях к различным условиям работы. Поэтому они получили наибольшее распространение. Значительную часть электромагнитов “—” тока составляют электромагнитные механизмы, использующиеся в качестве привода для осуществления необходимого перемещения.
Примером подобных электромагнитов являются: тяговые электромагниты, предназначенные для совершения механической работы при перемещении их рабочих органов, электромагниты муфт сцепления и торможения и тормозные электромагниты; электромагниты, приводящие в действие контактные устройства в контакторах, пускателях, автоматических выключателях; электромагниты реле, регуляторов и других чувствительных устройств автоматики.
При всем разнообразии электромагнитов отдельные их узлы имеют общее назначение:-катушка с расположенной на ней намагничивающей обмоткой;неподвижная часть магнитопровода (сердечник);-подвижная часть магнитопровода (якорь).
Якорь отделяется от остальных частей магнитопровода рабочим и паразитным зазорами и представляет собой часть электромагнита, которая, воспринимая электромагнитное усилие, передает его соответствующим деталям приводимого в действие механизма.
В зависимости от расположения якоря относительно остальных частей электромагнита и характера воздействия на якорь со стороны магнитного потока электромагниты постоянного тока разделяются на следующие типы:

• – электромагниты с втягивающимся якорем;
• с внешним притягивающимся якорем;
• с внешним поперечно движущимся якорем.

Одна из типичных конструкция 1. Характерной особенностью таких электромагнитов является то, что якорь, или как его в данном случае можно назвать, подвижный сердечник, располагается целиком или частично внутри катушки с обмоткой. В процессе срабатывания электромагнита якорь, перемещаясь поступательно, погружается в катушку. Втягивание якоря происходит как за счет магнитного потока, проходящего через торцевую поверхность якоря, так и за счет действия магнитных потоков, выходящих из его боковой поверхности.

У электромагнитов с внешним притягивающимся якорем якорь расположен снаружи по отношению к катушке. На него действует главным образом рабочий магнитный поток, проходящий от якоря к торцу шляпки сердечника. В результате этого якорь поворачивается в пределах малого угла или совершает поступательное перемещение в направлении линии индукции рабочего магнитного потока.

В случае конструкции с внешним поперечно движущимся якорем якорь также располагается снаружи катушки. Рабочий магнитный поток, действующий на якорь, проходит из его боковой поверхности к полюсным наконечникам, имеющим особую форму, определенным образом согласованную с формой боковой поверхности якоря. В результате воздействия со стороны рабочего магнитного потока якорь движется поперек магнитных линий, поворачиваясь на некоторый угол.
В каждой из трех перечисленных групп электромагнитов “—” тока в свою очередь имеется ряд конструктивных разновидностей, определяемых конструкцией магнитной цепи. Кроме того, в зависимости от способа включения обмотки электромагнита различают электромагниты с обмотками параллельного включения и с обмотками последовательного включения.
В первом случае обмотка выполняется таким образом, что ее включают на полное напряжение источника питания непосредственно или через добавочное сопротивление. Ток в цепи обмотки параллельного включения полностью или в значительной степени определяется ее параметрами.
Обмотка последовательного включения практически не влияет на величину тока той цепи, в которую она включается. Последний определяется параметрами остальных элементов цепи.
Благодаря этим особенностям некоторые характеристики электромагнитов параллельного и последовательного включений, в первую очередь их динамические характеристики оказываются,  различными. И, наконец, электромагниты различаются по скорости их срабатывания.
РАБОЧИЙ ЦИКЛ ЭЛЕКТРОМАГНИТА
Работа электромагнита в электромагнитном механизме носит циклический характер. Это определяется тем, что якорь электромагнита, используемого в качестве привода, совершает поступательное или вращательное перемещение в ограниченных пределах, следовательно, необходимо обеспечивать его возврат в исходное положение.
Для рассмотрения работы электромагнита приводим следующие рисунки: зависимость положения якоря от времени и зависимость тока в обмотке электромагнита от времени.

Первым этапом рабочего цикла является процесс срабатывания электромагнита. Он начинается с момента подачи питания на обмотку электромагнита, когда якорь переходит из своего начального положения  в конечное  и подразделяется на период трогания и период движения.
В ПЕРИОД ТРОГАНИЯ ток в обмотке электромагнита нарастает до , обеспечивающего равенство электромагнитной силы силам, противодействующим движению. После этого якорь приходит в движение.
ВРЕМЯ ТРОГАНИЯ , в течении которого ток нарастает до тока трогания, определяется как схемой включения обмотки электромагнита и условиями ее питания, так и параметрами самого электромагнита и его нагрузки. Для одного и того же электромагнита при разной нагрузке (противодействующих движению силах) время трогания будет различно.
Характер движения зависит от соотношения движущих (электромагнитных) и противодействующих сил, а так же массы движущихся частей, трения и т.д.
В период движения при срабатывании совершается та работа, которую должен произвести электромагнит. Ток в обмотке электромагнита в процессе движения якоря, как правило, изменяется (кривая 2).
Его изменения связаны как с процессом установления тока в обмотке, который имел бы место при неподвижном якоре (кривая 1), так и возникновением противо-э.д.с., связанной с движением якоря. Период движения определяет время движения при срабатывании , которое совместно с временем трогания составляет время срабатывания.
После окончания перемещения якоря следует период включенного состояния, в течение которого система находится в покое, а обмотка остается во включенном состоянии.
В начальной стадии этого периода ток в обмотке электромагнита нарастает до установившегося значения (кривая 3), после чего, если не изменяются напряжение питания и сопротивление обмотки, ток остается неизменным.
Длительность включенного состояния зависит от требований эксплуатации электромагнита. Температура нагрева, которой достигает обмотка электромагнита в процессе включенного состояния, не должна превосходить допустимого значения.
Процесс возврата якоря в исходное состояние, так же как и срабатывание, происходит двумя ступенями. Сначала при отключении обмотки ток спадает до величины тока отпускания , при котором электромагнитная сила становится равной силе, стремящейся возвратить якорь в исходное положение. Длительность этого процесса характеризуется промежутком времени , зависящим от нагрузки, условий отключения обмотки и от задерживающего действия вихревых токов в массивных частях электромагнита и короткозамкнутых контурах, если такие имеются. Перемещение подвижных частей в исходное положение происходит в течении времени , которое зависит от ряда факторов и, в первую очередь, от величины отбрасывающих якорь усилий. Время отпускания и время движения в процессе возврата составляют время возврата .
Цикл работы электромагнита завершается периодом отключенного состояния, в течении которого обмотка электромагнита остается обесточенной и происходит ее охлаждение.
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ
Наиболее общими являются динамические характеристики, которые учитывают изменение намагничивающей силы электромагнита в процессе его срабатывания за счет действия э.д.с. самоиндукции и движения, а также учитывают трение, демпфирование и инерцию подвижных частей. Для некоторых типов электромагнитов (быстродействующие приводы выключателей, электромагнитные вибраторы и т.д.) знание динамических характеристик является обязательным, так как только они характеризуют рабочий процесс такого электромагнита. Однако получение динамических характеристик сопряжено с большим объемом вычислений. Поэтому во многих случаях, особенно когда не требуется точного определения времени срабатывания, ограничиваются рассмотрением статических характеристик.
Последние получаются, если не учитывать влияния на электрическую цепь движущегося якоря электромагнита, а также не учитывать изменения потокосцепления по времени, т.е. считать, что ток в обмотке электромагнита неизменен.
Важнейшими характеристиками электромагнита с точки зрения его оценки являются следующие:

• ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА.

Представляет зависимость электромагнитной силы () от положения якоря () для различных постоянных значений напряжения, подведенного к обмотке, или тока в обмотке.
 при
 при
Она должна быть такой, чтобы в любом положении якоря электромагнитная сила была больше противодействующей.

• НАГРУЗОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА.

Связывает значение электромагнитной силы и величину напряжения, подведенного к обмотке, или тока в ней при различных положениях якоря
для  

• УСЛОВНАЯ ПОЛЕЗНАЯ РАБОТА.

Определяется как произведение электромагнитной силы, соответствующей данному положению якоря, на величину его возможного хода
 при .
Значение условной полезной работы для данного электромагнита является функцией начального положения якоря и величины тока в обмотке электромагнита.

• ВРЕМЯ СРАБАТЫВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА.

При прочих равных условиях является функцией начальной силы, противодействующей перемещению якоря
 при

• ХАРАКТЕРИСТИКА НАГРЕВА.

Зависимость температуры нагрева обмотки электромагнита от продолжительности включенного состояния
nобм=f(t)

• ПОКАЗАТЕЛЬ ДОБРОТНОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТА.

Отношение веса электромагнита к величине условной полезной работы

• ПОКАЗАТЕЛЬ ЭКОНОМИЧНОСТИ.

Отношение потребляемой обмоткой электромагнита мощности к величине условной полезной работы

Все эти характеристики позволяют установить пригодность данного электромагнита к определенным условиям его работы.

Кроме перечисленных характеристик, следует рассмотреть также некоторые из основных параметров электромагнитов.
К ним относятся:
а) МОЩНОСТЬ, ПОТРЕБЛЯЕМАЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТОМ.
Предельная мощность, потребляемая электромагнитом, может ограничиваться как величиной допустимого нагрева его обмотки, так, в некоторых случаях, и условиями питания цепи обмотки электромагнита.
Для силового электромагнита, как правило, ограничением является его нагрев за период включенного состояния. Поэтому величина допустимого нагрева и его правильный учет при проектировании являются наиболее важным фактором.
Выбор рациональной конструкции как в магнитном и механическом отношении, так и в смысле тепловых характеристик позволяет при заданных условиях получить конструкцию с минимальными габаритами и весом, а следовательно, и наименьшей стоимостью. Применение более совершенных магнитных материалов и обмоточных проводов также способствует увеличению эффективности конструкции.
В некоторых случаях электромагниты (для реле регуляторов и др.) проектируют из расчета получения максимального усилия, т.е. минимального  потребления мощности при заданной полезной работе. Такие электромагниты характеризуются сравнительно небольшими электромагнитными силами и ходами и легкими подвижными частями. Нагрев их обмоток бывает обычно значительно ниже допустимого. Теоретически мощность, потребляемая электромагнитом, может быть сколь угодно снижена путем соответствующего увеличения размеров его катушки. Практически предел этому создают увеличивающаяся длина среднего витка обмотки и длина средней линии магнитной индукции, вследствие чего увеличение размеров электромагнита становится малоэффективным.
б) КОЭФФИЦИЕНТ ЗАПАСА.
В большинстве случаев намагничивающую силу трогания можно считать равной Н.С. срабатывания электромагнита.
Отношение Н.С., соответствующей установившемуся значению тока, к Н.С. срабатывания (критической Н.С.) носит название коэффициента запаса

Для получения минимального времени трогания, при определенной конструкции электромагнита, ток трогания должен составлять примерно 70% установившегося тока, т.е. .

в) КОЭФФИЦИЕНТ ВОЗВРАТА.
Отношение Н.С., при которой происходит возврат якоря в первоначальное положение, к Н.С. срабатывания называется коэффициентом возврата электромагнита.
Коэффициент возврата имеет наибольшее значение при максимальном приближении противодействующей характеристики к тяговой характеристике электромагнита. Уменьшение хода электромагнита также повышает коэффициент возврата.

ФОРСИРОВКА ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ “—” I
Форсировка электромагнита “—” тока – это значит ускорение срабатывания электромагнита.
Определяющим во времени срабатывания является время трогания. Фактически – изменение постоянной времени цепи.
СПОСОБЫ ФОРСИРОВКИ
а) Включение дополнительного резистора в цепь катушки электромагнита с одновременным увеличением питающего напряжения.

U>Uн, Iустановив.=const, Т=L/(R+RД) – постоянная времени цепи уменьшается.
Уменьшается время трогания и время срабатывания.
б) Включение дополнительного сопротивления, шунтируемого дополнительным (вспомогательным) контактом электромагнита (или С).

В первый момент времени контакт шунтирует резистор и ток быстро достигает тока трогания из-за малого сопротивления обмотки. После включения электромагнита вводится дополнительное сопротивление, ограничивающее значение установившегося тока.
В момент включения емкость представляет собой малое сопротивление, фактически шунтирующее . После того, как якорь трогается, происходит дешунтирование  (зарядка С).

         Каким образом можно осуществить замедление Вы узнаете из л.р. №7 (при помощи короткозамкнутого витка, надеваемого на сердечник; КЗ виток – это магнитный демпфер. При включении магнитная система разомкнута, время замедления – доли секунды.
Поскольку при отключении система магнитопровода замкнута, то постоянная времени намного больше. Замедление достаточно большое (десятки секунд). Потоки направлены друг против друга.)

ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Широкое распространение имеют электромагниты, питание которых осуществляется от источников переменного тока.
Магнитный поток, создаваемый обмоткой, по которой проходит переменный ток, периодически меняется по величине и направлению (переменный магнитный поток), в результате чего сила электромагнитного притяжения пульсирует от нуля до максимума с удвоенной частотой по отношению к частоте питающего тока. (В ряде случаев эта пульсация весьма полезна. Так, благодаря такой характеристике электромагниты переменного тока находят широкое применение в конструкциях вибраторов, электромагнитных молотков и т.д.).
Однако для тяговых электромагнитов снижение электромагнитной силы ниже определенного уровня недопустимо, т.к. это приводит к вибрации якоря, а в определенных случаях и к прямому нарушению нормальной работы.
Поэтому в тяговых электромагнитах, работающих при переменном магнитном потоке, приходится прибегать к специальным мерам для уменьшения глубины пульсации силы.
Основным способом уменьшения пульсации суммарной силы, действующей на якорь электромагнита с переменным магнитным потоком, является применение магнитных систем с расщепленными путями магнитного потока, по каждому из которых проходят переменные магнитные потоки, сдвинутые по фазе друг относительно друга.
(В электромагнитах, имеющих однофазную обмотку это достигается применением специальных экранирующих обмоток, которые иногда называют короткозамкнутыми витками. Кроме того, имеются двухфазные и трехфазные электромагниты).
В последнее время благодаря появлению компактных экономичных полупроводниковых вентилей широкое распространение получают электромагниты переменного тока с встроенными выпрямителями.
В этом случае магнитная система обтекается не переменным, а пульсирующим магнитным потоком, причем пульсация сглаживается за счет индуктивности обмотки электромагнита.
Электромагниты переменного тока, так же как и электромагниты постоянного тока состоят из следующих основных частей: катушка, сердечник, якорь.
Воздушные промежутки, в которых возникает полезная сила называются рабочими, воздушные промежутки, в которых не возникает усилия в направлении возможного перемещения якоря, являются паразитными.
В зависимости от расположения якоря относительно остальных частей электромагнита различают электромагниты с втягивающимся якорем и электромагниты с внешним притягивающимся якорем.
Для уменьшения потерь на вихревые токи и перемагничивание, магнитные системы электромагнитов переменного тока выполняют из тонколистовой стали с высоким удельным электрическим сопротивлением.

ВИБРАЦИЯ ЯКОРЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
По формуле Максвелла определяем тяговое усилие

(Если поток  выразить в веберах, площадь  в м2,  → сила будет выражена в ньютонах).
Тяговое усилие изменяется по закону:

ГРАФИКИ, ОПИСЫВАЮЩИЕ ЭТОТ ПРОЦЕСС

механическая характеристика равна сумме сил, противодействующих движению якоря.
Только в некоторых областях якорь будет притягиваться (заштрихованные области). В остальных промежутках якорь отпадает.

СПОСОБЫ УСТРАНЕНИЯ ВИБРАЦИИ ЯКОРЯ

• Включение электромагнита на выпрямленное напряжение.
• На стадии изготовления используют короткозамкнутый виток.

В сердечнике электромагнита делается прорезь и около 80% сечения охватывается короткозамкнутым витком, выполненным из материала с высокой электропроводностью.

Магнитный поток делится на 2 составляющие  и . В соответствии с законом Ленца появляется поток  от короткозамкнутого витка. Причем, в левой части зазора потоки  и  складываются, а в правой части (охваченной короткозамкнутым витком)  и  вычитаются. Результирующие потоки оказываются сдвинутыми во времени на угол  (векторная диаграмма). В результате значения магнитных потоков определяются:
Зона, не охваченная короткозамкнутым витком:

Зона, которая охвачена короткозамкнутым витком:В результате получим зависимости тягового усилия во времени
 сдвинута относительно  на .
Из графика видно, что тяговое усилие больше механического. Таким образом, вибрация якоря отсутствует.
Рассмотрим условия, при которых полностью отсутствует вибрация.

         при                   1)
2)
Реально =60-650, переменная составляющая  – при этом  вибрация якоря.

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ К.З. ВИТКА

•  – площадь сечения, охваченная к.з. витком
•  – площадь сечения, неохваченная к.з. витком
•  – конечный зазор при полностью притянутом якоре.

КАТУШКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ
ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КАТУШКАМ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ

• Надежное включение электромагнита в наихудших условиях, т.е. при пониженном напряжении и повышенной температуре.
• Температура не должна превышать допустимую для данного класса изоляции при повышенном напряжении.
• Минимальные габариты и экономичная технология в изготовлении.
• Механическая прочность.
• Влагостойкость, в некоторых случаях кислото и маслостойкость.

Конструктивно катушки делятся на: каркасные, бескаркасные, бандажированные, бескаркасные с намоткой на сердечник.
По способу включения: катушки тока (мало витков провода большого сечения), катушки напряжения (много витков провода малого сечения).
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ПРИ РАСЧЕТЕ КАТУШЕК:

• род тока (“—” или “~”);
• ;
• требуемое значение М.Д.С.;
• допустимое отклонение напряжения;
• режим работы (продолжительный, кратковременный…);
• окружающая среда и ее предельная температура (воздух 400, масло 600)

В РЕЗУЛЬТАТЕ РАСЧЕТА ОПРЕДЕЛЯЮТСЯ:

• число витков ();
• сечение провода ();
• диаметр провода ();
• сопротивление катушки ();
• индуктивность катушки ();
• потребляемая мощность ();
• превышение температуры катушки над температурой окружающей среды ().

РАССМОТРИМ РАСЧЕТ КАТУШКИ НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА “—” ТОКА
 - длина и высота намотки - диаметр катушкиДано:  +5%-30%(м.д.с.)
 – средняя длина витка
 – сечение провода

Коэффициент заполнения обмоточного пространства медью:

Коэффициент укладки:
, - диаметр провода по меди;
1 - диаметр провода с учетом изоляции.

РАСЧЕТ КАТУШКИ НАПРЯЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Дано: , , , конструктивные размеры.
  (*)
 - нечетное число витков, т.к. не учтено R

Ток катушки
Задаемся плотностью тока:
 А/мм2 – продолжительный режим
 А/мм2 – повторно-кратковременный
 А/мм2 – кратковременный
                                          
Проверка уравнения (*) - 10%, если больше 10% делаем перерасчет.
СПОСОБЫ УКЛАДКИ (НАМОТКИ) ПРОВОДОВ
Существует три способа намотки:

1 – рядовая 2 – шахматная
3 – дикая
На практике по диаметру и марке провода находим .

Число витковПосле этого определяем ток в катушке
Сравниваем с заданной М.Д.С.,
если отличие >10% производим перерасчет (изменяя ).
Определяем мощность, выделяемую в катушке:
По формуле Ньютона установившееся превышение температуры:,
 - обобщающий коэффициент теплоотдачи с поверхности.
Для катушек такого типа  Вт/м2.
Полученное значение температуры сравнивается с допустимым для данного провода. Если , то принимается провод с более высоким уровнем изоляции, если и это не помогает, то такую катушку в продолжительном режиме использовать нельзя.
Коэффициент включения:                                              

Будем смотреть, при каком ПВ или  наша катушка работает без перегрева.