Электромагниты
Однажды, в очередной раз, перелистывая книгу, которую нашел у мусорного бачка, обратил внимание на простой, приблизительный расчет электромагнитов. Титульный лист книги показан на фото1.
Вообще их расчет это сложный процесс, но для радиолюбителей, расчет, приведенный в этой книге, вполне подойдет. Электромагнит применяется во многих электротехнических приборах. Он представляет собой катушку из проволоки, намотанной на железный сердечник, форма которого может быть различной. Железный сердечник является одной частью магнитопровода, а другой частью, с помощью которой замыкается путь магнитных силовых линий, служит якорь. Магнитная цепь характеризуется величиной магнитной индукции — В, которая зависит от напряженности поля и магнитной проницаемости материала. Именно поэтому сердечники электромагнитов делают из железа, обладающего высокой магнитной проницаемостью. В свою очередь, от магнитной индукции зависит силовой поток, обозначаемый в формулах буквой Ф. Ф = В • S — магнитная индукция — В умноженная на площадь поперечного сечения магнитопровода — S. Силовой поток зависит также от так называемой магнитодвижущей силы (Ем), которая определяется числом ампервитков на 1см длины пути силовых линий и может быть выражена формулой: Ф = магнитодвижущая сила (Ем) • магнитное сопротивление (Rм) Здесь Ем = 1,3•I•N, где N — число витков катушки, а I — сила текущего по катушке тока в амперах. Другая составляющая: Rм = L/M•S, где L — средняя длина пути силовых магнитных линий, М — магнитная проницаемость, a S — поперечное сечение магнитопровода. При конструировании электромагнитов весьма желательно получить большой силовой поток. Добиться этого можно, если уменьшить магнитное сопротивление. Для этого надо выбрать магнитопровод с наименьшей длиной пути силовых линий и с наибольшим поперечным сечением, а в качестве материала — железоматериал с большой магнитной проницаемостью. Другой путь увеличения силового потока путем увеличения ампервитков не является приемлемым, так как в целях экономии проволоки и питания следует стремиться к уменьшению ампервитков. Обычно расчеты электромагнитов делаются по специальным графикам. В целях упрощения в расчетах мы будем также пользоваться некоторыми выводами из графиков. Предположим, требуется определить ампервитки и силовой поток замкнутого железного магнитопровода, изображенного на рисунке 1,а и сделанного из железа самого низкого качества.
Рассматривая график (к сожалению я его в приложении не нашел) намагничивания железа, нетрудно убедиться, что наиболее выгодной является магнитная индукция в пределах от 10 000 до 14 000 силовых линий на 1 см2, что соответствует от 2 до 7 ампервиткам на 1 см. Для намотки катушек с наименьшим числом витков и более экономичных в смысле питания для расчетов надо принимать именно эту величину (10 000 силовых линий на 1 см2 при 2 ампервитках на 1 см длины). В этом случае расчет может быть произведен следующим образом. Так, при длине магнитопровода L =L1+L2 равной 20 см + 10 см = 30 см, потребуется 2×30=60 ампервитков. Если диаметр D сердечника (Рис.1,в)примем равным 2 см, то его площадь будет равна: S = 3,14xD2/4 = 3,14 см2. 0тсюда возбуждаемый магнитный поток будет равен: Ф = B х S= 10000 x 3,14=31400 силовых линий. Можно приближенно вычислить и подъемную силу электромагнита (P). P = B2 • S/25 • 1000000 = 12,4 кг. Для двухполюсного магнита этот результат следует удвоить. Следовательно, Р=24,8 кг = 25 кг. При определении подъемной силы необходимо помнить, что она зависит не только от длины магнитопровода, но и от площади соприкосновения якоря и сердечника. Поэтому якорь должен точно прилегать к полюсным наконечникам, иначе даже малейшие воздушные прослойки вызовут сильное уменьшение подъемной силы. Далее производится расчет катушки электромагнита. В нашем примере подъемная сила в 25 кг обеспечивается 60 ампервитками. Рассмотрим, какими средствами можно получить произведение N•J = 60 ампервиткам. Очевидно, этого можно добиться либо путем использования большого тока при малом количестве витков катушки, например 2 А и 30 витков, либо путем увеличения числа витков катушки при уменьшении тока, например 0,25 А и 240 витков. Таким образом, чтобы электромагнит имел подъемную силу в 25 кг, на его сердечник можно намотать и 30 витков и 240 витков, но при этом изменить величину питающего тока. Конечно, можно выбрать и другое соотношение. Однако изменение величины тока в больших пределах не всегда возможно, так как оно обязательно потребует изменения диаметра применяемой проволоки. Так, при кратковременной работе (несколько минут) для проводов диаметром до 1 мм допустимую плотность тока, при которой не происходит сильного перегревания провода, можно принять равной 5 а/мм2. В нашем примере проволока должна быть следующего сечения: для тока в 2 а — 0,4 мм2, а для тока в 0,25 а — 0,05 мм2, диаметр проволоки будет 0,7 мм или 0,2 мм соответственно. Каким же из этих проводов следует производить обмотку? С одной стороны, выбор диаметра провода может определяться имеющимся ассортиментом проволоки, с другой — возможностями источников питания, как по току, так и по напряжению. Действительно, две катушки, одна из которых изготовлена из толстой проволоки в 0,7 мм и с небольшим числом витков — 30, а другая — из проволоки в 0,2 мм и числом витков 240, будут иметь резко различное сопротивление. Зная диаметр проволоки и ее длину, можно легко определить сопротивление. Длина проволоки L равна, произведению общего числа витков на длину одного из них (среднюю): L = N x L1 где L1 — длина одного витка, равная 3,14 x D. В нашем примере D = 2 см, и L1 = 6,3 см. Следовательно, для первой катушки длина провода будет 30 x 6,3 = 190 см, сопротивление обмотки постоянному току будет примерно равно ? 0,1 Ом, а для второй — 240 x 6,3 = 1 512 см, R ? 8,7 Ом. Пользуясь законом Ома, нетрудно вычислить необходимое напряжение. Так, для создания в обмотках тока в 2А необходимое напряжение равно 0,2В, а для тока в 0,25А — 2,2В. Таков элементарный расчет электромагнитов. Конструируя электромагниты, надо не только производить указанный расчет, но и уметь выбрать материал для сердечника, его форму, продумать технологию изготовления. Удовлетворительными материалами для изготовления сердечников в кружках являются прутковое железо (круглое и полосовое) и различные. железные изделия: болты, проволока, гвозди, шурупы и т. д. Чтобы избежать больших потерь на токах Фуко, сердечники для приборов переменного тока необходимо собирать из изолированных друг от друга тонких листов железа или проволоки. Для придания железу «мягкости» его необходимо подвергать отжигу. Большое значение имеет и правильный выбор формы сердечника. Наиболее рациональные из них кольцевые и П-образные. Некоторые из распространенных сердечников показаны на рисунке 1.
Просмотров:40 004
Метки: Электромагнит
Общие сведения
Парадоксальным образом магнитные взаимодействия, считающиеся в физике более слабыми, чем электрические взаимодействия, помогли человеку обуздать электричество. К моменту открытия явлений электромагнетизма доступные технологии, помимо тягловой силы рабочего скота, использовали механическую энергию ветра, воды и тепловую энергию пара, которую относительно простыми способами и механизмами преобразовывали в механическую же энергию.
Слева направо: Майкл Фарадей, Джозеф Генри, Андре-Мари Ампер и Ханс Кристиан Эрстед. Источник: Википедия
Электромеханические устройства и электрические машины, основанные на открытии М. Фарадеем и Дж. Генри явлений электромагнитной индукции и самоиндукции, позволяли простыми техническими приёмами решить задачу превращения механической энергии в электрическую энергию и обратно. При этом преобразование одного вида энергии в другой происходило с высоким коэффициентом полезного действия. Применение явлений электромагнетизма послужило толчком для очередного технологического скачка, и человечество шагнуло из века пара, как условно называют 19-ое столетие, в 20-ый век электричества.
Высоковольтные электродвигатели на насосной станции
Техническими средствами новых технологий стали электрические машины в виде генераторов постоянного и переменного тока, генерирующие электричество за счёт механической энергии вращения, и электродвигатели, выполняющие обратную задачу.
Для преобразования электричества в поступательное движение служат электромеханические устройства разнообразного вида: электромагниты, соленоиды и реле. Именно последние стали предвестниками информационной революции, являясь первыми коммутационными устройствами с бинарным состоянием. Применение реле в качестве приёмника сигналов тока (в телеграфе) и его усиления для передачи на большие расстояния, позволили отделить информацию от физического носителя (бумаги или пергамента) и обеспечить её почти мгновенную передачу без помощи курьера или почтового голубя.
Магнитодвижущая сила. Определение
Магнитодвижущая сила (МДС) — физическая величина, характеризующая способность электрических токов создавать магнитные потоки.
Уравнение для магнитодвижущей силы, иначе называемое законом Хопкинсона:
F
= Ф•
R
m
где F — МДС, действующая в магнитной цепи, Ф — магнитный поток в цепи; Rm — магнитное сопротивление
Из уравнения видно, что оно эквивалентно уравнению для напряжения U (или, по-другому ЭДС) по закону Ома:
U = I • R
Магнитодвижущая сила для магнитных цепей является аналогом электродвижущей силы для электрических цепей, она — причина возникновения магнитного потока Ф.
В Международной системе единиц СИ магнитодвижущая сила измеряется в амперах (А), в системе СГС — в гилбертах (Гб)
1 А = 1,257 Гб
В электротехнике применяется другая единица измерения магнитодвижущей силы — ампер-виток, численно равный единице в СИ (амперу).
При этом магнитодвижущая сила F для соленоида, индуктора или электромагнита вычисляется по формуле:
F = ϖ• I
где F — МДС, действующая в магнитной цепи, ω — число витков в катушке устройства; I — электрический ток в проводнике.
С другими величинами измерения магнитодвижущей силы, применяемыми в различных приложениях, и их переводами из одной величины в другую, можно ознакомиться в конвертере физических величин.
Магнитодвижущая сила в электротехнике
Студийный магнитофон, конец 80-х гг. прошлого века
В современном мире существует множество примеров использования магнитодвижущей силы, в первую очередь в силовой электротехнике. Электромагниты весьма широко используются в электрических и электромеханических устройствах, включая: электродвигатели и генераторы, трансформаторы, разнообразные реле, электрические звонки и зуммеры, громкоговорители и наушники, магнитные замки, индукционные нагреватели и магнитные грузозахваты. Этот перечень можно дополнить устройствами магнитной записи и хранения данных, включая магнитофоны, видеомагнитофоны и жесткие диски.
Блок головок и головка чтения-записи жесткого диска
Электромагниты применяются в научном и медицинском оборудовании, являясь неотъемлемой частью масс-спектрометров, ускорителей частиц, устройств магниторезонансной томографии и устройств извлечения инородных магнитных предметов из тела человека. Электромагниты используют для сепарации магнитных материалов и предметов от немагнитных, а также в средствах электрической защиты и аварийного отключения.
Электромагниты
Конструкция и принцип работы
Электромагнитом называют устройство, которое способно создавать магнитное поле при протекании электрического тока. Типичный электромагнит состоит, по крайней мере, из одной обмотки, выполненной из проводящих материалов, и ферромагнитного магнитопровода — сердечника, который приобретает свойства магнита при протекании тока через обмотку.
Обмотки электромагнитов обычно изготавливаются из изолированного алюминиевого или медного провода. Хотя существуют электромагниты с обмотками из сверхпроводящих материалов. Магнитопроводы электромагнитов выполняются из магнитомягких материалов — электротехнической или конструкционной стали и чугуна, а также из железоникелевых или железокобальтовых сплавов.
По современным физическим представлениям, такие материалы состоят из крошечных намагниченных областей, называемыми магнитными доменами. Домены в отсутствие внешнего магнитного поля ориентированы хаотически и их суммарное магнитное поле равно нулю. При подаче тока в обмотку возникает магнитное поле, заставляющее домены перестраиваться в направлении этого поля, тем самым усиливая его. Когда внешнее поле для данного материала достигает некоторой максимальной величины, все домены ориентированы в направлении поля. Дальнейшее увеличение протекающего тока не приводит к увеличению поля за счёт доменов, это явление называется магнитным насыщением.
Магнитопроводы электромагнитов, в зависимости от назначения, могут иметь различную форму, в простейшем случае представляют собой набор П-образных пластин.
Работающий соленоид
Основное преимущество электромагнитов перед постоянными магнитами заключается в возможности быстрого регулирования силы притяжения (магнитодвижущей силы) изменением протекающего через обмотку тока. С другой стороны, именно это обстоятельство является недостатком электромагнитов по сравнению с постоянными магнитами, поскольку для поддержания магнитного поля требуется непрерывный расход электроэнергии.
Из-за этого электромагнитам присущи омические потери на нагрев проводов обмотки; помимо этого, для электромагнитов переменного тока характерны потери на вихревые токи Фуко и на переориентацию магнитных доменов материала сердечника. Последние потери называются потерями гистерезиса; для их снижения сердечники электромагнитов изготавливаются из специальных материалов с низкой коэрцитивной силой (малой остаточной намагниченностью или, что то же самое, с малой площадью петли гистерезиса). С этой же целью магнитопроводы электромагнитов переменного тока выполняются в виде набора тонких листов с изоляционным слоем на поверхности.
Из-за действия вышеизложенных факторов, напряженность магнитных полей обычных электромагнитов с сердечниками из ферромагнитных материалов ограничена значением в 1,6 Тл. Для получения более высоких значений напряжённости магнитного поля применяют электромагниты с обмотками из сверхпроводящих материалов без ферромагнитных сердечников.
Электромагнитная муфта
Широкое применение в современной технике нашли электромагнитные муфты, применяемые как для контактной, так и для бесконтактной передачи крутящего момента. При подаче электрического тока на обмотку электромагнитной муфты, последняя за счёт создаваемого магнитного поля притягивает арматуру ведомого вала с нагрузкой и из-за сил трения вал набирает обороты до скорости вращения ротора. При отключении тока, пружина отводит арматуру вала от ротора, и вал начинает вращаться свободно. Такой тип сцепления применяется во многих машинах и механизмах в различных областях техники, кроме того, он широко применяется для автоматизации производства. Магнитная муфта имеется практически в каждом современном автомобиле, где она используется для соединения вала компрессора кондиционера с коленчатым валом двигателя автомобиля.
Электромагнитная муфта компрессора автомобильного кондиционера
Уникальными возможностями по передаче крутящего момента в широком диапазоне усилий обладают электромагнитные муфты сцепления на ферромагнитных порошках. Они могут передавать крутящий момент почти линейно, что позволяет очень точно регулировать крутящий момент. Они находят применение в системах контроля натяжения проводов, фольги и лент при их производстве.
Кроме того, электромагнитные муфты нашли широкое применение в случаях, когда требуется передача крутящего момента через физический немагнитный барьер, разделяющий среды с различным состоянием вещества или различными агрессивными свойствами. Например: для бесконтактного перемешивания активных растворов в стеклянных емкостях химических лабораторий или для циркуляции воды в аквариумах.
Электромагниты на сверхпроводниках
Хотя идея построения таких электромагнитов была предложена ещё 1911 году голландским физиком Хейке Камерлинг-Онессом после открытия последним явления сверхпроводимости, первый практический электромагнит из сверхпроводящей ниобиевой проволоки, охлаждаемой жидким гелием до температуры 4,2°К, был построен только в 1955 году. Магнитное поле этого электромагнита составляло 0,7 Тл.
Слева направо: Хейке Камерлинг-Оннес, Карл Александр Мюллер и Йоханнес Георг Беднорц. Источник: Википедия
Открытие материалов с высокотемпературной сверхпроводимостью швейцарским физиком Карлом Мюллером и его немецким коллегой Георгом Бернодцем в 1986 году на основе купратов, и последующие исследования в этой области, позволило создать электромагниты на высокотемпературных сверхпроводниках с температурой кипящего жидкого азота (–77°К или –196°С). Это обстоятельство значительно удешевило электромагнитные установки такого типа для получения магнитных полей высокой напряжённости.
В 2007 году электромагнит с обмотками из сверхпроводящего материала YBCO (иттрий-барий-медь-кислород) создал рекордное магнитное поле в 26,8 Тл.
К сожалению, сверхпроводимость современных сверхпроводящих материалов ограничена — под действием очень сильного поля или высокой плотности тока они перестают быть сверхпроводниками. Тем не менее, электромагниты на сверхпроводниках нашли применение не только в исследовательской технике, но и в практической медицине — их используют в установках для проведения магниторезонансной томографии.
Электромагнит Биттера
Френсис Биттер
Электромагнит (или соленоид) Биттера представляет собой электромагнит для создания сверхсильных стационарных магнитных полей. Этот тип электромагнита был изобретён американским физиком Френсисом Биттером в 1933 году и построен в 1936 году. Проработал до 1962 года и вплоть до 1958 года оставался самым мощным электромагнитом в мире, создававшим магнитное поле с магнитной индукцией в 10 Тесла. Кратковременно мог создавать поле в 15,2 Тл. Проблемы создания мощных электромагнитов связаны, в основном, с решением задач повышения тепловой устойчивости обмоток к нагреванию электрическим током, а также повышения механической прочности конструкции. Конструктивно представляет собой соленоид из набора медных дисков, разрезанных по радиусу и изолированных друг от друга дисками из слюды той же геометрии. Диски из меди и слюды, чередуясь между собой, образуют двойную спираль. С целью охлаждения, после формирования спиралей, в них высверливали несколько сотен отверстий, сквозь которые прокачивалась охлаждающая вода. Такая пакетная конструкция позволяла выдерживать огромные механические нагрузки, возникающие из-за действия силы Лоренца. Электрическая мощность установки достигала 2 МВт.
У современных магнитов такого типа изменены геометрия разреза дисков и форма отверстий (щелевые отверстия вместо круглых), а также изменены форма и размер пластин. Кроме того, современные конструкции выполняются в виде оппозитно расположенных отдельных секций, каждая из которых представляет собой несколько цилиндрически вложенных друг в друга соленоидов Биттера.
Учёным из университета Радбоуд в г. Неймеген, Нидерланды, удалось 31 марта 2014 года достичь рекордного значения стационарного магнитного поля для данного типа электромагнитов в 37,5 Тл при комнатной температуре.
Исполнительные электромеханизмы
Электромагнитный клапан
Электромагнитные приводы, непосредственно преобразующие энергию электрического тока в поступательное движение рабочего органа, называются исполнительным механизмом. Конструктивно представляют собой прямоходовой электромагнит с втягивающим подпружиненным якорем. Применяются в системах позиционного регулирования и управления, поскольку регулирующий орган такого привода имеет два конечных положения, соответствующих двум возможным положениям сердечника электромагнита.
Электромагнитный клапан
Электромагнитный клапан — это электромеханическое устройство, предназначенное для регулирования потоков жидкостей и газов. Конструктивно состоит из корпуса, соленоида с подвижным сердечником, на котором установлен диск или поршень, регулирующий поток.
Автоматический выключатель с электромагнитным расцепителем
Клапан с одним выходом и одним входом, производит открывание и запирание потока. Аналогичный клапан с одним входом и двумя выходами выполняет переключение входного потока на соответствующий выход. Открывание (закрывание) или переключение клапана происходит путём подачи напряжения на катушку соленоида, при этом магнитный сердечник втягивается в соленоид, что и приводит к открытию, закрытию или переключению клапана. Для герметичности клапана его сердечник помещается внутри закрытой трубки, размещённой в соленоиде.
Электромагнитные клапаны применяются как в производственных технологических процессах, так и в быту. С их помощью можно дистанционно управлять подачей требуемого объёма жидкости, пара или газа в нужный момент времени, что находит, например, применение в системах полива, отопительных системах и других областях техники.
Примерами применения электромагнитных клапанов могут служить привычные для нас вещи: автоматическая стиральная машина (набор и слив воды), клапаны карбюратора, управления подачи воздуха на холостом ходу, переключения трансмиссии и другие электромагнитные клапаны автомобиля.
Расцепитель автоматического выключателя
Автоматический выключатель предназначен для подачи тока в электрическую цепь в нормальном режиме работы, и для разрыва цепи, отключая ток при аномальном его значении, например, при коротком замыкании.
Разрыв цепи осуществляется двумя типами расцепителей: тепловым и токовым мгновенного действия. Последний представляет собой соленоид, подвижный сердечник которого может приводить в действие механизм расцепления при превышении значения тока, называемого током отсечки. Ток отсечки обычно выбирается в пределах 2–10 раз больше номинального.
Реле
Реле
Электромагнитное реле — устройство, предназначенное для замыкания или размыкания механических электрических контактов при подаче в обмотку реле электрического тока. Конструктивно электромагнитное реле состоит из электромагнита, подвижного якоря и механически связанного с якорем переключателя. Электромагнит реле представляет собой катушку с электрическим проводом, намотанным на сердечник (якорь). Для усиления магнитного потока электромагнит реле снабжается дополнительным магнитопроводом — ярмом.
Реле
В небольших реле якорь удерживается в исходном положении благодаря упругим свойствам механических контактов, в других случаях в конструкцию реле добавляется механическая пружина, которая возвращает якорь в исходное положение. При протекании электрического тока по обмотке реле электромагнит притягивает якорь, преодолевая усилие пружины, а якорь, толкая контакты, замыкает или размыкает их. Чувствительность реле к управляющему току зависит от числа витков в обмотке: чем выше число витков, тем чувствительнее реле.
В некоторых исполнениях реле может быть целая группа контактов, как нормально замкнутых, так и нормально разомкнутых при отсутствии управляющего тока. Различные варианты электромагнитных реле нашли широкое применение в телефонии и в устройствах автоматики и применялись до тех пор, пока не были вытеснены полупроводниковыми устройствами, выполняющими те же функции.
Отдельным классом реле являются шаговые искатели — электромеханические коммутационные устройства, которые применялись в системах телефонии, автоматизации и управления технологическими процессами. Шаговые искатели управляются сериями токовых импульсов и до появления полупроводниковых реле находили широкое применение в различных областях техники. Особенно широкое распространение получили декадно-шаговые искатели, применяемые в ранних конструкциях автоматических телефонных станций.
Шаговые искатели телефонной станции
Также отдельным классом слаботочных реле являются герконовые реле — устройства, состоящие из геркона и электромагнитной катушки. Геркон представляет собой пару (или больше) ферромагнитных упругих контактов, запаянных в герметичную стеклянную колбочку с откачанным воздухом или заполненную инертным газом. Контакты геркона замыкаются при поднесении магнита или включении электромагнита. До недавнего времени находили широкое применение в качестве датчиков положения в устройствах автоматики, охранной сигнализации, компьютерной техники (клавиатуры, датчики бесщёточных двигателей постоянного тока приводов накопителей) и так далее. В последнее время герконовые датчики вытесняются датчиками Холла.
Геркон
Контакторы
Контакторы широко используются в электрооборудовании тепловозов и пассажирских вагонов
Разновидностью электромагнитного реле является контактор — двухпозиционное электромагнитное устройство, предназначенное для дистанционного включения и отключения силовых электрических цепей.
Конструктивно состоит из электромагнита, системы контактов (как подвижных, так и не подвижных) и дугогасительной системы. Кроме того, в конструкцию контактора входят и вспомогательные контакты для переключения цепей сигнализации и управления.
Контакторы применяются для коммутации электрических цепей промышленного тока при напряжении от нескольких десятков до нескольких тысяч вольт и токах до нескольких тысяч ампер. Основная область их применения — управление мощными электродвигателями на производстве и тяговыми двигателями на транспорте (электровозы, трамваи, троллейбусы, лифты и т.д.).
