Электромагниты постоянного тока. Конструкции, уравнения рабочего процесса и основные характеристики электромагнитных преобразователей

ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электромагниты постоянного тока являются основой многих устройств, применяемых в современной технике. Наиболее широкое применение они находят в электромагнитных механизмах, где используются для преобразования электрической энергии в механическую. Обобщенное название, используемое для них, встречаемое в литературе применительно не только к реле - электромагнитные преобразователи (ЭМП)

1. КОНСТРУКЦИИ ЭМП

Наибольшее распространение получили два варианта ЭМП: с внешним притягивающимся якорем и втяжные.

1. ЭМП с внешним притягивающимся якорем

Характерной особенностью ЭМП с внешним притягивающимся якорем является наружное расположение якоря по отношению к катушке. На рис. 1 показаны конструктивные схемы таких ЭМП: одно- и двухкатушечные. Однокатушечные ЭМП (рис. 1, а) проще по конструкции. Якорь вращается на “призме” - ребре торца магнитопровода, представляющего собой скобу, что обеспечивает высокую механическую износостойкость. Двухкатушечные ЭМП (рис. 1, б) несколько сложнее конструктивно, так как в них отсутствует скоба, используемая в однокатушечных ЭМП для вращения якоря на “призме”. Но зато, благодаря развитой поверхности охлаждения обмоток и отсутствию паразитного зазора между якорем и скобой, что является причиной потерь в магнитопроводе, расход меди в них примерно на 20-40% меньше, чем в аналогичных по эксплуатационным параметрам электромагнитах с одной подмагничивающей катушкой.

Полюсный наконечник, располагаемый на сердечнике ЭМП над катушкой, способствует увеличению тяговой силы ЭМ при начальном положении якоря. Однако, существует оптимальный диаметр полюсного наконечника d_п, который зависит от начального значения зазора d₀ и соотношений размеров магнитопровода. При больших зазорах магнитопровод ЭМП, как правило, ненасыщен, поэтому увеличение площади полюсного наконечника приводит к соответствующему увеличению магнитного потока, и тяговая сила увеличивается, как это вытекает из выражения:

где   - тяговая сила двух полюсов;

      - магнитный поток через торцы полюсов;

       - магнитная постоянная (=4p ×10^-7 Гн/м);

       - магнитная индукция в зазоре между торцами полюсов;

       S   - площадь торцов полюсов.

Дальнейшее увеличение приводит к замедлению роста силы  или даже к ее уменьшению, так как при определенном значении потока магнитопровод насыщается, что препятствует росту магнитного потока. Налицо нежелательный отрицательный эффект.

Увеличение силы удержания при наличии достаточно больших нерабочих зазоров обеспечивает выступ на торце полюсного наконечника (рис. 2). Для уменьшения проводимости между полюсным наконечником и скобой (в однокатушечном ЭМП) или между полюсными наконечниками (в двухкатушечном ЭМП) на них делают срезы (рис. 3). Благодаря этим срезам удается уменьшить потоки рассеивания и, следовательно, увеличить тяговое усилие ЭМП.

В крупных ЭМП существенное влияние оказывают вихревые токи, возникающие в магнитопроводах как при включении, так и при отключении обмотки, что снижает быстродействие ЭМП. В целях борьбы с потерями на вихревых токах в сердечнике ЭМП его магнитопровод шихтуют - набирают из отдельных пластин, что несколько усложняет процесс изготовления ЭМП, снижает его надежность и износостойкость. Наибольшее демпфирующее (замедляющее) действие на процесс срабатывания оказывают вихревые токи в круглом сердечнике. Для уменьшения их влияния рекомендуется делать на сердечнике разрезы (рис. 4).

При отключении ЭМП показателями скорости срабатывания являются время отпадания и напряжение отпускания якоря. Для уменьшения времени отпадания якоря и увеличения напряжения отпускания в конструкцию ЭМП вводят немагнитную прокладку (латунную или из лавсановой пленки), увеличивающую зазор между якорем и сердечником, благодаря которой уменьшается остаточный магнитный поток и постоянная времени спадания вихревых токов. Но введение немагнитной прокладки приводит при неизменном ходе к увеличению начального зазора,  что влечет за собой некоторое уменьшение тягового усилия в начальном состоянии.

Рассмотренные ЭМП с внешним притягивающимся якорем используются главным образом в маломощных устройствах, особенно в тех случаях, когда важно получить максимальную чувствительность к управляющим сигналам.

1.2. Втяжные ЭМП

Конструктивные схемы втяжных ЭМП приведены на рис. 5. В традиционной конструкции стальной якорь движется внутри немагнитной гильзы (рис. 5, а). Поскольку изготовление достаточно тонкой гильзы сопряжено с серьезными технологическими трудностями, увеличения магнитной проводимости нерабочего зазора между корпусом и якорем достигают за счет увеличения осевого размера этого зазора (высоты воротничка). Два способа увеличения высоты воротничка дали два варианта втяжных ЭМП с разными характеристиками. Если воротничок охватывает якорь вне отверстия катушки, его называют внешним (рис. 5, а). Внутренний воротничок охватывает поверхность якоря внутри отверстия катушки (рис. 5, б) и, таким образом, выполняет функции направляющей гильзы. Немагнитный зазор в этом случае обеспечивают при помощи технологии плакирования, т.е. напыления тонкого немагнитного слоя непосредственно на поверхность якоря. Толщина этого слоя составляет 100-250 мкм и определяется требованиями механической износостойкости ЭМ. Рекомендуется применять наружный воротничок в длинноходовых, а внутренний - в короткоходовых ЭМП.