Электромагниты постоянного тока. Конструкции, уравнения рабочего процесса и основные характеристики электромагнитных преобразователей, страница 3

Наиболее общими являются динамические характеристики, которые учитывают изменение намагничивающей силы ЭМ в процессе его срабатывания за счет действия э.д.с. самоиндукции и движения, а также учитывают трение, демпфирование и инерцию подвижных частей. Однако получение динамических характеристик сопряжено с большой вычислительной работой. Поэтому в большинстве случаев, особенно когда не требуется точного определения времени срабатывания, ограничиваются рассмотрением статических характеристик. Последние получаются, если не учитывать влияния на электрическую цепь движущегося якоря ЭМ, а также не учитывать изменения потокосцепления по времени, т.е. считать, что ток в обмотке электромагнита неизменен.

Статическая тяговая характеристика –  зависимость тяговой силы от размера зазора d между опорными поверхностями подвижного и неподвижного полюсов при неизменном значении тока I обмотки.

Электромагнитная тяговая сила:

где   Y - потокосцепление;

         I  - ток обмотки;

         F - МДС обмотки;

        Ф - приведенный магнитный поток.

F =,   Ф = Y/,

где   - число витков обмотки.

При рассмотрении магнитной системы ЭМП как цепи с распределенными параметрами, получается следующее выражение:

,

где  F_k - падение магнитного напряжения на k-м изменяющемся при изменении  d    

               зазоре (рабочем зазоре);

       L_k - магнитная проводимость k-го рабочего зазора;

       n   - количество рабочих зазоров.

В некоторых случаях более удобным оказывается выражение:

где  Ф _k  - магнитный поток через k-й зазор;

        R_k  - магнитное сопротивление k-го зазора.

Если расстояние между плоскими одинаковыми параллельными торцами двух полюсов намного меньше линейных размеров их поперечного сечения, тяговая сила этих полюсов может быть определена так:

где   - магнитный поток через торцы полюсов;

         - магнитная индукция в зазоре (между торцами полюсов);

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

         S   - площадь торцов полюсов.

Форма тяговой характеристики зависит от конструкции и формы магнитопровода и от МДС обмотки. Наиболее сильное влияние на вид тяговой характеристики оказывает форма опорных поверхностей рабочего зазора (зазора между неподвижной и подвижной частями магнитопровода).

Площадь под тяговой характеристикой при токе I₀ (МДС F₀) определяет полезную механическую работу (работоспособность) A (рис. 10, а). Работоспособность ЭМП также определяется через характеристики потокосцепления Y (I) или приведенного магнитного потока Ф(F), соответствующие начальному  и конечному  зазорам (рис. 10, б). В процессе срабатывания ЭМП преодолевает противодействующие усилия механизма или электрического аппарата. При начальном положении якоря тяговое усилие ЭМП возрастает с ростом тока его обмотки. Ток, при котором тяговая сила становится равной противодействующей (вызывает начало движения якоря) называется током трогания I_тр. Значение I_тр характеризует электромагнитный механизм, то есть ЭМП совместно с механизмом, приводимым им в действие.

Пока I_у< I_тр якорь ЭМП не приходит в движение. При этом магнитопровод ЭМП ненасыщен, т.к. воздушный зазор достаточно велик. Поэтому переходный процесс изменения тока i близок к экспоненциальному с постоянной времени T₀ (кривая 1 на рис. 11).

При I_у > I_тр зависимость имеет также характер, близкий к экспоненциальному, с постоянной времени T₀. При заторможенном якоре этот характер сохраняется до установившегося  состояния (пунктирная кривая на рис. 11). Если же якорь не заторможен, то в момент времени трогания t_тр (i=I_тр) якорь начинает двигаться (зазор уменьшается). Поскольку при этом индуктивность L обмотки увеличивается, то в ней появляется противо-ЭДС движения i(dL/dt), и ток начинает уменьшаться относительно значений при неподвижном якоре. Этот процесс продолжается до момента срабатывания t_сраб= t_тр+ t_дв (где t_дв - время движения якоря), когда якорь ударяется о сердечник. Сначала ток растет сравнительно медленно (T₁>> T₀), т.к. при малых токах и притянутом якоре индуктивность обмотки велика. При увеличении тока магнитопровод насыщается и дифференциальная индуктивность уменьшается, что приводит к увеличению скорости нарастания тока (T₂< T₁). Величины T₁ и T₂ характеризуют инерционность обмотки электромагнитной системы.

Динамическая тяговая характеристика - зависимость тягового усилия от зазора в период срабатывания ЭМП при заданной характеристике противодействующих сил (рис. 12). Эти зависимости характеризуют электромагнитный механизм, т.к. форма кривых определяется не только конструкцией ЭМП, но и свойствами электромагнитного механизма.

Площадь под характеристикой противодействующих  сил равна полезной механической работе , совершенной ЭМ. Площадь под динамической тяговой характеристикой - динамическая работоспособность A_д. Значения и A_д связаны соотношением:

где   m  - масса подвижных частей;

        V_k - скорость якоря в момент его удара о неподвижную часть магнитопровода.

Таким образом, динамическая работоспособность ЭМ превосходит полезную механическую работу на значение кинетической энергии подвижных частей в момент удара якоря о неподвижную часть магнитопровода.