Намагничивающие катушки электромагнитов

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 17Следующая ⇒

При работе катушки электромагнитов испытывают воздействия разного рода факторов. Механические напряжения создаются в катушках переменного тока при нормальной работе за счет взаимодействия токов витков, а в катушках постоянного тока – при переходных процессах включения и отключения.

Термические напряжения возникают из-за перегрева отдельных ее частей. Электрические напряжения возникают от перенапряжений в цепи катушки. Учитывая это, катушка не должна перегреваться при любых возможных режимах работы, должна выдерживать электрические перенапряжения определенной величины, быть механически прочной, устойчивой против воздействия окружающей среды, иметь небольшие размеры.

Катушки аппаратов выполняются медным проводом разного сечения, круглой или прямоугольной формы. Обычно обмоточный материал бывает изолированным. Для изоляции применяют хлопчатобумажную ткань (ПВ), шелковую ткань (ПШ), эмаль-лаки (ПЭЛ), комбинированную из перечисленных, винифлексовую (ПЭВ) и др.

В зависимости от конструкции различают катушки каркасные, бескаркасные бандажированные и бескаркасные небандажированные. В большинстве электромагнитов постоянного тока применяют катушки круглой формы, а у электромагнитов переменного тока – квадратные

Рис. 3.4. Конструкции катушек низковольтных аппаратов

или прямоугольные. В электромагнитах, рассчитанных на небольшие токи, катушки выполняются бандажированными, у слаботочных электромагнитов – каркасными. Бескаркасные небандажированные катушки обычно намотаны прямо на сердечник, это катушки токовые. Конструкции катушек разного типа приведены на рис. 3.4.

Для улучшения условий эксплуатации катушек их подвергают отделке.

Наиболее распространена пропитка катушек компаундами. В отдельных случаях с теми же целями катушки пропитывают различными лаками и окрашивают лаками и эмалями. Отделка увеличивает влагостойкость катушки, улучшает скрепление витков, придает катушке хороший внешний вид.

Параметрами катушки являются число витков w, диаметр провода d, сопротивление обмотки R_к. Расчет параллельно включаемой катушки обычно проводится для определения параметров по известной МДС Iw,

напряжению и геометрическим размерам. Сопротивление катушки постоянного тока:

R_к = ρ = ρ = . (3.1)

Здесь средний диаметр намотки: D_ср= ,

где D_нар – наружный и D_вн – внутренний диаметр обмотки. Учитывая, что R_к = U_к /I_к, где U_ки I_к – напряжение и ток в катушке, с учетом (3.1) получим

d = . (3.2)

По справочнику выбираем ближайший больший стандартный диаметр про- вода и диаметр провода с изоляцией выбранного класса d₁. Число витков рассчитывается по d₁ и размерам окна магнитопровода (рис. 3.5). При этом следует учесть обмоточный коэффициент к: при рядовой намотке к = 1, при неравномерной – к = 0, 8 – 0, 9.

Рис. 3.5. К определению параметров обмоток

Тогда w = к (3.3)

Рядовая намотка применяется при d₁ неравномерная – при

d₁ 0, 35 мм.

При расчете параметров последовательной (токовой) обмотки исходными данными являются МДС Iw и ток цепи I. Тогда число витков

w = . (3.4)

Площадь сечения провода S определится по рекомендуемой плотности тока:

. (3.5)

В зависимости от режима работы рекомендуются такие плотности тока:

j = (2 – 4) А/мм² при длительном протекании тока; j = (5 – 12) А/мм² при повторно-кратковременной работе; j = (13 – 30) А/мм² при кратковременной работе.

Определенный интерес представляет перерасчет катушек с одного напряжения на другое. При этом исходят из постоянства параметров магнитопровода и постоянства намагничивающей силы: (Iw)₁ = (Iw)₂. Для катушек постоянного тока I = U/R_к, следовательно,

w₁ = w₂

Отсюда R_к2 = , а с учетом (3.1) получим

= .

Поскольку сечение окна магнитопровода не изменилось, w₁ = w₂ _.Тогда:

w₂ = w₁,

откуда

= и = (3.6)

Расчет катушек переменного тока значительно усложняется из-за необходимости учитывать индуктивное сопротивление. При приближенных расчетах пренебрегают падением напряжения в активном сопротивлении. Тогда

w = . (3.7)

Расчетное число витков принимаем равным w_p = (0.7 – 0, 9) w. Далее определяем ток в катушке:

I = . (3.8)

Сечение провода определяется по (3.5). При пересчете параметров на новое напряжение с достаточной точностью можно пользоваться выражениями (3.6). Расчет последовательных катушек переменного тока производится так же, как для катушек постоянного тока.

Лекция 4

Сила тяги электромагнита

Сила тяги электромагнита может быть определена по формуле Максвелла для тех случаев, когда магнитное поле в рабочем зазоре можно считать равномерным. Для электромагнитов постоянного тока формула Максвелла имеет вид:

F = , (3.9)

где B – индукция, Тл;

S – сечение полюсного наконечника, м²;

μ ₀ = 1, 26 10^-6 – магнитная проницаемость воздуха.

С ростом воздушного зазора индукция и сила тяги уменьшаются. Это можно показать, преобразовав выражение (3.9):

F = = = (Iw)² = (Iw)² . (3.10)

В соответствии с выражением (3.10) тяговая характеристика электромагнита постоянного тока имеет вид, показанный на рис. 3.6. Для электромагнитов переменного тока этой формулой можно воспользоваться, если предположить, что магнитное сопротивление стали, активное сопротивление катушки и потери в стали равны нулю, а ток и магнитный поток изменяются по синусоидальному закону. Тогда индукция B = B_m sin ω t. В этом случае

F = sin² ω t = = (1 – cos 2ω t). (3.11)

Среднее значение cилы за период:

F_ср = (1 – cos 2ω t) dt = . (3.12)

График изменения силы электромагнита переменного тока показан на

Рис. 3.6. Тяговая характеристика электромагнита

Рис. 3.7. Сила тяги электромагнита переменного тока

рис. 3.7. По полученным выражениям (3.11) и (3.12) можно сделать вывод, что

при заданной площади полюсов и равенстве максимальных значений индукции средняя величина силы тяги в электромагнитах переменного

Рис. 3.8. Короткозамкнутый виток электромагнита переменного тока	тока вдвое меньше силы электромагнита постоянного тока. По уравнению (3.11) и рис. 3.7 видно, что дважды за период сила электромагнита переменного тока равна нулю. Это приводит к вибрации магнитной системы. Для борьбы с этим явлением на одну из ветвей магнитопровода одевается короткозамкнутый виток из проводящего материала, который охватывает две трети сечения магнитопровода (рис. 3.8). Влияние короткозамкнутого витка можно объяснить с

Рис. 3.9. Магнитная цепь электромагнита переменного тока

и ее схема замещения

использованием упрощенной схемы замещения П-образного электромагнита, показанного на рис. 3.9, а. При пренебрежении потерями в стали на гистерезис и вихревые токи будем считать, что переменный ток в катушке создает в магнитной системе поток, мгновенное значение которого определяется по формуле:

Φ = ϕ _m sin ω t. (3.13)

При принятых допущениях схема замещения будет иметь вид, показанный на рис. 3.9, б. Здесь iw – МДС, создаваемая намагничивающей катушкой; R_m – полное магнитное сопротивление цепи; Z_m - фиктивное магнитное сопротивление, учитывающее короткозамкнутый виток.

Очевидно, что

ϕ Z_m = i_кw_к

где i_кw_к – МДС, создаваемая короткозамкнутым витком. Учитывая, что короткозамкнутый виток имеет практически чисто активное сопротивление, можно определить ток в витке:

i_к = e_к/R_к, e_к = ω w_кϕ _m cos ω t,

i_к₌ cos ω t.

Тогда

ϕ Z_{m =}i_кw_к = cos ω t

Для всей схемы замещения можно записать:

Iw = ϕ _mR_m sin ω t + cos ω t. (3.14)

Откуда

Φ _m = . (3.15)

По уравнению (3.15) видно, что Z_m является реактивным магнитным сопротивлением. Его наличие показывает, что ток катушки и магнитный проток должны быть смещены по фазе из-за наличия короткозамкнутого витка на угол примерно 50 – 80⁰. Таким образом, в зазоре действуют два усилия:

F₁ = (1 – cos 2ω t) и F₂ = (1 – cos 2(ω t – φ )). (3.16)

Сумма этих усилий нулю не равна. Потребность в витке возникает только в однофазных электромагнитах. В трехфазном электромагните

F_Σ = Σ F_фаз= F_m. (3.17)

Зависимость тягового усилия от воздушного зазора имеет на переменном токе иную природу, чем на постоянном токе. Напряжение сети распределяется на активную и реактивную составляющие. При пренебрежении рассеянием и потерями в стали для реактивной составляющей можно записать

Ix = Iω L = Iω w² ,

где S – площадь поверхности полюсов сердечника;

δ – воздушный зазор.

Если предположить, что активное сопротивление катушки пренебрежимо мало по сравнению с индуктивным, то есть U Ix, то

I = . (3.18)

Из этого следует, что при росте воздушного зазора будет увеличиваться ток в катушке. Рост тока приведет к уменьшению магнитного потока, согласно уравнению:

Φ _m = . (3.19)

Таким образом, в электромагнитах переменного тока поток уменьшается вследствие роста падения напряжения на активном сопротивлении, в то время как в электромагнитах постоянного тока с ростом зазора усилие уменьшается из-за увеличения магнитного сопротивления зазоров. Для оценки свойств электромагнитов используется два вида характеристик:

1. Электромагнитная характеристика – зависимость силы тяги от зазора –

F_т= f (δ );

2. Механическая характеристика – зависимость силы сопротивления от зазора.

Рис. 3.10. К определению механической характеристики электромагнита аппарата

Рис. 3.11. К определению коэффициента возврата

В большинстве электрических аппаратов действуют следующие силы сопротивления:

1. F_с1– сила сжатия возвратной пружины;

2. F_с2 –вес подвижных частей;

3. F_с3 – сила сжатия контактной пружины замыкающего контакта;

4. F_с4 – сила сжатия контактной пружины размыкающего контакта.

Зависимость этих сил от зазора и механическая характеристика

приведены на рис. 3.10. Тяговая характеристика электромагнита должна проходить всегда выше механической.

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒