Каким проводом намотать эл магнит на 220в. Постоянные магниты и электромагниты

В результате расчета магнитной цепи определяется не­обходимая МДС обмотки. Обмотка должна быть рассчитана таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить требуе­мую МДС, а с другой - чтобы ее максимальная темпера­тура не превышала допустимой для используемого класса изоляции.

В зависимости от способа включения различают обмот­ки напряжения и обмотки тока. В первом случае напряже­ние, приложенное к обмотке, постоянно по своему действу­ющему значению, во втором — сопротивление обмотки электромагнита намного меньше сопротивления остальной части цепи, которым и определяется неизменное значение тока.

Расчет обмотки электромагнита постоянного тока .

На рис. 4.8 показаны магнитопровод и катушка электро­магнита. Обмотка 1 катушки выполняется изолированным проводом, который наматывается на каркас 2.

Катушки могут быть и бескаркасными. В этом случае витки обмотки скрепляются ленточной или листовой изоляцией либо заливочным компаундом.

Для расчета обмотки напряжения должны быть заданы напряжение и МДС. Сечение обмоточного провода находим, исходя из потребной МДС:

, (4.13)

откуда , (4.14)

где — удельное сопротивление; — сред­няя длина витка (рис. 4.8); — сопротивление обмотки, равное .

Из (4.13) следует, что при неизменной средней длине витка и заданном МДС определяется произведением .

Если при неизменном напряжении и средней дли­не витка требуется увеличить МДС, то необходимо взять провод большего сечения. При этом обмотка будет иметь меньшее число вит­ков. Ток в обмотке возрас­тет, так как сопротивление ее уменьшится за счет уменьшения числа витков и увели­чения сечения провода.

По найденному сечению с помощью таблиц сортаментов находится ближайший стан­дартный диаметр провода.

Мощность, выделяющаяся в обмотке в виде тепла, определяется следующим образом: .

Число витков обмотки при заданном сечении катушки определяется коэффициентом заполнения по меди , где – площадь, зани­маемая медью обмотки; – сечение обмотки по меди. Число витков . Тогда мощность, потребляемая обмоткой, определится выражением

.

Для расчета обмотки тока исходными параметрами яв­ляются МДС и ток цепи . Число витков обмотки нахо­дится из выражения . Сечение провода можно выбрать исходя из рекоменду­емой плотности тока, равной 2…4 А/мм 2 для продолжитель­ного, 5…12 А/мм 2 для повторно-кратковременного, 13…30 А/мм 2 для кратковременного режимов работы. Эти значения можно увеличить примерно в 2 раза, если срок службы обмотки и электромагнита не превышает 500 ч. Площадь окна, занимаемого рядовой обмоткой, определяется числом витков и диаметром провода

.

Зная , можно определить среднюю длину витка, сопротивление обмотки и потери в ней. После этого может быть проведена оценка нагрева обмотки.

Расчет обмотки электромагнитов переменного тока .

Исходными данными для расчета обмотки напряжения являются амплитуды МДС, магнитного потока и напряжение сети. Напряжение сети уравновешивается активным и реактивным падениями напряжения

где и – действующие значения напряжения и тока, соответственно.

Поскольку ток и сопротивление могут быть рассчитаны только после определения числа витков, то формула (4.15) не позво­ляет сразу найти все параметры обмотки. Задача решает­ся методом последовательных приближений.

Так как активное падение напряжения значительно меньше реактивного, то в начале расчета принимают .

Тогда число витков обмотки .

Если после подстановки полученных данных в (4.15) ле­вая часть отличается от правой более чем на 10 %, то не­обходимо варьировать число витков до получения удовле­творительного совпадения.

После расчета проводится проверка обмотки на на­грев. Расчет ведется так же, как и для обмоток постоянно­го тока.

Особенностью является нагрев магнитопровода за счет потерь от вихревых токов и гистерезиса. Отвод вы­деляемого в обмотке тепла через сердечник затруднен, точка с максимальной температурой лежит на внутрен­нем радиусе обмотки. Для улучшения охлаждения стре­мятся увеличивать поверхность торцов катушки при умень­шении ее длины.

Электромагнит – это магнит, который работает (создаёт магнитное поле) только при протекании через катушку электрического тока. Чтобы сделать мощный электромагнит, нужно взять магнитопровод и обмотать его медной проволокой и просто пропустить ток по этой проволоке. Магнитопровод начнет намагничиваться катушкой и начнет притягивать железные предметы. Хотите мощный магнит – поднимайте напряжение и ток, экспериментируйте. А чтобы не мучится и не собирать магнит самому, можно просто достать катушку с магнитного пускателя (они бывают разные, на 220В/380В). Достаете эту катушку и внутрь вставляем кусок любой железяки (например, обычный толстый гвоздь) и включаем в сеть. Вот это будет по-настоящему не плохой магнит. А если у вас нет возможности достать катушку с магнитного пускателя, то сейчас рассмотрим, как сделать электромагнит самому.

Для сборки электромагнита вам понадобятся проволока, источник постоянного тока и сердечник. Теперь берем наш сердечник и мотаем медную проволоку на него (лучше виток витку, а не в навал – увеличится коэффициент полезного действия). Если хотим сделать мощный электро магнит, то мотаем в несколько слоев, т.е. когда намотали первый слой, переходим во второй слой, а потом мотаем третий слой. При намотке учитывайте, что то, что вы намотаете, эта катушка имеет реактивное сопротивление, и при протекании через эту катушку будет проходить меньший ток при большом реактивном сопротивлении. Но тоже учитывайте, нам нужен и важен ток, потому, что мы будем током намагничивать сердечник, который служит в качестве электро магнита. Но большой ток сильно будет нагревать катушку, по которой протекает ток, так что соотнесите эти три понятия: сопротивление катушки, ток и температура.

При намотке провода выберите оптимальную толщину медной проволоки (где-то 0,5 мм). А можете и поэкспериментировать, учитывая, что чем меньше сечение проволоки, тем больше будет реактивное сопротивление и соответственно ток протекать будет меньший. Но если вы будите мотать толстым проводом (примерно 1мм), было бы не плохо, т.к. чем толще проводник, тем сильнее магнитное поле вокруг проводника и плюс ко всему будет протекать больший ток, т.к. реактивное сопротивление будет меньше. Так же ток будет зависеть и от частоты напряжения (если от переменного тока). Так же стоит сказать пару слов о слоях: чем больше слоев, тем больше магнитное поле катушки и тем сильнее будет намагничивать сердечник, т.к. при наложении слоев магнитные поля складываются.

Хорошо, катушку намотали, и сердечник внутрь вставили, теперь можно приступить к подаче напряжения на катушку. Подаем напряжение и начинаем увеличивать его (если у вас блок питания с регулировкой напряжения, то плавно поднимайте напряжение). Следим при этом чтобы наша катушка не грелась. Подбираем напряжение такое, чтобы при работе катушка была слегка теплой или просто теплой – это будет номинальный режим работы, а так же можно будет узнать номинальный ток и напряжение, замерив на катушке и узнать потребляемую мощность электромагнита, перемножив ток и напряжение.

Если вы собираетесь включать от розетки 220 вольт электромагнит, то вначале обязательно измерьте сопротивление катушки. При протекании через катушку тока в 1 Ампер сопротивление катушки должно быть 220 ом. Если 2 Ампера, то 110 Ом. Вот как считаем ТОК=напряжение/сопротивление= 220/110= 2 А.

Все, включили устройство. Попробуйте поднести гвоздик или скрепку – она должна притянуться. Если плохо притягивается или очень плохо держится, то домотайте слоев пять медной проволки: магнитное поле увеличится и сопротивление увеличится, а если сопротивление увеличится, то номинальные данные электро магнита изменятся и нужно будет перенастроить его.

Если хотите увеличить мощность магнита, то возьмите подковообразный сердечник и намотайте провод на две стороны, таким образом получится манит-подкова состоящий из сердечника и 2-ух катушек. Магнитные поля двух катушек сложатся, а значит, магнит в 2 раза будет работать мощнее. Большую роль играет диаметр и состав сердечника. При малом сечении получится слабый электромагнит, хоть если мы и подадим высокое напряжение, а вот если увеличим сечение сердечка, то у нас выйдет не плохой электромагнит. Да если еще сердечник будет из сплава железа и кобальта (этот сплав характеризуется хорошей магнитной проводимостью), то проводимость увеличится и за счет этого сердечник будет лучше намагничиваться полем катушки.

Наиболее интересным и перспективным явлением в природе считается магнетизм, который способен проявить себя через различные виды полей. Электромагнитные поля это всего лишь одна из разновидностей полей. Они образуются из двух видов полей электрического и магнитного. Давайте начнем разбираться именно с природой и принципом действием магнитных полей. В роли источника магнитных полей проще всего применить постоянные магниты и электромагниты. А вот как они работают, об этом мы ипоговорим.

Электромагнит, это простая электротехническая конструкция состоящая из обмотки и сердечник. Из курса электротехники известно, что в случае прохождения электрического тока через обмотку вокруг нее возникают электромагнитные поля.

То есть, в то время, когда электрических заряд движется он генерирует вокруг себя магнитные поля. Когда же он не перемещается, у него имеется только электрическое поле. Но, электроны и ионы никогда не будут находится в состоянии полного покоя. Всегда присутствует внутреннее движении, поэтому электрическое и магнитное поле присутствуют одномоментно, только в случае относительного покое в большей степени заметны электрические поля, а при увеличении движения элементарных частиц начинает преобладать магнитное поле.

Таким образом для возникновения магнитного поля требуется всего лишь пропустить ток по проводнику, а для повышения уровня интенсивность этого поля, требуется увеличить силу тока или длину электрического проводника. Но существует еще один фактор, влияющий на силу магнитного поля.

В электромагнитах, кроме выше сказанного имеется сердечник из магнитного материала. В таком магнитном материале осуществляется свое собственное внутреннее движения заряженных элементарных частиц. Но они располагаются в хаотичном порядке, из-за чего осуществляется взаимное гашение магнитных сил.

При воздействии внешним электромагнитным полем на такой материал возникает следующий эффект, а именно все внутренние магнитные поля этого материала поворачиваются в одном направлении, что ведёт к резкому росту магнитных свойств. Следовательно, для изготовления хорошего магнита требуется на магнитный сердечник намотать большое количество витков из медной проволоки, после чего пропустить через них ток.

Но помните, что при отключении напряжения у электромагнита исчезают все его свойства. Потому, что все заряженные частицы перестают двигаться в проводнике, а упорядоченные магнитные поля внутри магнитного сердечника возвращаются в исходное хаотичное состояние. Для изготовления постоянного магнита без электропитания, требуется, что бы внутренние магнитные поля оставались в однонаправленном состоянии. Этого можно добиться применяя специальные магнитные материалы, которые можно намагничивать или размагничивать.

В первоначальный момент это вещество не обладает такими сильными магнитными свойствами. Для намагничивания его, необходимо разместить в сильном постоянном магнитном поле. Через определенный промежуток времени и интенсивность воздействия данный материал становится постоянным магнитом. Для размагничивания постоянного магнита, го нужно подвергнуть высокой температуре, сильным ударам или воздействовать сильным переменным магнитным полем.

Думаю каждый встречал обычные постоянные магнитики. А знаете ли вы, что является истинной причиной их специфического действия? Думаю, совсем не многие об этом знают. Предлагая ознакомится с простой теоретической лекцией об устройстве постоянного магнита и магнитном поле

В принципе их расчет это достаточно сложный процесс, но для радиолюбителей, он существенно упращен. Магнитная цепь описывается величиной - В , на которую влияет напряженность поля и магнитная проницаемость вещества.Поэтому сердечники электромагнитов изготавливают из специаального сплава железа, обладающего высокой величиной магнитной проницаемости. От магнитной индукции зависит силовой поток, Ф .

Где, S площадь поперечного сечения магнитопровода. На силовой поток оказывает влияние и магнитодвижущая сила (Е м) , которая вычисляется по формуле:

Ф = (Е м)×R м, откуда Е м = 1,3×I×N

Где, где N - число витков катушки, а I - сила текущего по катушке тока в амперах.

Магнитное сопротивление определяется по формуле:

где L - средняя длина пути силовых магнитных линий, М - магнитная проницаемость, a S - поперечное сечение магнитопровода.

При изготовление самодельных электромагнитов стараются получить максимальный силовой поток. Добиваются этого уменьшением магнитного сопротивления. Для чего выбирают магнитопровод с минимальной длиной пути силовых линий и с максимально возможным поперечным сечением, а в качестве материала стальной сплав с отличной магнитной проницаемостью. Другой метод увеличения силового потока это увеличения количества ампервитков не очень целесообразен, т.к в целях экономии проволоки и напряжения питания следует стремиться к снижению числа ампервитков. Предположим, нам необходимо определить ампервитки и силовой поток замкнутого стального магнитопровода, изображенного на рисунке а ниже, и сделанного из стали плохого качества.

Для намотки катушек с минимальным числом витков для упрощенных расчетов примим величину магнитной индукции в 10 000 силовых линий на 1 см 2 при двух ампервитках на один сантиметр длины. В этом радиолюбительском примере расчет может быть осуществлен следующим образом. Так, при длине магнитопровода L =L1+L2 равной 20 см + 10 см = 30 см, потребуется 2×30=60 ампервитков.

Если диаметр сердечника D (Рисунок,в) равен2 см, то его площадь: S = 3,14xD2/4 = 3,14 см 2 , отсюда

Ф = B × S= 10000 × 3,14=31400 силовых линий

.

Можно приближенно определить и подъемную силу электромагнита P :

P = B2 × S/25 × 1000000 = 12,4 кг.

Для двухполюсного магнита полученный результат необходимо удвоить. При расчете подъемной силы магнита следует помнить, что она зависит не только от длины магнитопровода, но и от площади контакта якоря и сердечника. Поэтому якорь должен хорошо прилегать к полюсным наконечникам ЭМ, иначе случится резкое уменьшение подъемной силы. Далее можно сделать расчет катушки электромагнита. В случае двухполюсного магнита подъемная сила в 25 кг задается 60 ампервитками, т.е N×J = 60 ампервитков.

Конечно, можно задать и другое соотношение, например 2 А и 30 витков, либо увеличив число витков катушки 0,25 А и 240 витков. Однако изменение номинала тока в большом диапазоне не всегда можно осуществить на практике, т.к может потребываться уж очень большой диаметра применяемой проволоки. В нашем примере медная проволока должна быть следующего сечения: для тока в 2А - 0,4 мм 2 , а для тока в 0,25А - 0,05 мм 2 , диаметр проволоки будет 0,7 мм и 0,2 мм соответственно. Каким же из этих проводов случше осуществить обмотку? Зная диаметр проволоки и ее длину, можно легко найти сопротивление. Длина проволоки L вычисляется как, произведению общего числа витков на длину одного из них (среднюю): L = N × L1 где L1 - длина одного витка, равная 3,14 × D. В нашем примере D = = 6,3 см. Поэтому, для первой катушки длина медной проволки будет 190 см, а сопротивление обмотки постоянному току около 0,1 Ом, а для второй 512 см, с сопротивлением в 8,7 Ом. Зная закон Ома, легко найти нужное напряжение. Так, для создания в обмотках тока номиналом в 2А потребуется напряжение 0,2В, а для тока в 0,25А - 2,2В.

В этом видео уроке канал “Э+М” рассказал о том, что такое электромагнит. Также показал, как сделать его руками с напряжением питания 12 вольт и поставил серию опытов с его использованием. Показал, как увеличить эффективность.

Для начала немного теории истории. В начале 19 века датский физик Эрстед обнаружил связь между электричеством и магнетизмом. Ток, проходящий через проводник, находящийся рядом с компасом, отклоняет его стрелку в сторону проводника. Это свидетельствует о наличии магнитного поля вокруг проводника. Также выяснилось, что если в намотать проводник в катушку, его магнитные свойства усилится. В катушке с проводом, так называемом соленоиде, образуются магнитные линии, такие же, как и в постоянном магните.

В зависимости от того, какой стороной понесем катушку к компасу, он будет отклоняться в ту или иную сторону. Так как в катушке образовались два полюса: северный и южный. Можно изменить направление электрического тока, когда поменяются полюса. Для эксперимента автор канала намотал 2 одинаковые катушки. Первая катушка 260 витков, сопротивление 7 ом. 2 в два раза больше. 520 витков, сопротивление 15 ом. Питание будет осуществляться от источника постоянного тока. Напряжение 12 вольт. В данном случае это компьютерный блок питания. Также подойдет свинцовый аккумулятор.

Начнем эксперименты с первой катушке, у которой 260 витков. Мультиметр установлена в режиме измерения тока. Он покажет ток в амперах, текущий через катушку. Как видим показатель 1,4 ампера. Этого достаточно, чтобы притянуть маленькие металлические предметы. Попробуем объект побольше. Пусть это будет железный рубль. Катушка не может справиться с этой нагрузкой. Попробуем провести тот же опыт со второй катушкой. Ток здесь составляет 0,7 ампера. Это в 2 раза меньше, чем у 1. При том же напряжении 12 вольт. Она также не может притянуть рубль. Что можно сделать, чтобы увеличить магнитные свойства нашей катушки? Попробуем ставить железный сердечник. Для этого используем болт. Теперь он выступит в качестве магнитопровода. Последний способствует прохождению магнитного потока через себя, увеличивает соответствующие свойства соленоида. Теперь наша конструкция превратилась в электромагнит. Он уже с легкостью справляется с рублем. Ток остался таким же, 1,4 ампера.

Поэкспериментируем дальше и посмотрим, сколько таких предметов может притянуть магнитная катушка.
Электромагнит нагрелся, значит его сопротивление увеличилось. Чем больше сопротивление, тем меньше ток. Тем меньше магнитное поле катушка создаёт. Дадим а полностью остыть электромагниту и повторим экспериментов. В этот раз нагрузкой станут 12 монет. Как видим, нижние монеты при снижении тока начали сами отпадает. Сколько не пытался ведущий экспериментировать, удалось поднять не более такой нагрузки.

Проведем тот же опыт со второй катушкой. У него два раза больше витков. Посмотрим, сильнее ли она, чем предыдущая.
Смотрите продолжение о электромагните на 12 вольт на видео с 6 минуты.

Глава 21

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

§ 21.1. Назначение электромагнитных исполнительных устройств

Исполнительные устройства в системах автоматики предназначены для приведения в действие (т. е. для привода) раз­личных регулирующих органов, оказывающих непосредственное воздействие на объект управления с целью достижения выходной величиной этого объекта требуемого значения. Существует боль­шое разнообразие регулирующих органов: для изменения подачи жидкостей и газов в трубопроводах устанавливаются заслонки, клапаны, шиберы и краны; в подъемно-транспортных устройствах это различные контакторы, муфты, тормоза, вариаторы скорости; в осветительных и нагревательных электроустановках это различ­ные коммутационные аппараты.

Для воздействия па регулирующие органы необходимо выпол­нить механическую работу: повернуть заслонку или крап, соеди­нить две половинки муфты, переместить шестерню на валу короб­ки передач, замкнуть контакты и т. д. Входным сигналом испол­нительного устройства в электрических системах автоматики яв­ляется электрический ток или напряжение, а выходным сигна­лом - механическое перемещение.

Для преобразования электрической энергии в механическую служат электромагниты и электродвигатели. В данной главе будут рассмотрены только электромагнитные исполнительные устройст­ва. Электродвигатели являются электрическими машинами и изу­чаются в соответствующем курсе. Следует отметить, что почти всегда, когда ставится вопрос о разработке привода для регули­рующего органа, приходится делать выбор между двумя вариан­тами: электромагнит или электродвигатель. Основное преимуще­ство электромагнита - простота конструкции. У электродвигателя достоинств больше: высокий КПД, возможность получения любых скоростей и перемещений. Однако эти преимущества проявляются только в сравнительно сложных системах автоматики и при про­должительном режиме работы. При необходимости иметь неболь­шие перемещения (несколько миллиметров) и усилия (несколько десятков-сотен ньютон) электромагниты выгоднее, чем электро­двигатель с редуктором.

В предыдущих главах уже рассматривались электромагниты, используемые как составная часть электромагнитных реле и кон­такторов. В данной главе будут рассмотрены общие вопросы клас­сификации электромагнитов, их расчета, конструирования, приме­нения в качестве исполнительных элементов систем автоматики.

§ 21.2. Классификация электромагнитов

В зависимости от вида тока в обмотке электромагниты подразделяют на электромагниты постоянного и переменного то­ков, по скорости срабатывания - на быстродействующие, нор­мальные и замедленного действия. По назначению электромагни­ты разделяют на приводные и удерживающие.

Приводные электромагниты служат для выполнения механиче­ской работы. При подаче питания они перемещают различные ис­полнительные устройства: клапаны, толкатели, заслонки, золотни­ки, железнодорожные стрелки. Они перемещают контакты реле и контакторов, печатающие и перфорирующие устройства. Для выполнения этой работы электромагниты должны быть рассчита­ны на определенную силу и перемещение.

Удерживающие электромагниты служат не для перемещения, а лишь для удерживания ферромагнитных деталей. Например, электромагнит, используемый при подъеме железного металлоло­ма, только удерживает его, а перемещение осуществляется подъ­емным крапом. В этом случае, электромагнит выполняет лишь роль крюка подъемного крана. В металлообработке используются эле­ктромагнитные плиты для фиксации обрабатываемой детали на станке. Известны также электромагнитные замки. Поскольку удерживающие электромагниты не совершают работы, они рассчи­тываются лишь на определенное усилие. В некоторых случаях электромагнит имеет две катушки: одна, более мощная, исполь­зуется для перемещения якоря, а другая - лишь для удерживания якоря в притянутом положении.

Велико разнообразие электромагнитов специального назначе­ния. Они используются для фокусировки электронных пучков в телевидении, в ускорителях элементарных частиц, в разнообразных измерительных приборах, в медицинской аппаратуре и т. д.

По конструктивному выполнению различают клапанные (по­воротные), прямоходовые и электромагниты с поперечным движе­нием. Клапанные электромагниты имеют" небольшое перемещение якоря (несколько миллиметров) и развивают большое тяговое усилие.

Прямоходовые электромагниты имеют большой ход якоря и большее быстродействие; по размерам они меньше, чем клапан­ные. Часто они представляют собой соленоид (цилиндрическую катушку, втягивающую в себя ферромагнитный стержень), поэто­му их иногда называют соленоидными электромагнитами.

Рис. 21.1. Варианты конструктивных схем электромагнитов

Различные конструкции электромагнитов показаны на рис. 21.1. Несмотря на большое их многообразие (далеко не все возможные конструкции показаны на этом рисунке), все они состоят из ка­тушки 1, якоря (подвижного магнитопровода) 2, неподвижного магнитопровода (сердечника 3 и ярма 4). Кроме того, они имеют различные пружины, крепежные, фиксирующие и передающие де­тали, корпус. По конструкции магнитной цепи различают электро­магниты с разомкнутым (рис. 21.1, г, е) и замкнутым магнитопроводом (рис. 21.1, а, б, в, д, ж, з). По форме магнитопровода различают электромагниты с П-образным, Ш-образным и цилинд­рическим магнитопроводом.

Магнитопроводы электромагнитов постоянного тока обычно выполняются сплошными из магнитомягких материалов: обычных конструкционных сталей и низкоуглеродистых электротехнических сталей. Высокочувствительные электромагниты имеют магнитопровод из пермаллоев (сплавов железа с никелем и кобальтом). В быстродействующих электромагнитах стремятся к уменьшению вихревых токов, для чего используют электротехнические кремни­стые стали с повышенным электрическим сопротивлением и ших­тованный (наборный) магнитопровод.

Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод эле­ктромагнитов переменного тока собирают (шихтуют) из изолиро­ванных пластин толщиной 0,35 или 0,5 мм. В качестве материала используются горячекатаные и холоднокатаные электротехниче­ские стали. Отдельные части магнитопровода, которые трудно вы­полнить шихтованными, изготовляют из сплошного материала тол­щиной 2-3 мм.

Катушки электромагнитов по своей конструкции бывают кар­касные и бескаркасные, а по форме сечения - круглые и прямо­угольные. Провод каркасной катушки наматывают па каркас из изоляционного материала (текстолит, гетинакс, пластмасса). Про­вод бескаркасной катушки наматывают прямо на сердечник, об­мотанный изоляционной лентой, или па специальный шаблон. Для обеспечения прочности катушки, выполненной на шаблоне, ее об­матывают лентой (бапдажируют) и пропитывают компаундным лаком. Катушки, как правило, наматывают медным проводом с изоляцией, выбираемой исходя из назначения и условий работы электромагнита.

В зависимости от способа включения различают последова­тельные и параллельные катушки. Параллельные катушки име­ют большое число витков и наматываются тонким проводом. Обычно они включаются на полное напряжение сети. Последова­тельные катушки имеют сравнительно малое сопротивление, так как выполняются толстым проводом и с малым числом витков. Ток такой катушки определяется не ее сопротивлением, а зависит от тех устройств, с которыми катушка включена последовательно.

Различают также электромагниты, предназначенные для дли­тельной, кратковременной и повторно-кратковременной работы.

§ 21.3. Порядок проектного расчета электромагнита

Исходными данными для расчета электромагнита обыч­но являются требуемое тяговое усилие F э, ход (или угол поворо­та) якоря и напряжение питания U. Кроме того, в задании на проектирование указываются режим работы электромагнита и ус­ловия эксплуатации. Могут быть заданы требуемые быстродейст­вие, габариты, вес, стоимость.

В результате расчета необходимо выбрать конструкцию элект­ромагнита, материал магнитопровода, определить геометрические размеры магнитопровода и катушки, обмоточные данные.

На первом этапе проектного расчета необходимо выбрать кон­струкцию электромагнита, используя понятие конструктивного фактора А. Эта величина определяется в зависимости от тягового усилия и хода якоря :

где - в Н; - в см.

При используют прямоходовый электромагнит соленоидного типа; при -прямоходовый с коническим стопой; при -прямоходовый с плоским стопом; при 2,6<<26 - с поворотным якорем клапанного типа.

Форму электромагнита выбирают с учетом необходимой тя­говой характеристики. На рис. 21.2 показаны типичные тяговые

характеристики электромагнитов. Если не­обходимо иметь пологую тяговую характе­ристику 1, то следует применять прямохо­довый электромагнит, если крутую 2 - кла­панный электромагнит. Ш-образпая форма электромагнита (5) используется преиму­щественно в схемах переменного тока.

На втором этапе выбирается индукция и определяется сечение магнитопровода.

Сила притяжения якоря в основном соз­дается магнитным потоком в воздушном зазоре. Поэтому при проектном расчете влияние на тяговую силу потоков рассея­ния обычно не учитывается. Оптимальный магнитный поток и индукция в рабочем воздушном зазоре может находиться в весьма широких пределах и зависит от соотношения между тяговым усилием и величиной хода, т. е. от конструктивного фактора А. На рис. 21.3 приведены зависимости индукции от конструктивного фактора для трех конструкций электромагнитов (с плоским стопом, с коническим стопом, клапанного типа). После выбора по этим кривым индук­ции можно определить площадь сечения полюсного наконеч­ника. Напомним формулу (17.13), связывающую тяговое усилие синдукцией в зазоре и сечением полюсного наконечника При определении диаметра сердечника необходимо предвари­тельно задаться индукцией в стали и коэффициентом рассея­ниямагнитной системы. Для мощных электромагнитовпри­нимается в пределах , для небольших магнитных си­стем реле - в пределах от . Коэффициент рассеяния Меньшие значения берутся при малых ходах якоря, большие - для перемещений в несколько сантиметров. Сечение сердечника определяется по формуле

Сечение ярма обычно принимается равным сечению сердечника , а сечение якоря - меньшим:

Рис. 21.3. Зависимость индукции в зазоре электромагнита и размеров катушки от величины конструктивного фактора

требуемого тягового усилия. Введем коэффициент , представляю­щий собой отношение МДС, не участвующей в создании тягового усилия, к общей МДС катушки. Тогда, полагая проводимость воз­душного зазора , определяем полную МДС катушки:

Ее можно уточнить при расчете магнитной цепи с использованием кривых намагничивания для выбранного материа­ла магнитопровода.

Соотношение высоты обмоточного пространства катушки к его ширине обычно выбирается по конструктивному фактору (нижняя кривая на рис. 21.3). Конкретные размеры ка­тушки выбирают на основании условий нагрева катушки. При этом учитываются режим работы, коэффициент теплоотдачи , способ намотки, влияющий на коэффициент заполнения , изоляция про­вода, определяющая допустимую температуру . Кроме того, необходимо учесть и возможность снижения напряжения питания до

С учетом этих факторов ширина обмоточного пространства ка­тушки определяется по формуле

Зная размеры катушки, можно определить все размеры магнитопровода электромагнита: высоту сердечника и ярма, расстояние между ними и т. д.

§ 21.4. Особенности расчета электромагнитов переменного тока

В электромагнитах переменного тока индукция в маг­нитной цепи изменяется по синусоидальному закону. Так как мак­симальное (амплитудное) значение индукции враз больше действующего значения, а величина тягового усилия пропорцио­нальна квадрату индукции, то электромагнит переменного тока при одинаковой степени насыщения магнитопровода развивает в два раза меньшее значение тягового усилия. Поэтому при опреде­лении конструктивного фактора для электромагнита переменного тока принимается удвоенное значение тягового усилия"

Оптимальные соотношения между высотой и шириной обмоточ­ного пространства катушки t = h/ a получаются меньшими, чем для электромагнитов постоянного тока. Поэтому катушки элект­ромагнитов переменного тока будут короче и толще. Более корот­кая катушка уменьшает длину сердечника и его объем, что при­водит к снижению потерь в стали, вызванных гистерезисом и вих­ревыми токами. Этих потерь не было в электромагнитах постоян­ного тока. Там стремились к уменьшению потерь в меди, что обе­спечивалось уменьшением средней длины витка катушки за счет малой ее толщины. В электромагнитах переменного тока надо стремиться к уменьшению суммарных потерь (и в меди, и в ста­ли).

При уточненном расчете электромагнитов необходимо учиты­вать потоки рассеяния и падения МДС в нерабочих зазорах и в стали. Кроме того, в электромагнитах переменного тока необхо­димо учитывать потери на гистерезис и на вихревые токи в магнитопроводе

Эти потери пропорциональны частоте питания, массе магнито­провода и индукции в квадрате. Для материалов, используемых в магнитной цепи электромагнита, в справочниках приводятся удельные потери (в зависимости от толщины листа и частоты) на единицу массы.

Число витков обмотки электромагнита переменного тока

(21.7)

Диаметр провода определяется по допустимой с точки зрения нагрева плотности тока. При этом ток определяется с учетом по­терь в стали:

где -ток потерь в стали; -ток намагничивания.

Значения и можно определить с помощью электрической схемы замещения электромагнита (рис. 21.4). На схеме приняты следующие обозначения:-активное сопротивление обмотки;

Индуктивное сопротивление, со­ответствующее рабочему потоку; - индуктивное сопротивление, соответ­ствующее потоку рассеяния; -ак­тивное сопротивление, обусловленное потерями в магнитопроводе на гисте­резис и вихревые токи.

Если пренебречь падением напря­жения на активном сопротивлении об­моткии потоком рассеяния, то ток потерь

(21.9)

Намагничивающий ток, создающий рабочий магнитный поток, определяется по МДС (). Если пренебречь падением МДС в стали и нерабочих зазорах, то

где-действующеезначение переменного магнитного потока в рабочем зазоре; -магнитная проводимость рабочего зазора.

Предварительный расчет электромагнита с короткозамкнутым витком проводится без учета экранирующего действия этого вит­ка. Точный расчет параметров короткозамкнутого витка довольно сложен. На практике его выполняют из меди или латуни таким образом, чтобы он охватывал примернополюса электромагни­та. При Ш-образном магнитопроводе короткозамкнутый виток 3 располагается на среднем (рис. 21.5, а) или на крайних стержнях (рис. 21.5, б). С витком на среднем стержне выполнены широко распространенные электромагниты серии МИС. Для уменьшения падения МДС в нерабочем зазоре между якореми сердечником 2 имеется так называемый воротничок 5. Номинальное тяговое усилие электромагнитов серии МИС изменяется от 15 до 120 Н при ходе якоря 15-30 мм. Механическая износостойкость состав­ляет примерно 10 6 циклов включений-отключений.

С витками на крайних стержнях (рис. 21.5, б) вы­ полнены длинноходовые электромагниты серии ЭД. Они имеют Т-образный якорь 1. Тяговое усилие соз­дается во всех трех стерж­нях, т. е. магнитная цепь со­держит три рабочих зазора. Тяговое усилие электромаг­нитов серии ЭД достигает 250 Н при максимальном перемещении якоря до 40 мм. Электромагниты срабатывают при подаче тока в об­мотку 4.

§ 21.5. Электромагнитные муфты

Электромагнитная муфта предназначена для передачи вращающего момента двигателя к рабочему механизму. Муфта состоит из двух частей: ведущей и ведомой, - которые образуют замкнутую магнитную систему. Муфта выполнена из ферромагнит­ных материалов и имеет одну или несколько обмоток возбужде­ния.

Различают фрикционные муфты и асинхронные (индукцион­ные) муфты. Во фрикционных муфтах передача вращения проис­ходит за счет силы трения между ведущей частью, закрепленной на валу электродвигателя, и ведомой частью, которая может пе­ремещаться вдоль вала рабочего механизма на шлицах или шпон­ке. При подаче тока в обмотку возбуждения создается магнито­движущая сила и подвижная часть муфты прижимается к непо­движной. Такая муфта работает как электромагнит. Для передачи значительных моментов используются многодисковые конструкции электромагнитных муфт. Как на ведущем, так и на ведомом валу имеется несколько стальных дисков, которые под действием МДС притягиваются друг к другу и благодаря трению их поверхностей передается вращение. Соприкасающиеся поверхности фрикцион­ных муфт выполняют из специального материала - сплава фер-радо, имеющего коэффициент трения в 3-4 раза больший, чем у стали.

Различают конструкции электромагнитных фрикционных муфт с неподвижной катушкой электромагнита и с вращающейся ка­тушкой.

В маломощных муфтах (рис. 21.6, а) ведущая 1 и ведомая 2 полумуфты не имеют обмоток, но одна из них (обычно ведомая) может перемещаться вдоль вала по шпонке или шлицам. Обе муфты окружены неподвижной катушкой электромагнита 3, которая при подключении к напряжению создает магнитный поток. Воз­никающие электромагнитные силы прижимают ведомую полумуф­ту к ведущей. Момент трения между полумуфтами должен быть больше момента нагрузки на ведомом валу. При отключении ка­тушки муфты неподвижная полумуфта отжимается от подвижной с помощью пружины (на рисунке не показана). Обычно эта же пружина прижимает полумуфту к тормозным поверхностям, что

обеспечивает быструю остановку ведомого вала. В мощных муф­тах (рис. 21.6, б) для увеличения величины передаваемого момен­та в подвижной части муфты используется несколько стальных дисков 2, имеющих свободу перемещения вдоль оси вращения ве­дущего и ведомого валов. Соответствующее количество стальных дисков 1 жестко закреплено на ведущем валу. На этом же валу закреплена катушка электромагнита 3, подача тока к которой осуществляется с помощью контактных колец и щеток. Электро­магнитные силы притягивают подвижные диски к неподвижным. Большая площадь соприкосновения обеспечивает большой момент трения.

В электромагнитных муфтах с ферромагнитным наполнителем (рис. 21.6, в) передача вращения осуществляется за счет того, что зазор между ведомой 1 и ведущей 2 полумуфтами заполнен смесью 4 из зерен ферромагнитного материала и наполнителя. При пропускании тока через катушку 3 муфты создается магнит­ный поток, заставляющий ферромагнитные зерна ориентироваться вдоль силовых линий и образовывать мостики, связывающие ве­дущую и ведомую полумуфты. Зерна ферромагнитного материала имеют размеры от 4 до 50 мкм. Наполнитель может быть сухим (тальк, графит) или жидким (трансформаторные и силиконовые масла, фтористые соединения).

Электромагнитные муфты с ферромагнитным наполнителем бо­лее надежны, чем фрикционные, имеют меньшее время срабаты­вания (до 20 мс). Необходима регулярная смена наполнителя.

В электромагнитных индукционных муфтах передача вращаю­щего момента происходит за счет индукционных токов, т. е. без непосредственного механического соприкосновения обеих частей муфты. Одна из частей муфты (рис. 21.7) имеет электромагнит­ные полюсы 1 с обмоткой возбуждения, питаемой постоянным то­ком. Она называется индуктором и конструктивно выполнена по­добно ротору синхронного генератора. Другая часть муфты имеет короткозамкнутую. обмотку 2, аналогичную роторной обмотке.асинхронного двигателя. Эта часть называется якорем. При вра­щении индуктора в обмотке якоря наводится ЭДС и идет ток. Взаимодействие этого тока с магнитным потоком возбуждения

создаст электромагнитный мо­мент, приводящий во вращение якорь. В муфте происходят те же физические процессы, что и в асинхронном электродвигателе. Разница заключается в том, что вращение магнитного поля в дви­гателе происходит при подаче трехфазного переменного тока в обмотку неподвижного статора, а в муфте вращение магнитного поля происходит за счет механи­ческого вращения индуктора, возбужденного постоянным током. Так же как и в асинхронном двигателе, вращающий момент возникает лишь при неодинаковой скорости индуктора и якоря. Ведомая часть муфты вращается с частотой , где

Частота вращения ведущего вала,-скольжение. Величина скольжения обычно составляет

Если момент нагрузки приводного механизма оказывается больше максимального момента муфты, то происходит опрокиды­вание- вращение ведомой части прекращается. Благодаря спо­собности к опрокидыванию муфта может защитить приводной двигатель от больших перегрузок. Величина вращающего момен­та, передаваемого муфтой, зависит от магнитного поля возбуж­дения. Изменяя ток возбуждения, можно регулировать величину критического момента муфты. Разница в скоростях вращения ве­домой и ведущей частей асинхронной муфты принципиально необ­ходима для создания вращающего момента на ведомой части. По­этому асинхронные муфты называют еще электромагнитными муф­тами скольжения. Они получили наибольшее распространение в качестве элемента регулируемого автоматизированного электро­привода переменного тока, включающего помимо муфты нерегу­лируемый электродвигатель и систему автоматического регули­рования тока возбуждения муфты. К достоинствам такого приво­да с муфтой скольжения относятся простота устройства и экс­плуатации, низкая стоимость, высокая надежность. Но с увеличе­нием скольжения растут потери мощности и КПД привода сни­жается.