Электрические магниты

Электромагнитом называется такой исполнительный механизм, который под действием электромагнитного поля, образованного намагничивающей катушкой (катушками), создает электромагнитную силу, приложенную к ферромагнитному телу. В системах автоматизации в качестве исполнительного механизма часто используют электромагниты, особенно в системах двухпозиционного регулирования и в защитно-блокировочных системах. В последнем случае электромагнит, сочлененный с соответствующей арматурой или приспособлением, производит автоматическое прекращение (отсечку) или восстановление потока вещества в целях исключения образования аварийных ситуаций в технологических процессах. Такие исполнительные устройства в соответствии с их назначением называются отсечными или выпускными устройствами. Часто в подобных исполнительных устройствах используют электромагниты не как основное тяговое звено, а как вспомогательный привод, дающий импульс к действию узла, основного перестановочного усилия.

Рис. 6. Классификация электромагнитов

Электромагнит, являющийся прямоходным с втягивающимся якорем называется соленоидом.

Часто электромагниты используют в исполнительных устройствах, выпускаемых в виде законченных изделий — соленоидных клапанов.

Электромагниты можно классифицировать по принципу действия и конструктивному исполнению. Классификация, приведенная на рис. 6, не имеет подробной деталировки.

При выборе электромагнитов для конкретных систем автоматизации следует их оценивать по конструктивным и электромагнитным показателям. Одним из основных показателей является условная полезная работа А, которая может быть выражена в виде произведения тягового усилия N при определенном ходе якоря на величину этого хода S:

А =NS.

Из тяговой характеристики, показанной на рис. 7, видно, что при определенном ходе якоря величина условной полезной работы будет иметь максимум, а рабочий зазор будет оптимальным.

Рис. 7. Тяговая характеристика и график условной полезной работы электромагнита	Рис. 8. Общий вид и характеристика тяговой силы и условной полезной работы электромагнита с цилиндрическим магнитопроводом и плоским якорем

Вторым фактором оценки является показатель весовой экономичности электромагнита (или показатель удельного расхода материала), который характеризуется коэффициентом К_эк, равным отношению массы электромагнита G к величине условной полезной работы А, и определяет его высокие конструктивные данные при минимальной массе и при максимуме условной полезной работы:

К_эк=G/A.

Форма магнитной системы электромагнита характеризуется конструктивным фактором К_ф, представляющим собой отношение корня квадратного из начального тягового усилия N_н к рабочему ходу S:

К_ф=(√ N_н)/ S.

Обобщенным показателем является показатель добротности К_д магнитной системы, который оценивается отношением совершенной им работы А к произведению его массы G, потребляемой мощности P и значения превышения температуры катушки над температурой окружающей среды ∆ t:

К_д=А/(GР∆ t) кгс см/кг Bт ⁰С

Чем больше значения показателей А, К_эк, К_ф, К_д, тем лучше сконструирован электромагнит, тем лучше его свойства, которые являются качественными критериями при выборе электромагнита.

Помимо общих вышеуказанных критериев оценки при выборе электромагнитов необходимо также учитывать следующие требования:

1. Выбираемая конструкция электромагнита должна отвечать по величине хода или угла поворота якоря величине тяговой силы или вращающего момента и заданной тяговой характеристике.

При этом необходимо иметь в виду следующее:

а) для очень больших тяговых сил и малой величины хода якоря следует применять электромагниты с цилиндрическим магнитопроводом и плоским якорем (рис. 8);

б) для больших тяговых сил и значительных ходов якоря следует использовать электромагниты цилиндрической формы с втягивающим якорем постоянного тока (рис. 9) или притягивающим и втягивающим якорем переменного тока (рис. 10),

а)	б)	в)
Рис. 9. Общий электромагнитов цилиндрической формы с втягивающими якорями: а — с плоским стопом; б — с коническим стопом; в — со стопом в виде усеченного конуса

Рис. 10. Электромагниты переменного тока прямоходные: а — с притягивающим; б — с втягивающим якорем; в — их тяговые характеристики

в) для очень больших перемещений якоря следует применять электромагниты с замкнутым цилиндрическим магнитопроводом с постоянной тяговой силой постоянного тока (рис. 11) и Ш-образным якорем (рис. 12) переменного тока.

Рис. 11. Электромагнит постоянного тока с втягивающим коническим якорем и его тяговая характеристика

При одинаковых тяговых силах и ходах якоря электромагниты переменного тока имеют большие габаритные размеры, чем электромагниты постоянного тока. При небольших ходах якоря электромагниты переменного тока имеют более пологую тяговую характеристику, чем электромагниты постоянного тока.

Рис. 12. Электромагнит трехфазного тока с Ш-образным якорем и его тяговая характеристика

2. Время срабатывания электромагнитов должно соответствовать заданным временным значениям. Для быстродействующих систем пригодны электромагниты с шихтованным магнитопроводом (рис. 13) или соленоидного типа с разомкнутой магнитной цепью, для замедленных систем — с нешихтованным магнитопроводом и поворотным якорем с массивной медной гильзой (рис. 14).

При этом следует иметь в виду, что при равных остальных условиях электромагниты постоянного тока имеют большую постоянную времени, чем электромагниты переменного тока.

Рис. 13. Быстродействующий электромагнит с втягивающим якорем и его тяговая характеристика

3. Электромагнит должен соответствовать имеющемуся источнику тока (по роду тока, по величине напряжения и частоте).

Электромагниты переменного тока при одинаковых совершенных механических работах потребляют электроэнергии больше, чем электромагниты постоянного тока.

Рис. 14. Электромагнит с поворотным якорем и его тяговая характеристика

4. Требуемое число циклов срабатывания должно быть меньше допустимого.

5. Электромагнит должен нормально функционировать в условиях предполагаемой окружающей среды.

6. Электромагнит должен быть удобен в эксплуатации и прост в обслуживании.

Кроме того, электромагнит как исполнительный механизм должен обеспечивать соответствующее тяговое усилие N, которое зависит от массы подвижных деталей (в том числе якоря), жесткости пружины (если возврат в исходное положение достигается при ее помощи), а также от величины давления рабочей среды, поступающей через регулирующий орган, если электромагнит сочленен с последним. Короче говоря, тяговое усилие электромагнита должно быть таким, чтобы он мог обеспечить надежную работу созданного исполнительного устройства. Помимо этого, при расчете тягового усилия электромагнита необходимо учитывать коэффициент запаса, равный 1, 1 — 1, 2.

Тогда для случая постоянного тока тяговое усилие электромагнита может быть определено выражением

N_расч =5, 1Ф/(μ F_β ),

где Ф – магнитный поток выходящий в рабочий зазор; μ — магнитная проницаемость воздуха (1, 256 10^-8Ом с/см); F_β —приведенное сечение торца сердечника и стопа, которое вычисляют по формулам:

для плоского торца сердечника и стопа

F_β =π r_c²

для конусного сердечника

F_β =π r_c²/sinα

Контрольные вопросы:

1. Приведите требования при выборе электрической муфты.

2. Как подразделяются электрические муфты?

3. Приведите последовательность расчета муфт сухого трения.

4. Как подразделяются муфты вязкого трения.

5. Чем создается вращающий момент в муфтах скольжения?

6. Когда применяются электромагниты?

7. Как называется прямоходный электромагнит с втягивающимся якорем?

8. Назовите показатели эффективности электромагнита.

9. Приведите требования при выборе электромагнитов.