7. Электромагнитные устройства автоматики Электромагниты

Электромагнит (ЭМ) является наиболее распространенным преобразователем электрического сигнала в механическое движение. ЭМ получили применение в системах автоматики в качестве приводных и управляющих устройств. Например, в подъемных и тормозных устройствах, приводах для включения и выключения коммутационных аппаратов, электромагнитных контакторах, автоматических регуляторах, приводах для включения и отключения механических, пневматических, гидравлических цепей, а также для сцепления и расцепления вращающихся валов, открывания и закрывания клапанов, вентилей, заслонок, золотников на небольшое расстояние с усилием в несколько десятков ньютонов.

По назначению различают электромагниты:

• удерживающие, которые служат для фиксации положения ферромагнитных тел (например, предназначенные для подъема предметов из ферромагнитного материала, электромагнитные плиты для фиксации деталей на металлообрабатывающих станках, электромагнитные станки);

• приводные, которые служат для перемещений исполнительных устройств (например, клапанов, золотников, заслонок, железнодорожных стрелок), а также используются в контакторах, электромагнитных муфтах и др.;

• специальные, которые используются в ускорителях элементарных частиц, медицинской аппаратуре и др.

По роду тока в обмотке различают ЭМ постоянного и переменного токов. ЭМ постоянного тока делят на нейтральные, не реагирующие на полярность управляющего сигнала, и поляризованные, реагирующие на полярность сигнала (когда на якорь действуют два независящих друг от друга потока).

По конструктивному исполнению различают следующие типы ЭМ.

Клапанные — с внешним притягивающим якорем (рис. 7.1, а-г), при этом магнитные системы могут иметь различную форму:

• П-образный магнитопровод и сердечник круглого сечения;

• П-образный магнитопровод и плоский якорь-ярмо;

• Ш-образный магнитопровод и сердечник круглого сечения;

• цилиндрический магнитопровод.

В клапанных ЭМ происходит небольшое перемещение якоря (несколько миллиметров), благодаря чему они развивают большие усилия и имеют высокую чувствительность.

Прямоходовые – с поступательным движением якоря. Используются, как правило, в виде соленоидов и поэтому часто называются соленоидными ЭМ (рис. 7.1,д, е). Прямоходовые ЭМ имеют большой ход якоря, меньшие, чем клапанные, размеры и большее быстродействие, однако чувствительность у них меньше.

Рис. 7.1. Нейтральные электромагниты различных конструкций:

а ... г — клапанные; д, е — прямоходовые; ж, з — с поперечным движением якоря. 1 — сердечник; 2 — якорь; 3 — полюсный наконечник; 4 — катушка; 5 — ярмо; 6 — направляющая трубка; 7 — пружина; ?_н — начальный воздушный зазор

По своему назначению прямоходовые ЭМ выполняются в двух вариантах:

1. с неподвижным сердечником-«стопом» (рис. 7.1,д, е) и без сердечника со сквозным отверстием по оси катушки — так называемые длинноходовые электромагниты (рис. 7.1, е).

2. ЭМ с неподвижным сердечником создает большое усилие, значение которого возрастает по мере приближения якоря к сердечнику. Длинноходовые системы позволяют получить относительно большой ход якоря (до 200 мм) за счет удлинения катушки.

Эти ЭМ применяются в установках, работающих в режиме кратковременной нагрузки, т.е. когда ток, проходящий через катушку, имеет большое значение, но не вызывает ее перегрева.

С поперечным движением — якорь движется в поперечном направлении к средней линии между полюсами. Практическое использование получили следующие формы магнитных систем:

• с выступающим якорем (рис. 7.1, ж) — применяется при углах поворота якоря 25...40°;

• с вытягивающимся якорем (рис. 7.1, з) — применяют при углах поворота якоря 10... 15°. Позволяют получить тяговую характеристику любой формы (возрастающую, спадающую с любым углом наклона), что обеспечивается соответствующим выбора профиля якоря.

В этих системах якорь подвешивается на пружине, а рабочий угол поворота якоря выбирается таким, чтобы он не занимал крайних положений против полюсов.

Рассмотренные системы с движущимся в поперечном направлении якорем применяются в автоматических регуляторах, когда требуется получить большое значение коэффициента возврата. Кроме того, их удобно использовать в устройствах, работающих на постоянном токе (при переменном токе могут возникнуть вибрации якоря, в то время как зазор между полюсами и якорем должен быть постоянным).

ЭМ состоит из магнитопровода и собственно катушки.

Поведение якоря электромагнита после прекращения тока в обмотке во многом зависит от магнитных свойств магнитопровода, а именно от величины его остаточной индукции B_Т и коэрцитивной силы H_C. При перемагничивании ферромагнетика полем обратного знака остаточная индукция B_Т уменьшается и при значении поля H_С индукция падает до нуля. Напряженность магнитного поля, равная H_С, называется коэрцитивной силой. Доводя внешнее поле до —H_S, можно получить нижнюю ветвь кривой намагничивания, а, изменяя поле от —H_S до +H_S, получить замкнутую петлю гистерезиса. Площадь, ограниченная петлей, пропорциональна работе, которая затрачивается на нагревание ферромагнетика, и определяет потери энергии на перемагничивание.

Низкокоэрцитивные магнетики (H_C = 0,8…150 А/м) обладают узкой петлей гистерезиса и называются магнитомягкими материалами, которые в свою очередь подразделяются на две группы:

• электротехнические стали, используемые для работы в средних и сильных магнитных полях (Н = 2…200 А/см) и обладающие большой величиной индукции насыщения B_S (более 2 Тл) и сравнительно высокой магнитной проницаемостью μ (4…6 · 10³) при средней индукции 0,5…1,2 Тл;

• железо-никелевые сплавы, обладающие в слабых полях (Н << 1 А/см) высокой и сверхвысокой магнитной проницаемостью (μ = 10⁴…10⁵), что и используется для усиления таких полей.

Магнитомягкие ферромагнетики имеют малое магнитное сопротивление и поэтому используются в качестве магнитопроводов.

Высококоэрцитивные (Нс = 400…1200 А/см) магнитожесткие (магнито-твердые) материалы обладают широкой петлей гистерезиса, имеют значительное магнитное сопротивление и требуют больших затрат энергии на намагничивание и перемагничивание. Из магнитожестких материалов путем их предварительного намагничивания получают постоянные магниты, которые используются в ЭМР как источники дополнительной намагничивающей силы.

В ЭМ постоянного тока магнитопровод выполняется сплошным из полосового или круглого материала - технически чистого железа марок Э, ЭА и ЭАА. Высокочувствительные электромагниты имеют магнитопровод из железоникелевых и железоникелькобальтовых сплавов, это пермаллои марок 79НМ, 79НМА и гайперники марок 50НП, 45Н, 45НП. Широкое применение в магнитопроводах быстродействующих ЭМ нашли легированные кремнием стали марок Э11, Э21 и т.д. Легирование электротехнических сталей кремнием обусловливает значительное повышение электросопротивления. При этом уменьшаются потери энергии на вихревые токи, что позволяет применять сталь в более мощных устройствах, работающих на переменном токе.

Магнитопроводы ЭМ переменного тока выполняют шихтованными, т.е. собирают из пластин, штампуемых из листового материала толщиной 0,3...0,5 мм. Материалами могут быть: горяче- и холоднокатаная электротехническая сталь марок Э11... Э43, Э1100, Э310 и др.

В некоторых случаях магнитопроводы ЭМ постоянного тока также делают шихтованными для устранения вихревых токов, возникающих в процессе включения и выключения. Иногда в целях экономии небольшие ЭМ переменного тока изготовляют из сплошного материала толщиной 2... 3 мм.

По своей конструкции катушки бывают каркасными и бескаркасными, а по форме — круглого и прямоугольного сечения. Каркасная катушка состоит из каркаса и обмотки. На одном каркасе может быть несколько обмоток, уложенных рядами. Бескаркасная катушка проще каркасной. Отсутствие каркаса позволяет полностью использовать намоточное окно.