Електромагнитни устройства: предназначение, видове, изисквания, дизайн

Предназначение на електромагнитни устройства

Производството, трансформацията, предаването, разпределението или потреблението на електрическа енергия се извършва с помощта на електрически устройства. От цялото им разнообразие отделяме електромагнитни устройства, чиято работа се основава за явлението електромагнитна индукцияпридружени от появата на магнитни потоци.

Статичните електромагнитни устройства включват дросели, магнитни усилватели, трансформатори, релета, стартери, контактори и други устройства. Въртящи се — електродвигатели и генератори, електромагнитни съединители.

Набор от феромагнитни части на електромагнитни устройства, предназначени да провеждат основната част от магнитния поток, Наречен магнитна система на електромагнитно устройство… Специална структурна единица на такава система е магнитна верига… Магнитните потоци, преминаващи през магнитни вериги, могат да бъдат частично затворени в немагнитна среда, образувайки разсеяни магнитни потоци.

Магнитните потоци, преминаващи през магнитна верига, могат да бъдат създадени с помощта на директни или променливи електрически токове, протичащи в един или повече индуктивни намотки… Такава намотка е елемент на електрическа верига, проектиран да използва собствена индуктивност и / или своето магнитно поле.

Образуват се една или повече намотки ликвидация… Частта от магнитната верига, върху която или около която се намира намотката, се нарича ядро, се нарича частта, върху която или около която не е разположена намотката иго.

Изчисляването на основните електрически параметри на електромагнитните устройства се основава на закона за общия ток и закона на електромагнитната индукция. Явлението взаимна индукция се използва за прехвърляне на енергия от една електрическа верига в друга.

Вижте повече подробности тук: Магнитни вериги на електрически устройства и тук: За какво е изчислението на магнитната верига?

Изисквания за магнитни вериги на електромагнитни устройства

Изискванията за магнитни жила зависят от функционалното предназначение на електромагнитните устройства, в които те се използват.

В електромагнитните устройства могат да се използват едновременно постоянни и / или променливи магнитни потоци. Постоянният магнитен поток не причинява загуби на енергия в магнитните вериги.

Магнитни ядра, работещи при условия на експозиция постоянен магнитен поток (например легла за DC машини) могат да бъдат направени от отлити заготовки с последваща обработка. Със сложна конфигурация на магнитни вериги е по -икономично да се произвеждат от няколко елемента.

Преминаването през магнитните вериги на променлив магнитен поток е придружено от загуби на енергия, които се наричат магнитни загуби… Те причиняват нагряване на магнитните вериги. Възможно е да се намали нагряването на магнитните жила чрез специални мерки за тяхното охлаждане (например работа в масло). Такива решения усложняват дизайна им, увеличават разходите за тяхното производство и експлоатация.

Магнитните загуби се състоят от:

• загуба на хистерезис;

• загуби на вихрови токове;

• допълнителни загуби.

Загубите на хистерезис могат да бъдат намалени чрез използване на меки магнитни феромагнети с тесен хистерезисна верига.

Загубите на вихрови токове обикновено се намаляват с:

• използване на материали с по -ниска специфична електропроводимост;

• производството на магнитни жила от електрически изолирани ленти или плочи.

Разпределение на вихрови токове в различни магнитни вериги: а — в отливка; б — в набран от части, изработени от листови материали.

Средната част на магнитната верига е в по -голяма степен покрита от вихрови токове спрямо нейната повърхност, което води до «изместване» на основния магнитен поток към повърхността на магнитната верига, тоест възниква повърхностен ефект.

Това води до факта, че при определена честота, характерна за материала на тази магнитна верига, магнитният поток ще бъде напълно концентриран в тънък повърхностен слой на магнитната верига, чиято дебелина се определя от дълбочината на проникване при дадена честота.

Наличието на вихрови токове, протичащи в магнитно ядро, направено от материал с ниско електрическо съпротивление, води до съответни загуби (загуби от вихрови токове).

Задачата за намаляване на загубите на вихрови токове и максимално запазване на магнитния поток се решава чрез производство на магнитни вериги от отделни части (или техните части), които са електрически изолирани една от друга. В този случай площта на напречното сечение на магнитната верига остава непроменена.

Широко се използват плочи или ленти, щамповани от листови материали и навити върху сърцевина. За изолиране на повърхностите на плочи (или ленти) могат да се използват различни технологични методи, от които най -често се прилага нанасянето на изолационни лакове или емайли.

Магнитна верига, направена от отделни части (или техните части), позволява:

• намаляване на загубите на вихрови токове поради перпендикулярното подреждане на пластините спрямо посоката на тяхната циркулация (в този случай дължината на веригите, по които могат да циркулират вихрови токове, намалява);

• за да се получи незначително неравномерно разпределение на магнитния поток, тъй като при малка дебелина на листовия материал, съизмерима с дълбочината на проникване, екраниращият ефект на вихровите токове е малък.

Към материалите на магнитните ядра могат да бъдат наложени други изисквания: устойчивост на температура и вибрации, ниска цена и т. Н. При проектирането на конкретно устройство се избира мекият магнитен материал, чиито параметри най -добре отговарят на посочените изисквания.

Дизайн на магнитни ядра

В зависимост от технологията на производство, магнитните жила на електромагнитните устройства могат да бъдат разделени на 3 основни групи:

• ламелен;

• лента;

• формован.

Ламеларните магнитни вериги се набират от отделни, електрически изолирани една от друга плочи, което прави възможно намаляването на загубите на вихрови токове. Лентовите магнитни ядра се получават чрез навиване на лента с определена дебелина. В такива магнитни вериги ефектът на вихровите токове е значително намален, тъй като равнините на лентата са покрити с изолационен лак.

Образуваните магнитни жила се произвеждат чрез леене (електрическа стомана), керамична технология (ферити), смесване на компоненти, последвано от пресоване (магнитодиелектрици) и други методи.

При производството на магнитната верига на електромагнитно устройство е необходимо да се осигури нейната конкретна конструкция, която се определя от много фактори (мощност на устройството, работна честота и т.н.), включително наличието или отсъствието на директно или обратно преобразуване на електромагнитна енергия в механична енергия в устройството.

Проектите на устройства, в които се случва подобна трансформация (електродвигатели, генератори, релета и др.), Включват части, които се движат под въздействието на електромагнитно взаимодействие.

Устройства, при които електромагнитната индукция не предизвиква преобразуване на електромагнитната енергия в механична (трансформатори, дросели, магнитни усилватели и др.), Се наричат ​​статични електромагнитни устройства.

В статичните електромагнитни устройства, в зависимост от дизайна, най -често се използват бронирани, прътовидни и пръстенови магнитни вериги.

Формованите магнитни жила могат да имат по -сложен дизайн в сравнение с листове и ленти.

Образувани магнитни жила: а — кръгли; b — d — брониран; d — чаша; f, g — завъртане; h — много отвори

Бронираните магнитни ядра се отличават със своята простота на дизайна и в резултат на това с технологичност. В допълнение, този дизайн осигурява по -добра (в сравнение с други) защита на бобините от механични влияния и електромагнитни смущения.

Ядрените магнитни вериги са различни:

• добро охлаждане;

• ниска чувствителност към смущения (тъй като ЕМП на смущенията, предизвикани в съседни бобини, е противоположно по знак и е частично или напълно компенсирано);

• по -малко (по отношение на бронята) тегло със същата мощност;

• по -малко (по отношение на бронята) разсейване на магнитния поток.

Недостатъците на устройствата, базирани на прътови магнитни вериги (по отношение на устройства, базирани на бронирани), включват трудоемкостта на производството на намотки (особено когато са поставени на различни пръти) и по -слабата им защита от механични влияния.

Поради ниските разсейващи потоци, пръстеновите магнитни вериги се отличават, от една страна, с добра шумоизолация, а от друга, с малък ефект върху близките елементи на електронното оборудване (REE). Поради тази причина те се използват широко в продуктите за радиотехника.

Недостатъците на кръговите магнитни вериги са свързани с тяхната ниска технология (трудности при навиването на намотките и инсталирането на електромагнитни устройства на мястото на използване) и ограничената мощност — до стотици ватове (последното се обяснява с нагряването на магнитната верига, което няма директно охлаждане поради разположените върху него завои на бобината).

Изборът на типа и вида на магнитната верига се извършва, като се вземе предвид възможността за получаване на най -малките стойности на нейната маса, обем и цена.

Достатъчно сложните структури имат магнитни вериги на устройства, в които има директно или обратно преобразуване на електромагнитна енергия в механична енергия (например магнитни вериги на въртящи се електрически машини). Такива устройства използват формовани или плочи магнитни вериги.

Видове електромагнитни устройства

Дросел — устройство, използвано като индуктивно съпротивление в променливи или пулсиращи токови вериги.

Магнитни ядра с немагнитна междина се използват в дросели с променлив ток, които се използват за съхранение на енергия, и в изглаждащи дросели, предназначени да изгладят вълнението на коригирания ток. В същото време има дросели, в които размерът на немагнитната междина може да се регулира, което е необходимо за промяна на индуктивността на дросела по време на неговата работа.

Устройството и принципът на действие на електрическия дросел

Магнитен усилвател — устройство, състоящо се от една или повече магнитни вериги с намотки, с помощта на които токът или напрежението могат да се променят по величина в електрическа верига, захранвана от променливо напрежение или източник на променлив ток, въз основа на използването на явлението на насищане на феромагнетик под действието на постоянно поле на пристрастие.

Принципът на действие на магнитния усилвател се основава на промяна в диференциалната магнитна пропускливост (измерена върху променлив ток) с промяна в постоянния ток на отклонение, следователно най -простият магнитен усилвател е наситен дросел, съдържащ работеща намотка и контролна намотка.

Трансформатор се нарича статично електромагнитно устройство, което има две (или повече) индуктивно свързани намотки и е предназначено да преобразува чрез електромагнитна индукция една или повече AC системи в една или повече други AC системи.

Мощността на трансформатора се определя от максималната възможна индукция на материала на магнитната сърцевина и неговите размери. Следователно магнитните жила (обикновено от типа на пръта) на мощни силови трансформатори се сглобяват от листове от електрическа стомана с дебелина 0,35 или 0,5 мм.

Устройството и принципът на действие на трансформатора

Електромагнитно реле се нарича електромеханично реле, чиято работа се основава на въздействието на магнитно поле на неподвижна намотка върху движещ се феромагнитен елемент.

Всякакви електромагнитно реле съдържа две електрически вериги: входна (управляваща) сигнална верига и изходна (контролирана) сигнална верига. Според принципа на устройството на управляваната верига се разграничават неполяризирани и поляризирани релета. Работата на неполяризираните релета, за разлика от поляризираните релета, не зависи от посоката на тока в управляващата верига.

Как работи и работи електромагнитно реле

Разлики между DC и AC електромагнитни релета

Въртяща се електрическа машина — устройство, предназначено за преобразуване на енергия въз основа на електромагнитна индукция и взаимодействието на магнитно поле с електрически ток, съдържащо най -малко две части, участващи в основния процес на преобразуване и имащи възможност да се въртят или въртят една спрямо друга.

Частта от електрическите машини, която включва неподвижна магнитна верига с намотка, се нарича статор, а въртящата се част се нарича ротор.

Електрическа машина, предназначена да преобразува механичната енергия в електрическа, се нарича генератор на електрически машини. Електрическа машина, предназначена да преобразува електрическата енергия в механична енергия, се нарича въртящ се електродвигател.

Принципът на действие и устройството на електродвигателите

Принципът на работа и устройството на генераторите

Горните примери за използване на меки материали за създаване на електромагнитни устройства не са изчерпателни. Всички тези принципи се прилагат и при проектирането на магнитни вериги и други електрически продукти, които използват индуктори, като електрически превключващи устройства, магнитни брави и др.