Elektromagnetiska enheter: syfte, typer, krav, design

Syftet med elektromagnetiska enheter

Produktion, omvandling, överföring, distribution eller förbrukning av elektrisk energi sker med hjälp av elektriska apparater. Från all deras variation pekar vi ut elektromagnetiska enheter, vars arbete är baserat om fenomenet elektromagnetisk induktionåtföljd av uppkomsten av magnetiska flöden.

Statiska elektromagnetiska enheter inkluderar drosslar, magnetiska förstärkare, transformatorer, reläer, startmotorer, kontaktorer och andra enheter. Roterande — elmotorer och generatorer, elektromagnetiska kopplingar.

En uppsättning ferromagnetiska delar av elektromagnetiska enheter utformade för att leda huvuddelen av det magnetiska flödet, Namngiven magnetiska system hos en elektromagnetisk anordning… En speciell strukturell enhet i ett sådant system är magnetisk krets… Magnetiska flöden som passerar genom magnetiska kretsar kan delvis begränsas i ett icke-magnetiskt medium och bilda strömagnetiska flöden.

Magnetiska flöden som passerar genom en magnetisk krets kan skapas med hjälp av likström eller växelström som flyter i en eller flera induktiva spolar… En sådan spole är ett elektriskt kretselement utformat för att använda sin egen induktans och/eller sitt eget magnetfält.

En eller flera spolar bildas likvidation… Den del av magnetkretsen på vilken eller runt spolen är belägen kallas kärna, kallas den del på vilken eller runt vilken spolen inte är placerad ok.

Beräkningen av de viktigaste elektriska parametrarna för elektromagnetiska enheter är baserad på lagen om total ström och lagen om elektromagnetisk induktion. Fenomenet ömsesidig induktion används för att överföra energi från en elektrisk krets till en annan.

Se mer detaljer här: Magnetiska kretsar av elektriska apparater och här: Vad är beräkningen av magnetkretsen till för?

Krav på magnetiska kretsar för elektromagnetiska enheter

Kraven på magnetkärnor beror på det funktionella syftet med de elektromagnetiska enheter där de används.

I elektromagnetiska anordningar kan både konstanta och/eller alternerande magnetiska flöden användas. Permanent magnetiskt flöde orsakar inga energiförluster i magnetiska kretsar.

Magnetiska kärnor som arbetar under exponeringsförhållanden konstant magnetiskt flöde (t.ex. bäddar för DC-maskiner) kan tillverkas av gjutna ämnen med efterföljande bearbetning. Med en komplex konfiguration av magnetiska kretsar är det mer ekonomiskt att tillverka dem från flera element.

Passagen genom de magnetiska kretsarna av ett alternerande magnetiskt flöde åtföljs av energiförluster, som kallas magnetiska förluster… De gör att magnetkretsarna värms upp. Det är möjligt att minska uppvärmningen av magnetkärnorna genom speciella åtgärder för deras kylning (till exempel arbete i olja). Sådana lösningar komplicerar deras design, ökar kostnaderna för deras produktion och drift.

Magnetiska förluster består av:

• förlust av hysteres;

• virvelströmsförluster;

• ytterligare förluster.

Hysteresförluster kan minskas genom att använda mjuka magneter med en smal hystereskrets.

Virvelströmsförluster reduceras vanligtvis med:

• användning av material med lägre specifik elektrisk ledningsförmåga;

• framställning av magnetiska kärnor från elektriskt isolerade remsor eller plattor.

Fördelning av virvelströmmar i olika magnetiska kretsar: a — vid gjutning; b — i en uppsättning delar gjorda av plåtmaterial.

Den mellersta delen av den magnetiska kretsen är i större utsträckning täckt av virvelströmmar jämfört med dess yta, vilket leder till en «förskjutning» av det magnetiska huvudflödet mot den magnetiska kretsens yta, det vill säga en yteffekt uppstår.

Detta leder till det faktum att vid en viss frekvens som är karakteristisk för materialet i denna magnetiska krets, kommer det magnetiska flödet att vara helt koncentrerat i ett tunt ytskikt av den magnetiska kretsen, vars tjocklek bestäms av penetrationsdjupet vid en given frekvens .

Närvaron av virvelströmmar som flyter i en magnetisk kärna av ett material med lågt elektriskt motstånd leder till motsvarande förluster (virvelströmsförluster).

Uppgiften att minska virvelströmsförlusterna och maximalt bevara det magnetiska flödet löses genom att tillverka magnetiska kretsar från enskilda delar (eller deras delar), som är elektriskt isolerade från varandra. I detta fall förblir tvärsnittsarean för den magnetiska kretsen oförändrad.

Plattor eller remsor stansade av arkmaterial och lindade på en kärna används ofta. Olika tekniska metoder kan användas för att isolera ytorna på plattor (eller remsor), av vilka appliceringen av isolerande lacker eller emaljer oftast appliceras.

En magnetisk krets gjord av separata delar (eller deras delar) tillåter:

• minskning av virvelströmsförluster på grund av plattornas vinkelräta arrangemang i förhållande till deras cirkulationsriktning (i detta fall minskar längden på kretsarna längs vilka virvelströmmar kan cirkulera);

• för att erhålla en försumbar ojämn fördelning av det magnetiska flödet, eftersom vid en liten tjocklek av arkmaterialet, i proportion till penetrationsdjupet, virvelströmmarnas skärmningseffekt är liten.

Andra krav kan ställas på materialen i de magnetiska kärnorna: temperatur- och vibrationsmotstånd, låg kostnad, etc. Vid design av en specifik enhet väljs det mjuka magnetiska materialet vars parametrar bäst uppfyller de specificerade kraven.

Design av magnetiska kärnor

Beroende på produktionstekniken kan de magnetiska kärnorna i elektromagnetiska enheter delas in i tre huvudgrupper:

• lamellär;

• tejp;

• gjutna.

Lamellära magnetkretsar rekryteras från separata, elektriskt isolerade plattor från varandra, vilket gör det möjligt att minska virvelströmsförlusterna. Tejpmagnetiska kärnor erhålls genom att linda ett band av en viss tjocklek. I sådana magnetiska kretsar reduceras effekten av virvelströmmar avsevärt, eftersom remsplanen är täckta med en isolerande lack.

De formade magnetiska kärnorna tillverkas genom gjutning (elektriskt stål), keramisk teknik (ferriter), blandning av komponenter följt av pressning (magneto-dielektrik) och andra metoder.

Vid tillverkning av magnetkretsen för en elektromagnetisk enhet är det nödvändigt att säkerställa dess specifika design, som bestäms av många faktorer (enhetseffekt, driftsfrekvens, etc.), inklusive närvaron eller frånvaron av direkt eller omvänd omvandling av elektromagnetisk energi till mekanisk energi i enheten.

Designen av enheter där en sådan transformation sker (elektriska motorer, generatorer, reläer, etc.) inkluderar delar som rör sig under påverkan av elektromagnetisk interaktion.

Enheter där elektromagnetisk induktion inte orsakar omvandling av elektromagnetisk energi till mekanisk energi (transformatorer, chokes, magnetiska förstärkare, etc.) kallas statiska elektromagnetiska enheter.

I statiska elektromagnetiska enheter, beroende på design, används oftast pansar-, stav- och ringmagnetiska kretsar.

Gjutna magnetiska kärnor kan ha en mer komplex design än ark och remsor.

Formade magnetiska kärnor: a — runda; b — d — pansar; d — kopp; f, g — rotation; h — många öppningar

Pansarmagnetiska kärnor kännetecknas av sin enkelhet i design och, som ett resultat, tillverkningsbarhet. Dessutom ger denna design bättre (jämfört med andra) spolskydd mot mekanisk påverkan och elektromagnetiska störningar.

Kärnmagnetiska kretsar är olika:

• bra kylning;

• låg känslighet för störningar (eftersom EMF för störningar inducerade i intilliggande spolar är motsatt i tecken och är delvis eller helt kompenserad);

• mindre (i förhållande till rustningen) vikt med samma kraft;

• mindre (i förhållande till pansar) förlust av magnetiskt flöde.

Nackdelarna med anordningar baserade på stavmagnetiska kretsar (i förhållande till anordningar baserade på bepansrade) inkluderar mödan att tillverka spolar (särskilt när de är placerade på olika stänger) och deras svagare skydd mot mekanisk påverkan.

På grund av de låga läckströmmarna kännetecknas ringmagnetiska kretsar å ena sidan av god brusisolering och å andra sidan av en liten effekt på närliggande delar av elektronisk utrustning (REE). Av denna anledning används de i stor utsträckning i radiotekniska produkter.

Nackdelarna med cirkulära magnetiska kretsar är förknippade med deras låga teknologi (svårigheter att linda spolarna och installera elektromagnetiska enheter på användningsplatsen) och begränsad effekt - upp till hundratals watt (det senare förklaras av uppvärmningen av den magnetiska kretsen, som inte har någon direkt kylning på grund av spolens varv).

Valet av typ och typ av magnetkrets görs med hänsyn till möjligheten att erhålla de minsta värdena av dess massa, volym och kostnad.

Tillräckligt komplexa strukturer har magnetiska kretsar av enheter där det finns en direkt eller omvänd omvandling av elektromagnetisk energi till mekanisk energi (till exempel magnetiska kretsar i roterande elektriska maskiner). Sådana anordningar använder gjutna eller plattmagnetiska kretsar.

Typer av elektromagnetiska enheter

Strypa — En anordning som används som ett induktivt motstånd i växelströms- eller pulserande strömkretsar.

Magnetiska kärnor med ett omagnetiskt gap används i AC-drossel som används för energilagring och i utjämningsdrossel utformade för att jämna ut likriktad strömrippel. Samtidigt finns det choker där storleken på det icke-magnetiska gapet kan justeras, vilket är nödvändigt för att ändra chokens induktans under dess drift.

Enheten och principen för drift av det elektriska gasreglaget

Magnetisk förstärkare — En anordning bestående av en eller flera magnetiska kretsar med spolar med hjälp av vilka strömmen eller spänningen kan ändras i storlek i en elektrisk krets som matas av en växelspännings- eller växelströmskälla, baserat på användningen av fenomenet mättnad av ferromagnet under inverkan av ett permanent biasfält.

Funktionsprincipen för den magnetiska förstärkaren är baserad på en förändring i den differentiella magnetiska permeabiliteten (mätt på en växelström) med en förändring i likförspänningsströmmen, därför är den enklaste magnetiska förstärkaren en mättad drossel som innehåller en arbetsspole och en kontroll spole.

Transformator kallas en statisk elektromagnetisk enhet som har två (eller flera) induktivt kopplade spolar och är utformad för att genom elektromagnetisk induktion omvandla ett eller flera AC-system till ett eller flera andra AC-system.

Transformatorns effekt bestäms av den maximala möjliga induktionen av det magnetiska kärnmaterialet och dess dimensioner. Därför är de magnetiska kärnorna (vanligtvis av stavtyp) av kraftfulla krafttransformatorer sammansatta av plåtar av elektriskt stål med en tjocklek på 0,35 eller 0,5 mm.

Enheten och principen för driften av transformatorn

Elektromagnetiskt relä kallas ett elektromekaniskt relä, vars funktion är baserad på effekten av ett magnetfält hos en stationär spole på ett rörligt ferromagnetiskt element.

Alla elektromagnetiska reläer innehåller två elektriska kretsar: en ingångs- (kontroll-) signalkrets och en utgångs- (kontrollerad) signalkrets. Enligt anordningsprincipen för den kontrollerade kretsen särskiljs icke-polariserade och polariserade reläer. Funktionen av opolariserade reläer, till skillnad från polariserade reläer, beror inte på strömriktningen i styrkretsen.

Hur ett elektromagnetiskt relä fungerar och fungerar

Skillnader mellan DC och AC elektromagnetiska reläer

Roterande elektrisk maskin — En anordning utformad för att omvandla energi baserad på elektromagnetisk induktion och växelverkan mellan ett magnetfält och en elektrisk ström, som innehåller minst två delar som ingår i huvudomvandlingsprocessen och som kan rotera eller rotera i förhållande till varandra.

Den del av elektriska maskiner som inkluderar en stationär magnetisk krets med en spole kallas statorn, och den roterande delen kallas rotorn.

En elektrisk maskin utformad för att omvandla mekanisk energi till elektrisk energi kallas en elektrisk maskingenerator. En elektrisk maskin utformad för att omvandla elektrisk energi till mekanisk energi kallas en roterande elektrisk motor.

Funktionsprincipen och enheten för elektriska motorer

Funktionsprincipen och enheten för generatorer

Ovanstående exempel på användning av mjuka material för att skapa elektromagnetiska enheter är inte uttömmande. Alla dessa principer gäller även för utformning av magnetiska kretsar och andra elektriska produkter som använder induktorer, såsom elektriska kopplingsanordningar, magnetiska lås, etc.