- •Тягове зусилля електромагнітів постійного та змінного струму Механічна і тягова характеристики електромагнітних механізмів
- •Тягове зусилля електромагніта постійного струму
- •Якщо магнітне коло лінійне, тоді потокозчеплення:
- •Сила притягання електромагніта змінного струму
- •Порівняння статичних тягових характеристик електромагнітів постійного і змінного струму
- •Контрольні запитання
Тягове зусилля електромагнітів постійного та змінного струму Механічна і тягова характеристики електромагнітних механізмів
Електромагнітні приводні механізми широко використовуються електричних апаратах кінетичної комутації (контактори, реле автоматики, електромагнітні муфти) для виконання певної роботи при переміщенні їх робочих органів.
Рис.4.1. Комутаційний апарат з електромагнітним приводом |
Розглянемо особливості роботи найпростішого електромагнітного привідного механізму комутаційного апарата, зображеного на рис. 4.1. Робота електромагнітного механізму з обмеженим переміщенням якоря носить циклічний характер, тобто при збудженні котушки керування та забезпеченні певних умов якір притягується, здійснюючи за допомогою відповідної кінематичної схеми і контактної системи комутацію електричного кола. Повернення якоря у вихідне положення здійснюється за допомогою протидіючих пружин (контактних і повернення). |
Очевидно, що такий механізм буде нормально виконувати свої функції, якщо тягове зусилля електромагніта на всьому діапазоні зміни повітряного проміжку буде більшим від зусилля протидіючих пружин ( повернення – 1 і контактної – 2).
З алежність зусиль протидіючих пружин Pn від переміщення якоря називають механічною характеристикою кінематичної схеми апарата Pn() (рис. 4.2).
Переважно зусилля протидіючих пружин зводять до точки прикладання електромагнітного зусилля.
Залежність електромагнітного зусилля Pe від переміщення якоря при І=const для електромагнітів з послідовною обмоткою називають статичною тяговою характеристикою електромагніта Pe().
Для електромагнітів з поворотним якорем більш зручним є використання залежності електромагнітного моменту Ме від кута повороту якоря Ме().
Тягове зусилля електромагніта постійного струму
Розглянемо процес утворення електромагнітного зусилля, котре діє на якір електромагніта постійного струму клапанного типу (рис. 4.1) при допущенні, що магнітний потік в робочому повітряному проміжку значно більший від потоків розсіювання (s)
Після приєднання обмотки w до джерела напруги U при нерухомому якорі електромагнітний стан системи описується рівнянням
, (4.1)
де .
Якщо =const і (магнітна система лінійна), тоді розв'язком рівняння (4.1) є
, (4.2)
де .
Для різних повітряних проміжків потокозчеплення зростає зі збільшенням струму як це показано на рис. 4.3.
Помноживши рівняння (4.1) на отримаємо:
. (4.3)
Для довільного моменту часу t справедливою буде рівність:
, (4.4)
де t значення потокозчеплення в момент часу t.
Ліва частина рівняння (4.4) визначає енергію, що споживається системою від джерела живлення. Перша складова правої частини визначає втрати енергії в активному опорі R, а друга – енергію зосереджену в магнітному полі системи. Якщо тягове зусилля, яке діє на якір, менше зусилля протидіючої пружини, тоді якір залишається нерухомим і потокозчеплення змінюється при постійному початковому значенні повітряного проміжку 1 (рис. 4.3).
Нехай при досягненні значення потокозчеплення 1 електромагнітне зусилля стало більше зусилля протидіючих пружин і якір перемістився в положення 2. При цьому потокозчеплення збільшилося до значення 2, а струм по перехідній кривій ad змінився і досяг значення і2 (рис 4.3).
До початку руху якоря енергія магнітного поля в системі визначається як:
,
де: mi, m – масштаби по осях струму і потокозчеплення;
Soab - площа криволінійного трикутника oab.
Під час переміщення якоря з положення 1 в положення 2 потокозчеплення буде змінюватися від 1 до 2 за якоюсь залежністю (крива ad на рис. 4.3). При цьому енергія магнітного поля повинна б зрости на величину:
,
де Sabсd - площа криволінійної трапеції abcd.
Однак при зміні величини повітряного проміжку від 1 до 2 якорем буде виконана якась механічна робота А3, а енергія магнітного поля в кінцевому положенні якоря визначиться як:
.
Тому на основі закону збереження енергії механічну роботу А3 можна визначити як
, (4.5)
а середнє значення електромагнітного зусилля Реср під час переміщення якоря від 1 до 2 визначиться як:
(4.6)
де х=-- переміщення якоря.
Якщо перейти до нескінченно малої зміни проміжку , тоді тягове зусилля електромагніта Ре
(4.7)
Електромагнітне зусилля діє в сторону зменшення проміжку . Виходячи із закону збереження енергії рівняння енергетичного балансу можна записати у вигляді
. (4.8)
де id– елементарна енергія, одержана полем при переміщенні якоря на величину dx; Pedx- елементарна механічна робота, здійснена якорем при його переміщенні на величину dx; dWм - приріст магнітної енергії системи.
Для лінійної системи (без урахування магнітного опору магнітопроводу) залежність (і) лінійна і . Враховуючи те, що х=- з (1.7) отримаємо:
(4.9)
Для статичної тягової характеристики струм в колі не змінюється (i=I=const), тоді di/d=0 і тягове зусилля електромагніта із (4.9):
(4.10)