ОСНОВЫ РАСЧЕТА СИСТЕМ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ
КАТУШКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ
Катушка является одним из главных элементов электромагнита и должна удовлетворять следующим основным требованиям:
1) обеспечивать надежное включение электромагнита при наихудших условиях, т.е. в нагретом состоянии и при пониженном напряжении;
2) не перегреваться свыше допустимой температуры при всех возможных режимах, т. е. при повышенном напряжении;
3) при минимальных размерах быть удобной для производства;
4) быть механически прочной;
5) иметь определенный уровень изоляции, а в некоторых аппаратах быть влаго-, кислотно- и маслостойкой.
В процессе работы в катушке возникают напряжения: механические – за счет электродинамических сил в витках и между витками, особенно при переменном токе; термические – за счет неравномерного нагрева отдельных ее частей; электрические – за счет перенапряжений, в частности при отключении.
При расчете катушки необходимо выполнить два условия. Первое – обеспечить требуемую МДС при горячей катушке и пониженном напряжении. Второе – температура нагрева катушки при этом не должна превосходить допустимую.
В результате расчета должны быть определены следующие величины, необходимые для намотки: d – диаметр проволоки выбранной марки; w – число витков; R – сопротивление катушки.
По конструктивному исполнению различают катушки: каркасные – намотка осуществлена на металлическом или пластмассовом каркасе; бескаркасные бандажированные – намотка производится на съемном шаблоне, после намотки катушка бандажируется; бескаркасные с намоткой на сердечник магнитной системы.
Постоянный магнит представляет собой кусок стали или какого-либо другого твердого сплава, который, будучи намагничен, устойчиво сохраняет, запасенную часть магнитной энергии. Назначение магнита – служить источником магнитного поля, не меняющимся заметно ни со временем, ни под влиянием таких факторов, как сотрясения, изменение температуры, внешние, магнитные поля. Постоянные магниты применяются в разнообразных устройствах и приборах: реле, электроизмерительных приборах, контакторах, электрических машинах.
Различают следующие основные группы сплавов для постоянных магнитов:
1) мартенситовые стали – углеродистые, вольфрамовые, хромистые, кобальтовые ;
2) сплавы на основе стали – никеля – алюминия с добавлением в некоторых случаях кобальта, силиция: альни (Fe, Al, Ni), альниси (Fe, Al, Ni, Si), магнико (Fe, Ni, Al, Co);
3) сплавы на основе серебра, меди, кобальта.
Величинами, характеризующими постоянный магнит, являются остаточная индукция Вr и коэрцитивная сила Нc. Для определения магнитных характеристик готовых магнитов пользуются кривыми размагничивания (рис. 7-14), представляющими собой зависимость В = f( – H). Кривая снимается для кольца, которое вначале намагничивается до индукции насыщения, а затем размагничивается до В = 0.
Поток в воздушном зазоре.Для использования энергии магнита необходимо изготовить его с воздушным зазором. Составляющая МДС, затрачиваемая постоянным магнитом на проведение потока в воздушном зазоре, называется свободной МДС.
Наличие воздушного зазора δ снижает индукцию в магните от Вr до В (рис. 7-14) аналогично тому, как если бы по катушке, надетой на кольцо, пропустили размагничивающий ток, создающий напряженность H. Это соображение положено в основу приведенного ниже способа вычисления потока в воздушном зазоре магнита.
При отсутствии зазора вся МДС расходуется на проведение потока через магнит:
(7-34)
где lμ – длина магнита.
При наличии воздушного зазора часть МДС Fδ будет расходоваться на проведение потока через этот зазор:
F = Fμ + Fδ (7-35)
Допустим, что мы создали такую размагничивающую напряженность магнитного поля Н, что
Н lμ = Fδ (7-36)
и индукция при этом стала В.
При отсутствии рассеяния поток в магните равен потоку в воздушном зазоре
Bsμ = FδΛδ = ΛlμΛδ, (7-37)
где sμ – сечение магнита; Λδ = μ0sδ /δ; μ0 – магнитная проницаемость воздушного зазора.
Из рис. 7-14 следует, что
B/H = lμ Λδ/ sμ = tg α (7-38)
Рис. 7-14. Кривые размагничивания
Таким образом, зная данные о материале магнита (в виде кривой размагничивания), размеры магнита lμ, sμ и размеры зазора δ, sδ, можно, пользуясь уравнением (7-38), вычислить поток в зазоре. Для этого следует провести на диаграмме (рис. 7-14) прямую Ob под углом α. Отрезок bс определяет индукцию В магнита. Отсюда поток в воздушном зазоре будет
(7-39)
При определении tg α учитываются масштабы оси ординат и абсцисс:
(7-40)
где р = n/m — отношение масштабов осей В и H.
С учетом рассеяния поток Фδ определяется следующим образом.
Проводят прямую Ob под углом α, где tg α == Λδlμ (psμ). Полученное значение В характеризует индукцию в среднем сечении магнита. Поток в среднем сечении магнита
(7-41)
Поток в воздушном зазоре
(7-42)
де σ — коэффициент рассеяния. Индукция в рабочем зазоре
(7-43)
Прямые магниты.Выражение (7-42) дает решение задачи для магнитов замкнутой формы, где проводимости воздушных зазоров могут быть вычислены с достаточной для практических целей точностью. Для прямых магнитов задача вычисления проводимостей потока рассеяния весьма трудна. Поток вычисляется с помощью опытных зависимостей, связывающих напряженность поля магнита с размерами магнита [20].
Свободная магнитная энергия. Это та энергия, которую отдает магнит в воздушных зазорах. При расчете постоянных магнитов, выборе материала и требуемых соотношений размеров стремятся к максимальному использованию материала магнита, сводящемуся к получению максимального значения свободной магнитной энергии.
Магнитная энергия, сосредоточенная в воздушном зазоре, пропорциональная произведению потока в зазоре и МДС:
(7-44)
Учитывая, что
(7-45)
Получаем
(7-46)
где V— объем магнита. Материал магнита характеризуется магнитной энергией, отнесенной к единице его объема.
Рис. 7-15. К определению магнитной энергии магнита
Пользуясь кривой размагничивания, можно построить кривую Wм = f(В) при V = 1 (рис. 7-15). Кривая Wм = f(В) имеет максимум при каких-то значениях В и H, которые обозначим В0 и H0. Практически применяется способ нахождения В0 и H0 без построения кривой Wм = f(В). Точка пересечения диагонали четырехугольника, стороны которого равны Вr и Нc, с кривой размагничивания достаточно близко соответствует значениям В0, Н0. Остаточная индукция Вr колеблется в относительно малых пределах (1-2,5), а коэрцитивная сила Нc – в больших (1 – 20). Поэтому различают материалы: низкокоэрцитивные, у которых Wм малое (кривая 2), высококоэрцитивные, у которых Wм большое (кривая 1).
Кривые возврата. В процессе работы может меняться воздушный зазор. Допустим, что до введения якоря индукция была B1tga1. При введении якоря зазор δ изменяется, и такому состоянию системы соответствует угол а2; (рис. 7-16) и большая индукция. Однако увеличение индукции происходит не по кривой размагничивания, а по некоторой другой кривой b1cd, названной кривой возврата. При полном замыкании (δ = 0) мы имели бы индукцию B2. При изменении зазора в обратном направлении индукция меняется по кривой dfb1. Кривые возврата b1cd и dfb1 являются кривыми частных циклов намагничивания и размагничивания. Ширина петли обычно невелика, и петлю можно заменить прямой b1d. Отношение ΔВ/ΔН называется обратимой проницаемостью магнита.
Старение магнитов. Под старением понимают явление уменьшения магнитного потока магнита с течением времени. Это явление определяется рядом причин, перечисляемых ниже.
Структурное старение. Материал магнита после закалки или отливки имеет неравномерную структуру. Со временем эта неравномерность переходит в более стабильное состояние, что приводит к изменению значений В и Н.
Механическое старение. Происходит вследствие ударов, толчков, вибраций и влияния высоких температур, которые ослабляют поток магнита.
Магнитное старение. Определяется влиянием внешних магнитных полей.
Стабилизация магнитов.Всякий магнит перед установкой его в аппарат должен быть подвергнут дополнительному процессу стабилизации, после которого увеличивается сопротивляемость магнита уменьшению потока.
Структурная стабилизация. Заключается в дополнительной термической обработке, которая проводится до намагничивания магнита (кипячение закаленного магнита в течение 4 ч после закалки). Сплавы на основе стали, никеля и алюминия не требуют структурной стабилизации.
Механическая стабилизация. Намагниченный магнит подвергается перед установкой в аппарат ударам, сотрясениям, вибрации в условиях, близких режиму работы.
Магнитная стабилизация. Намагниченный магнит подвергают действию внешних полей переменного знака, после чего магнит становится более устойчивым к воздействию внешних полей, к температурным и механическим воздействиям.
ГЛАВА 8 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МЕХАНИЗМЫ