Elektromagnetiske enheter: formål, typer, krav, design

Formål med elektromagnetiske enheter

Produksjon, transformasjon, overføring, distribusjon eller forbruk av elektrisk energi utføres ved hjelp av elektriske enheter. Fra all deres variasjon skiller vi ut elektromagnetiske enheter, hvis arbeid er basert om fenomenet elektromagnetisk induksjonledsaget av utseendet til magnetiske flukser.

Statiske elektromagnetiske enheter inkluderer drosler, magnetiske forsterkere, transformatorer, releer, startere, kontaktorer og andre enheter. Roterende — elektriske motorer og generatorer, elektromagnetiske clutcher.

Et sett med ferromagnetiske deler av elektromagnetiske enheter designet for å lede hoveddelen av den magnetiske fluksen, kalt magnetisk system av en elektromagnetisk enhet… En spesiell strukturell enhet i et slikt system er magnetisk krets… Magnetiske flukser som passerer gjennom magnetiske kretser kan delvis begrenses i et ikke-magnetisk medium, og danner magnetiske flukser.

Magnetiske flukser som går gjennom en magnetisk krets kan opprettes ved å bruke direkte eller vekslende elektriske strømmer som flyter i en eller flere induktive spoler… En slik spole er et elektrisk kretselement designet for å bruke sin egen induktans og/eller sitt eget magnetfelt.

En eller flere spoler dannes avvikling… Den delen av magnetkretsen som eller rundt som spolen er plassert kalles kjerne, kalles den delen som eller rundt som spolen ikke er plassert åk.

Beregningen av de viktigste elektriske parametrene til elektromagnetiske enheter er basert på loven om totalstrøm og loven om elektromagnetisk induksjon. Fenomenet gjensidig induksjon brukes til å overføre energi fra en elektrisk krets til en annen.

Se flere detaljer her: Magnetiske kretser av elektriske enheter og her: Hva er magnetkretsberegningen for?

Krav til magnetiske kretser for elektromagnetiske enheter

Kravene til magnetkjerner avhenger av det funksjonelle formålet til de elektromagnetiske enhetene de brukes i.

I elektromagnetiske enheter kan både konstante og/eller vekslende magnetiske flukser brukes. Permanent magnetisk fluks forårsaker ingen energitap i magnetiske kretser.

Magnetiske kjerner som opererer under eksponeringsforhold konstant magnetisk fluks (f.eks. senger for DC-maskiner) kan lages av støpte emner med etterfølgende maskinering. Med en kompleks konfigurasjon av magnetiske kretser er det mer økonomisk å produsere dem fra flere elementer.

Passasjen gjennom de magnetiske kretsene til en vekslende magnetisk fluks er ledsaget av energitap, som kalles magnetiske tap… De får magnetkretsene til å varmes opp. Det er mulig å redusere oppvarmingen av magnetkjernene ved spesielle tiltak for kjøling (for eksempel arbeid i olje). Slike løsninger kompliserer designen deres, øker kostnadene for produksjon og drift.

Magnetiske tap består av:

• tap av hysterese;

• virvelstrømstap;

• ytterligere tap.

Hysterese tap kan reduseres ved å bruke myke magnet ferromagneter med en smal hysteresekrets.

Virvelstrømstap reduseres vanligvis med:

• bruk av materialer med lavere spesifikk elektrisk ledningsevne;

• produksjon av magnetiske kjerner fra elektrisk isolerte strimler eller plater.

Fordeling av virvelstrømmer i forskjellige magnetiske kretser: a — i støping; b — i et sett med deler laget av platematerialer.

Den midtre delen av den magnetiske kretsen er i større grad dekket av virvelstrømmer sammenlignet med overflaten, noe som fører til en «forskyvning» av den magnetiske hovedfluxen mot overflaten av den magnetiske kretsen, det vil si at det oppstår en overflateeffekt.

Dette fører til det faktum at ved en viss frekvenskarakteristisk for materialet til denne magnetiske kretsen, vil den magnetiske fluksen være fullstendig konsentrert i et tynt overflatelag av den magnetiske kretsen, hvis tykkelse bestemmes av penetrasjonsdybden ved en gitt frekvens .

Tilstedeværelsen av virvelstrømmer som flyter i en magnetisk kjerne laget av et materiale med lav elektrisk motstand fører til tilsvarende tap (virvelstrømstap).

Oppgaven med å redusere virvelstrømstap og maksimalt bevare den magnetiske fluksen løses ved å produsere magnetiske kretser fra individuelle deler (eller deres deler), som er elektrisk isolert fra hverandre. I dette tilfellet forblir tverrsnittsarealet til den magnetiske kretsen uendret.

Plater eller strimler stemplet av arkmaterialer og viklet på en kjerne er mye brukt. Ulike teknologiske metoder kan brukes for å isolere overflatene på plater (eller strimler), hvorav påføring av isolerende lakk eller emaljer oftest påføres.

En magnetisk krets laget av separate deler (eller deres deler) tillater:

• reduksjon av virvelstrømstap på grunn av det vinkelrette arrangementet av platene i forhold til sirkulasjonsretningen deres (i dette tilfellet avtar lengden på kretsene som virvelstrømmene kan sirkulere langs);

• for å oppnå en ubetydelig ujevn fordeling av den magnetiske fluksen, siden ved en liten tykkelse av arkmaterialet, i forhold til inntrengningsdybden, er skjermingseffekten av virvelstrømmene liten.

Andre krav kan stilles til materialene til magnetkjernene: temperatur- og vibrasjonsmotstand, lav pris, etc. Ved utforming av en spesifikk enhet velges det myke magnetiske materialet hvis parametere best oppfyller de spesifiserte kravene.

Design av magnetiske kjerner

Avhengig av produksjonsteknologien kan de magnetiske kjernene til elektromagnetiske enheter deles inn i 3 hovedgrupper:

• lamellær;

• teip;

• støpt.

Lamellære magnetiske kretser rekrutteres fra separate, elektrisk isolerte plater fra hverandre, noe som gjør det mulig å redusere virvelstrømstap. Tape magnetiske kjerner oppnås ved å vikle et bånd av en viss tykkelse. I slike magnetiske kretser reduseres effekten av virvelstrøm betydelig, siden stripeplanene er dekket med en isolerende lakk.

De dannede magnetkjernene produseres ved støping (elektrisk stål), keramisk teknologi (ferritter), blanding av komponenter etterfulgt av pressing (magneto-dielektrikk) og andre metoder.

Ved produksjon av den magnetiske kretsen til en elektromagnetisk enhet er det nødvendig å sikre dens spesifikke design, som bestemmes av mange faktorer (enhetseffekt, driftsfrekvens, etc.), inkludert tilstedeværelse eller fravær av direkte eller omvendt konvertering av elektromagnetisk energi til mekanisk energi i enheten.

Utformingen av enheter der en slik transformasjon skjer (elektriske motorer, generatorer, releer, etc.) inkluderer deler som beveger seg under påvirkning av elektromagnetisk interaksjon.

Enheter der elektromagnetisk induksjon ikke forårsaker konvertering av elektromagnetisk energi til mekanisk energi (transformatorer, choker, magnetiske forsterkere, etc.) kalles statiske elektromagnetiske enheter.

I statiske elektromagnetiske enheter, avhengig av design, brukes pansrede, stang- og ringmagnetiske kretser oftest.

Støpte magnetkjerner kan ha en mer kompleks utforming enn plater og strimler.

Dannet magnetiske kjerner: a — rund; b — d — pansret; d — kopp; f, g — rotasjon; h — mange åpninger

Pansrede magnetiske kjerner utmerker seg ved sin enkelhet i design og som et resultat av produksjonsevnen. I tillegg gir denne utformingen bedre (sammenlignet med andre) spolebeskyttelse mot mekanisk påvirkning og elektromagnetisk interferens.

Kjernemagnetiske kretser er forskjellige:

• god kjøling;

• lav følsomhet for forstyrrelser (siden EMF av forstyrrelser indusert i nabospoler er motsatt i fortegn og er delvis eller fullstendig kompensert);

• mindre (i forhold til rustningen) vekt med samme kraft;

• mindre (i forhold til rustning) spredning av magnetisk fluks.

Ulempene med enheter basert på stavmagnetiske kretser (i forhold til enheter basert på pansrede) inkluderer arbeidskrevende produksjonsspoler (spesielt når de er plassert på forskjellige stenger) og deres svakere beskyttelse mot mekanisk påvirkning.

På grunn av de lave lekkasjestrømmene kjennetegnes ringmagnetiske kretser på den ene siden ved god støyisolering, og på den annen side ved en liten effekt på nærliggende elementer av elektronisk utstyr (REE). Av denne grunn er de mye brukt i radiotekniske produkter.

Ulempene med sirkulære magnetiske kretser er forbundet med deres lave teknologi (vansker med å vikle spolene og installere elektromagnetiske enheter på bruksstedet) og begrenset effekt - opptil hundrevis av watt (sistnevnte forklares av oppvarmingen av magnetkretsen, som ikke har noen direkte kjøling på grunn av svingene på spolen).

Valget av type og type magnetisk krets er tatt under hensyntagen til muligheten for å oppnå de minste verdiene av dens masse, volum og pris.

Tilstrekkelig komplekse strukturer har magnetiske kretser av enheter der det er en direkte eller omvendt konvertering av elektromagnetisk energi til mekanisk energi (for eksempel magnetiske kretser til roterende elektriske maskiner). Slike enheter bruker støpte eller platemagnetiske kretser.

Typer elektromagnetiske enheter

Gasspedal – en enhet som brukes som en induktiv motstand i veksel- eller pulserende strømkretser.

Magnetiske kjerner med et ikke-magnetisk gap brukes i vekselstrømstroler som brukes til energilagring og i utjevningsstroler designet for å jevne ut likerettede strømbølger. Samtidig er det choker der størrelsen på det ikke-magnetiske gapet kan justeres, noe som er nødvendig for å endre induktansen til choken under driften.

Enheten og prinsippet for drift av den elektriske gassen

Magnetisk forsterker – en enhet som består av en eller flere magnetiske kretser med spoler ved hjelp av hvilke strømmen eller spenningen kan endres i størrelse i en elektrisk krets som forsynes av en vekselspennings- eller vekselstrømkilde, basert på bruken av fenomenet metning av ferromagnet under påvirkning av et permanent skjevhetsfelt.

Prinsippet for drift av den magnetiske forsterkeren er basert på en endring i den differensielle magnetiske permeabiliteten (målt på en vekselstrøm) med en endring i den like forspenningsstrømmen, derfor er den enkleste magnetiske forsterkeren en mettet choke som inneholder en arbeidsspole og en kontroll Spole.

Transformator kalles en statisk elektromagnetisk enhet som har to (eller flere) induktivt koblede spoler og er designet for å konvertere ved elektromagnetisk induksjon ett eller flere AC-systemer til ett eller flere andre AC-systemer.

Kraften til transformatoren bestemmes av maksimal mulig induksjon av det magnetiske kjernematerialet og dets dimensjoner. Derfor er magnetkjernene (vanligvis av stangtypen) til kraftige krafttransformatorer satt sammen av plater av elektrisk stål med en tykkelse på 0,35 eller 0,5 mm.

Enheten og prinsippet for drift av transformatoren

Elektromagnetisk relé kalles et elektromekanisk relé, hvis drift er basert på effekten av et magnetisk felt til en stasjonær spole på et bevegelig ferromagnetisk element.

Ethvert elektromagnetisk relé inneholder to elektriske kretser: en inngang (kontroll) signalkrets og en utgangs (kontrollert) signalkrets. I henhold til enhetsprinsippet til den kontrollerte kretsen skilles ikke-polariserte og polariserte reléer. Driften av ikke-polariserte releer, i motsetning til polariserte reléer, er ikke avhengig av retningen til strømmen i kontrollkretsen.

Hvordan et elektromagnetisk relé fungerer og fungerer

Forskjeller mellom DC og AC elektromagnetiske reléer

Roterende elektrisk maskin – en enhet utformet for å konvertere energi basert på elektromagnetisk induksjon og samspillet mellom et magnetisk felt og en elektrisk strøm, som inneholder minst to deler som er involvert i hovedkonverteringsprosessen og som er i stand til å rotere eller rotere i forhold til hverandre.

Den delen av elektriske maskiner som inkluderer en stasjonær magnetisk krets med en spole kalles statoren, og den roterende delen kalles rotoren.

En elektrisk maskin designet for å konvertere mekanisk energi til elektrisk energi kalles en elektrisk maskingenerator. En elektrisk maskin designet for å konvertere elektrisk energi til mekanisk energi kalles en roterende elektrisk motor.

Prinsippet om drift og enheten til elektriske motorer

Prinsippet om drift og enheten til generatorer

Eksemplene ovenfor på bruk av myke materialer for å lage elektromagnetiske enheter er ikke uttømmende. Alle disse prinsippene gjelder også for utforming av magnetiske kretser og andre elektriske produkter som bruker induktorer, for eksempel elektriske koblingsenheter, magnetiske låser, etc.