Elektromagnetické zariadenia: účel, typy, požiadavky, prevedenie

Účel elektromagnetických zariadení

Výroba, transformácia, prenos, distribúcia alebo spotreba elektrickej energie sa uskutočňuje pomocou elektrických zariadení. Zo všetkej ich rozmanitosti vyberáme elektromagnetické zariadenia, ktorých práca je založená o fenoméne elektromagnetickej indukciesprevádzané objavením sa magnetických tokov.

Medzi statické elektromagnetické zariadenia patria tlmivky, magnetické zosilňovače, transformátory, relé, štartéry, stýkače a ďalšie zariadenia. Rotačné — elektromotory a generátory, elektromagnetické spojky.

Súbor feromagnetických častí elektromagnetických zariadení určených na vedenie hlavnej časti magnetického toku, Naz magnetický systém elektromagnetického zariadenia… Špeciálnou štruktúrnou jednotkou takéhoto systému je magnetický obvod… Magnetické toky prechádzajúce magnetickými obvodmi môžu byť čiastočne obmedzené v nemagnetickom médiu, čím sa vytvárajú rozptylové magnetické toky.

Magnetické toky prechádzajúce magnetickým obvodom môžu byť vytvorené pomocou priamych alebo striedavých elektrických prúdov tečúcich v jednom alebo viacerých indukčné cievky… Takáto cievka je prvok elektrického obvodu navrhnutý tak, aby využíval svoju vlastnú indukčnosť a/alebo svoje vlastné magnetické pole.

Vytvorí sa jedna alebo viac cievok likvidácia… Volá sa časť magnetického obvodu, na ktorej alebo okolo ktorej je cievka umiestnená jadro, sa nazýva časť, na ktorej alebo okolo ktorej sa cievka nenachádza jarmo.

Výpočet hlavných elektrických parametrov elektromagnetických zariadení je založený na zákone celkového prúdu a zákone elektromagnetickej indukcie. Fenomén vzájomnej indukcie sa využíva na prenos energie z jedného elektrického obvodu do druhého.

Viac podrobností nájdete tu: Magnetické obvody elektrických zariadení a tu: Na čo slúži výpočet magnetického obvodu?

Požiadavky na magnetické obvody elektromagnetických zariadení

Požiadavky na magnetické jadrá závisia od funkčného účelu elektromagnetických zariadení, v ktorých sa používajú.

V elektromagnetických zariadeniach je možné použiť konštantné a/alebo striedavé magnetické toky. Permanentný magnetický tok nespôsobuje žiadne straty energie v magnetických obvodoch.

Magnetické jadrá fungujúce v podmienkach expozície konštantný magnetický tok (napr. lôžka pre jednosmerné stroje) je možné vyrobiť z odlievaných prírezov s následným opracovaním. Pri komplexnej konfigurácii magnetických obvodov je ekonomickejšie vyrábať ich z viacerých prvkov.

Prechod cez magnetické obvody striedavého magnetického toku je sprevádzaný energetickými stratami, ktoré sú tzv magnetické straty... Spôsobujú zahrievanie magnetických obvodov. Je možné znížiť zahrievanie magnetických jadier špeciálnymi opatreniami na ich chladenie (napríklad práca v oleji). Takéto riešenia komplikujú ich dizajn, zvyšujú náklady na ich výrobu a prevádzku.

Magnetické straty pozostávajú z:

• strata hysterézy;

• straty vírivými prúdmi;

• dodatočné straty.

Hysterézne straty je možné znížiť použitím mäkkých magnetických feromagnetík s úzkym hysterézny obvod.

Straty vírivými prúdmi sa zvyčajne znižujú:

• použitie materiálov s nižšou mernou elektrickou vodivosťou;

• výroba magnetických jadier z elektricky izolovaných pásov alebo dosiek.

Rozdelenie vírivých prúdov v rôznych magnetických obvodoch: a — v odlievaní; b — v súbore dielov vyrobených z plošných materiálov.

Stredná časť magnetického obvodu je v porovnaní s jeho povrchom vo väčšej miere pokrytá vírivými prúdmi, čo vedie k «posunutiu» hlavného magnetického toku smerom k povrchu magnetického obvodu, to znamená, že dochádza k povrchovému efektu.

To vedie k tomu, že pri určitej frekvenčnej charakteristike materiálu tohto magnetického obvodu bude magnetický tok úplne sústredený v tenkej povrchovej vrstve magnetického obvodu, ktorej hrúbka je určená hĺbkou prieniku pri danej frekvencii. .

Prítomnosť vírivých prúdov prúdiacich v magnetickom jadre vyrobenom z materiálu s nízkym elektrickým odporom vedie k zodpovedajúcim stratám (stratám vírivými prúdmi).

Úloha zníženia strát vírivými prúdmi a maximálneho zachovania magnetického toku je riešená výrobou magnetických obvodov z jednotlivých častí (alebo ich častí), ktoré sú od seba elektricky izolované. V tomto prípade zostáva plocha prierezu magnetického obvodu nezmenená.

Široko používané sú dosky alebo pásy lisované z plošných materiálov a navinuté na jadre. Na izoláciu povrchov dosiek (alebo pásov) možno použiť rôzne technologické postupy, z ktorých sa najčastejšie aplikuje nanášanie izolačných lakov alebo emailov.

Magnetický obvod vyrobený zo samostatných častí (alebo ich častí) umožňuje:

• zníženie strát vírivými prúdmi v dôsledku kolmého usporiadania dosiek vzhľadom na smer ich cirkulácie (v tomto prípade sa zmenšuje dĺžka obvodov, pozdĺž ktorých môžu vírivé prúdy cirkulovať);

• na získanie zanedbateľného nerovnomerného rozloženia magnetického toku, pretože pri malej hrúbke plošného materiálu, zodpovedajúcej hĺbke prieniku, je tieniaci účinok vírivých prúdov malý.

Na materiály magnetických jadier možno klásť ďalšie požiadavky: odolnosť voči teplote a vibráciám, nízka cena a pod. Pri návrhu konkrétneho zariadenia sa volí mäkký magnetický materiál, ktorý svojimi parametrami najlepšie vyhovuje špecifikovaným požiadavkám.

Dizajn magnetických jadier

V závislosti od výrobnej technológie možno magnetické jadrá elektromagnetických zariadení rozdeliť do 3 hlavných skupín:

• lamelárne;

• páska;

• lisované.

Lamelové magnetické obvody sú zložené zo samostatných, navzájom od seba elektricky izolovaných dosiek, čo umožňuje znížiť straty vírivými prúdmi. Magnetické jadrá pásky sa získavajú navíjaním pásky určitej hrúbky. V takýchto magnetických obvodoch je účinok vírivých prúdov výrazne znížený, pretože roviny pásov sú pokryté izolačným lakom.

Vytvarované magnetické jadrá sa vyrábajú odlievaním (elektrooceľ), keramickou technológiou (ferity), miešaním komponentov s následným lisovaním (magnetodielektriká) a inými metódami.

Pri výrobe magnetického obvodu elektromagnetického zariadenia je potrebné zabezpečiť jeho špecifický dizajn, ktorý je určený mnohými faktormi (výkon zariadenia, pracovná frekvencia atď.), vrátane prítomnosti alebo neprítomnosti priamej alebo spätnej konverzie elektromagnetického energie na mechanickú energiu v zariadení.

Návrhy zariadení, v ktorých k takejto transformácii dochádza (elektrické motory, generátory, relé atď.), Zahŕňajú časti, ktoré sa pohybujú pod vplyvom elektromagnetickej interakcie.

Zariadenia, v ktorých elektromagnetická indukcia nespôsobuje premenu elektromagnetickej energie na mechanickú energiu (transformátory, tlmivky, magnetické zosilňovače a pod.), sa nazývajú statické elektromagnetické zariadenia.

V statických elektromagnetických zariadeniach sa v závislosti od konštrukcie najčastejšie používajú pancierové, tyčové a prstencové magnetické obvody.

Lisované magnetické jadrá môžu mať zložitejší dizajn ako plechy a pásy.

Formované magnetické jadrá: a — okrúhle; b — d — obrnený; d — pohár; f, g - rotácia; h — veľa otvorov

Pancierové magnetické jadrá sa vyznačujú jednoduchosťou dizajnu a v dôsledku toho aj vyrobiteľnosťou. Táto konštrukcia navyše poskytuje lepšiu (v porovnaní s inými) ochranu cievky pred mechanickými vplyvmi a elektromagnetickým rušením.

Jadrové magnetické obvody sú rôzne:

• dobré chladenie;

• nízka citlivosť na poruchy (pretože EMF porúch indukovaných v susedných cievkach je opačného znamienka a je čiastočne alebo úplne kompenzované);

• menšia (v pomere k pancierovaniu) hmotnosť pri rovnakom výkone;

• menšie (vzhľadom na pancier) rozptyl magnetického toku.

Medzi nevýhody zariadení na báze tyčových magnetických obvodov (v porovnaní so zariadeniami na báze pancierových) patrí pracnosť výroby cievok (najmä pri ich umiestnení na rôznych tyčiach) a ich slabšia ochrana pred mechanickými vplyvmi.

Vďaka nízkym zvodovým prúdom sa kruhové magnetické obvody vyznačujú na jednej strane dobrou izoláciou hluku a na druhej strane malým vplyvom na blízke prvky elektronických zariadení (REE). Z tohto dôvodu sú široko používané v rádiotechnických výrobkoch.

Nevýhody kruhových magnetických obvodov sú spojené s ich nízkou technológiou (ťažkosti s navíjaním cievok a inštaláciou elektromagnetických zariadení na mieste použitia) a obmedzeným výkonom - až stovky wattov (ten sa vysvetľuje zahrievaním magnetického obvodu, ktorý nemá priame chladenie vďaka na ňom umiestneným závitom cievky).

Výber typu a typu magnetického obvodu sa vykonáva s prihliadnutím na možnosť získať najmenšie hodnoty jeho hmotnosti, objemu a nákladov.

Dostatočne zložité štruktúry majú magnetické obvody zariadení, v ktorých dochádza k priamej alebo spätnej premene elektromagnetickej energie na mechanickú energiu (napríklad magnetické obvody točivých elektrických strojov). Takéto zariadenia používajú lisované alebo doskové magnetické obvody.

Druhy elektromagnetických zariadení

Plyn — zariadenie používané ako indukčný odpor v obvodoch striedavého alebo pulzujúceho prúdu.

Magnetické jadrá s nemagnetickou medzerou sa používajú v striedavých tlmivkách, ktoré sa používajú na ukladanie energie a vo vyhladzovacích tlmivkách určených na vyhladenie usmerneného zvlnenia prúdu. Zároveň existujú tlmivky, v ktorých je možné nastaviť veľkosť nemagnetickej medzery, ktorá je potrebná na zmenu indukčnosti tlmivky počas jej činnosti.

Zariadenie a princíp činnosti elektrickej škrtiacej klapky

Magnetický zosilňovač — zariadenie pozostávajúce z jedného alebo viacerých magnetických obvodov s cievkami, pomocou ktorých možno meniť veľkosť prúdu alebo napätia v elektrickom obvode napájanom striedavým napätím alebo zdrojom striedavého prúdu na základe využitia fenoménu saturácie feromagnetika pod pôsobením permanentného predpojatého poľa.

Princíp činnosti magnetického zosilňovača je založený na zmene diferenciálnej magnetickej permeability (meranej na striedavom prúde) so zmenou jednosmerného predpätia, preto najjednoduchším magnetickým zosilňovačom je nasýtená tlmivka obsahujúca pracovnú cievku a reguláciu. cievka.

Transformátor sa nazýva statické elektromagnetické zariadenie, ktoré má dve (alebo viac) indukčne viazaných cievok a je navrhnuté tak, aby pomocou elektromagnetickej indukcie premieňalo jeden alebo viacero striedavých systémov na jeden alebo viacero iných striedavých systémov.

Výkon transformátora je určený maximálnou možnou indukciou materiálu magnetického jadra a jeho rozmermi. Preto sú magnetické jadrá (zvyčajne tyčového typu) výkonných výkonových transformátorov zostavené z plechov z elektrooceľovej ocele s hrúbkou 0,35 alebo 0,5 mm.

Zariadenie a princíp činnosti transformátora

Elektromagnetické relé sa nazýva elektromechanické relé, ktorého činnosť je založená na pôsobení magnetického poľa stacionárnej cievky na pohybujúci sa feromagnetický prvok.

Každé elektromagnetické relé obsahuje dva elektrické obvody: vstupný (riadiaci) signálový obvod a výstupný (riadený) signálový obvod. Podľa princípu zariadenia riadeného obvodu sa rozlišujú nepolarizované a polarizované relé. Činnosť nepolarizovaných relé, na rozdiel od polarizovaných, nezávisí od smeru prúdu v riadiacom obvode.

Ako funguje a funguje elektromagnetické relé

Rozdiely medzi DC a AC elektromagnetickými relé

Rotačný elektrický stroj — zariadenie určené na premenu energie na základe elektromagnetickej indukcie a interakcie magnetického poľa s elektrickým prúdom, ktoré obsahuje aspoň dve časti zapojené do hlavného procesu premeny a je schopné sa navzájom otáčať alebo otáčať.

Časť elektrických strojov, ktorá obsahuje stacionárny magnetický obvod s cievkou, sa nazýva stator a rotačná časť sa nazýva rotor.

Elektrický stroj určený na premenu mechanickej energie na elektrickú energiu sa nazýva generátor elektrického stroja. Elektrický stroj určený na premenu elektrickej energie na mechanickú energiu sa nazýva rotačný elektromotor.

Princíp činnosti a zariadenie elektromotorov

Princíp činnosti a zariadenie generátorov

Vyššie uvedené príklady použitia mäkkých materiálov na vytvorenie elektromagnetických zariadení nie sú vyčerpávajúce. Všetky tieto princípy platia aj pre návrh magnetických obvodov a iných elektrických výrobkov, ktoré využívajú tlmivky, ako sú elektrické spínacie zariadenia, magnetické zámky atď.