Dispozitive electromagnetice: scop, tipuri, cerințe, proiectare

Scopul dispozitivelor electromagnetice

Producția, transformarea, transportul, distribuția sau consumul de energie electrică se realizează cu ajutorul dispozitivelor electrice. Din toată varietatea lor, scoatem în evidență dispozitivele electromagnetice, a căror activitate se bazează despre fenomenul inducției electromagneticeînsoţită de apariţia fluxurilor magnetice.

Dispozitivele electromagnetice statice includ șocuri, amplificatoare magnetice, transformatoare, relee, demaroare, contactoare și alte dispozitive. Rotativ — motoare și generatoare electrice, ambreiaje electromagnetice.

Un set de părți feromagnetice ale dispozitivelor electromagnetice concepute pentru a conduce partea principală a fluxului magnetic, numit sistemul magnetic al unui dispozitiv electromagnetic… O unitate structurală specială a unui astfel de sistem este circuit magnetic… Fluxurile magnetice care trec prin circuitele magnetice pot fi parțial limitate într-un mediu nemagnetic, formând fluxuri magnetice parazite.

Fluxurile magnetice care trec printr-un circuit magnetic pot fi create folosind curenți electrici continui sau alternativi care circulă în unul sau mai mulți bobine inductive… O astfel de bobină este un element de circuit electric proiectat să folosească propria inductanță și/sau propriul câmp magnetic.

Se formează una sau mai multe bobine lichidare… Se numește partea din circuitul magnetic pe care sau în jurul căreia se află bobina miez, se numește partea pe care sau în jurul căreia nu este amplasată bobina jug.

Calculul parametrilor electrici principali ai dispozitivelor electromagnetice se bazează pe legea curentului total și legea inducției electromagnetice. Fenomenul de inducție reciprocă este utilizat pentru a transfera energie de la un circuit electric la altul.

Vezi mai multe detalii aici: Circuite magnetice ale dispozitivelor electrice si aici: Pentru ce se calculează circuitul magnetic?

Cerințe pentru circuitele magnetice ale dispozitivelor electromagnetice

Cerințele pentru miezurile magnetice depind de scopul funcțional al dispozitivelor electromagnetice în care sunt utilizate.

În dispozitivele electromagnetice se pot utiliza atât fluxuri magnetice constante, cât și/sau alternative. Fluxul magnetic permanent nu provoacă pierderi de energie în circuitele magnetice.

Miezuri magnetice care funcționează în condiții de expunere flux magnetic constant (de exemplu paturi pentru mașini DC) pot fi realizate din semifabricate turnate cu prelucrare ulterioară. Cu o configurație complexă a circuitelor magnetice, este mai economic să le fabricați din mai multe elemente.

Trecerea prin circuitele magnetice a unui flux magnetic alternativ este însoțită de pierderi de energie, care se numesc pierderi magnetice… Ele provoacă încălzirea circuitelor magnetice. Este posibil să se reducă încălzirea miezurilor magnetice prin măsuri speciale pentru răcirea lor (de exemplu, lucrul în ulei). Astfel de soluții complică proiectarea lor, cresc costurile de producție și exploatare.

Pierderile magnetice constau în:

• pierderea histerezisului;

• pierderi de curent turbionar;

• pierderi suplimentare.

Pierderile de histerezis pot fi reduse prin utilizarea feromagneților cu magnet moale cu un îngust circuit de histerezis.

Pierderile curenților turbionari sunt de obicei reduse prin:

• utilizarea materialelor cu conductivitate electrică specifică mai mică;

• producerea de miezuri magnetice din benzi sau plăci izolate electric.

Distribuţia curenţilor turbionari în diferite circuite magnetice: a — în turnare; b — într-un set de piese din materiale de tablă.

Partea de mijloc a circuitului magnetic este acoperită într-o mai mare măsură de curenți turbionari în comparație cu suprafața sa, ceea ce duce la o „deplasare” a fluxului magnetic principal spre suprafața circuitului magnetic, adică are loc un efect de suprafață.

Acest lucru duce la faptul că, la o anumită frecvență caracteristică materialului acestui circuit magnetic, fluxul magnetic va fi complet concentrat într-un strat subțire de suprafață al circuitului magnetic, a cărui grosime este determinată de adâncimea de penetrare la o anumită frecvență. .

Prezența curenților turbionari care circulă într-un miez magnetic dintr-un material cu rezistență electrică scăzută duce la pierderi corespunzătoare (pierderi cu curenți turbionari).

Sarcina de a reduce pierderile de curent turbionar și de a păstra la maximum fluxul magnetic este rezolvată prin fabricarea de circuite magnetice din părți individuale (sau părți ale acestora), care sunt izolate electric unele de altele. În acest caz, aria secțiunii transversale a circuitului magnetic rămâne neschimbată.

Plăcile sau benzile ștanțate din materiale din tablă și înfășurate pe un miez sunt utilizate pe scară largă. Pentru izolarea suprafețelor plăcilor (sau benzilor) se pot folosi diferite metode tehnologice, dintre care cel mai adesea se aplică aplicarea de lacuri sau emailuri izolante.

Un circuit magnetic format din părți separate (sau părți ale acestora) permite:

• reducerea pierderilor de curenți turbionari datorită dispunerii perpendiculare a plăcilor față de direcția de circulație a acestora (în acest caz, lungimea circuitelor de-a lungul cărora pot circula curenții turbionari scade);

• pentru a obține o distribuție neuniformă neglijabilă a fluxului magnetic, deoarece la o grosime mică a materialului tablă, proporțională cu adâncimea de penetrare, efectul de ecranare al curenților turbionari este mic.

Materialelor miezurilor magnetice pot fi impuse și alte cerințe: rezistență la temperatură și vibrații, cost redus etc. La proiectarea unui anumit dispozitiv, este selectat materialul magnetic moale ai cărui parametri corespund cel mai bine cerințelor specificate.

Proiectarea miezurilor magnetice

În funcție de tehnologia de producție, miezurile magnetice ale dispozitivelor electromagnetice pot fi împărțite în 3 grupuri principale:

• lamelar;

• bandă;

• turnat.

Circuitele magnetice lamelare sunt recrutate din plăci separate, izolate electric unele de altele, ceea ce face posibilă reducerea pierderilor de curent turbionar. Miezurile magnetice de bandă sunt obținute prin înfășurarea unei benzi de o anumită grosime. În astfel de circuite magnetice, efectul curenților turbionari este redus semnificativ, deoarece planurile benzii sunt acoperite cu un lac izolator.

Miezurile magnetice formate sunt produse prin turnare (oțel electric), tehnologie ceramică (ferite), amestecare a componentelor urmată de presare (magneto-dielectrice) și alte metode.

La fabricarea circuitului magnetic al unui dispozitiv electromagnetic, este necesar să se asigure proiectarea sa specifică, care este determinată de mulți factori (puterea dispozitivului, frecvența de funcționare etc.), inclusiv prezența sau absența conversiei directe sau inverse a electromagnetică. energie în energie mecanică în dispozitiv.

Proiectele dispozitivelor în care are loc o astfel de transformare (motoare electrice, generatoare, relee etc.) includ piese care se mișcă sub influența interacțiunii electromagnetice.

Dispozitivele în care inducția electromagnetică nu provoacă conversia energiei electromagnetice în energie mecanică (transformatoare, șocuri, amplificatoare magnetice etc.) se numesc dispozitive electromagnetice statice.

În dispozitivele electromagnetice statice, în funcție de proiectare, se folosesc cel mai des circuitele magnetice blindate, cu tijă și inel.

Miezurile magnetice turnate pot avea un design mai complex decât foile și benzile.

Miezuri magnetice formate: a — rotunde; b — d — blindat; d — ceașcă; f, g — rotație; h — multe deschideri

Miezurile magnetice blindate se disting prin simplitatea designului și, prin urmare, prin capacitatea de fabricație. În plus, acest design oferă o protecție mai bună (în comparație cu altele) a bobinei împotriva influențelor mecanice și interferențelor electromagnetice.

Circuitele magnetice de bază sunt diferite:

• răcire bună;

• sensibilitate scăzută la perturbații (deoarece EMF-ul perturbațiilor induse în bobinele vecine este opus ca semn și este parțial sau complet compensat);

• greutate mai mică (în raport cu armura) cu aceeași putere;

• disipare mai mică (în raport cu armura) a fluxului magnetic.

Dezavantajele dispozitivelor bazate pe circuite magnetice cu tije (față de dispozitivele bazate pe cele blindate) includ laboriozitatea fabricării bobinelor (mai ales atunci când sunt așezate pe tije diferite) și protecția lor mai slabă împotriva influențelor mecanice.

Datorită curenților de scurgere mici, circuitele magnetice inelare se disting, pe de o parte, printr-o bună izolare a zgomotului și, pe de altă parte, printr-un efect mic asupra elementelor din apropiere ale echipamentelor electronice (REE). Din acest motiv, ele sunt utilizate pe scară largă în produsele de inginerie radio.

Dezavantajele circuitelor magnetice circulare sunt asociate cu tehnologia lor scăzută (dificultăți în înfășurarea bobinelor și instalarea dispozitivelor electromagnetice la locul de utilizare) și puterea limitată - până la sute de wați (aceasta din urmă se explică prin încălzirea circuitului magnetic, care nu are răcire directă datorită spirelor amplasate pe ea ale bobinei).

Alegerea tipului și tipului circuitului magnetic se face ținând cont de posibilitatea de a obține cele mai mici valori ale masei, volumului și costului acestuia.

Structurile suficient de complexe au circuite magnetice ale dispozitivelor în care are loc o conversie directă sau inversă a energiei electromagnetice în energie mecanică (de exemplu, circuite magnetice ale mașinilor electrice rotative). Astfel de dispozitive folosesc circuite magnetice turnate sau plăci.

Tipuri de dispozitive electromagnetice

regulator — un dispozitiv utilizat ca rezistență inductivă în circuitele de curent alternativ sau pulsatoriu.

Miezurile magnetice cu un decalaj nemagnetic sunt utilizate în inductele de curent alternativ care sunt utilizate pentru stocarea energiei și la inductele de netezire concepute pentru a netezi ondularea curentului redresat. În același timp, există șocuri în care dimensiunea spațiului nemagnetic poate fi ajustată, ceea ce este necesar pentru a schimba inductanța șoculului în timpul funcționării sale.

Dispozitivul și principiul de funcționare a clapetei electrice de accelerație

Amplificator magnetic — un dispozitiv format din unul sau mai multe circuite magnetice cu bobine prin intermediul cărora curentul sau tensiunea poate fi modificată în mărime într-un circuit electric alimentat de o sursă de tensiune alternativă sau de curent alternativ, pe baza utilizării fenomenului de saturație a feromagnetului sub acţiunea unui câmp permanent de părtinire.

Principiul de funcționare al amplificatorului magnetic se bazează pe o modificare a permeabilității magnetice diferențiale (măsurată pe un curent alternativ) cu o modificare a curentului de polarizare directă, prin urmare cel mai simplu amplificator magnetic este o bobină saturată care conține o bobină de lucru și un control. bobina.

Transformator se numește dispozitiv electromagnetic static care are două (sau mai multe) bobine cuplate inductiv și este proiectat să transforme prin inducție electromagnetică unul sau mai multe sisteme AC într-unul sau mai multe alte sisteme AC.

Puterea transformatorului este determinată de inducția maximă posibilă a materialului miezului magnetic și dimensiunile acestuia. Prin urmare, miezurile magnetice (de obicei de tip tijă) ale transformatoarelor de putere puternice sunt asamblate din foi de oțel electric cu o grosime de 0,35 sau 0,5 mm.

Dispozitivul și principiul de funcționare al transformatorului

Releu electromagnetic se numește releu electromecanic, a cărui funcționare se bazează pe efectul unui câmp magnetic al unei bobine staționare asupra unui element feromagnetic în mișcare.

Orice releu electromagnetic conține două circuite electrice: un circuit de semnal de intrare (control) și un circuit de semnal de ieșire (controlat). Conform principiului dispozitivului circuitului controlat, se disting releele nepolarizate și cele polarizate. Funcționarea releelor ​​nepolarizate, spre deosebire de releele polarizate, nu depinde de direcția curentului din circuitul de comandă.

Cum funcționează și funcționează un releu electromagnetic

Diferențele dintre releele electromagnetice DC și AC

Mașină electrică rotativă — un dispozitiv conceput pentru a converti energia pe baza inducției electromagnetice și a interacțiunii unui câmp magnetic cu un curent electric, care conține cel puțin două părți implicate în procesul principal de conversie și capabile să se rotească sau să se rotească una față de cealaltă.

Partea mașinilor electrice care include un circuit magnetic staționar cu o bobină se numește stator, iar partea rotativă se numește rotor.

O mașină electrică proiectată să transforme energia mecanică în energie electrică se numește generator de mașini electrice. O mașină electrică concepută pentru a transforma energia electrică în energie mecanică se numește motor electric rotativ.

Principiul de funcționare și dispozitivul motoarelor electrice

Principiul de funcționare și dispozitivul generatoarelor

Exemplele de mai sus de utilizare a materialelor moi pentru a crea dispozitive electromagnetice nu sunt exhaustive. Toate aceste principii se aplică și proiectării circuitelor magnetice și a altor produse electrice care utilizează inductori, cum ar fi dispozitive electrice de comutare, încuietori magnetice etc.