Elektromagnetiske enheder: formål, typer, krav, design

Formål med elektromagnetiske enheder

Produktion, transformation, transmission, distribution eller forbrug af elektrisk energi udføres ved hjælp af elektriske enheder. Fra al deres variation udpeger vi elektromagnetiske enheder, hvis arbejde er baseret om fænomenet elektromagnetisk induktionledsaget af udseendet af magnetiske fluxer.

Statiske elektromagnetiske enheder omfatter drosler, magnetiske forstærkere, transformere, relæer, startere, kontaktorer og andre enheder. Roterende — elektriske motorer og generatorer, elektromagnetiske koblinger.

Et sæt ferromagnetiske dele af elektromagnetiske enheder designet til at lede hoveddelen af ​​den magnetiske flux, navngivet magnetiske system af en elektromagnetisk enhed… En særlig strukturel enhed i et sådant system er magnetisk kredsløb… Magnetiske fluxer, der passerer gennem magnetiske kredsløb, kan være delvist indespærret i et ikke-magnetisk medium, hvilket danner magnetiske fluxer.

Magnetiske flux, der passerer gennem et magnetisk kredsløb, kan skabes ved hjælp af direkte eller vekslende elektriske strømme, der flyder i en eller flere induktive spoler… En sådan spole er et elektrisk kredsløbselement designet til at bruge sin egen induktans og/eller sit eget magnetfelt.

Der dannes en eller flere spoler likvidation… Den del af det magnetiske kredsløb, hvorpå eller omkring spolen er placeret, kaldes kerne, kaldes den del, hvorpå eller omkring hvilken spolen ikke er placeret åg.

Beregningen af ​​de vigtigste elektriske parametre for elektromagnetiske enheder er baseret på loven om total strøm og loven om elektromagnetisk induktion. Fænomenet gensidig induktion bruges til at overføre energi fra et elektrisk kredsløb til et andet.

Se flere detaljer her: Magnetiske kredsløb af elektriske enheder og her: Hvad går magnetkredsløbsberegningen til?

Krav til magnetiske kredsløb af elektromagnetiske enheder

Kravene til magnetiske kerner afhænger af det funktionelle formål med de elektromagnetiske enheder, hvori de anvendes.

I elektromagnetiske enheder kan både konstante og/eller vekslende magnetiske fluxer anvendes. Permanent magnetisk flux forårsager ingen energitab i magnetiske kredsløb.

Magnetiske kerner, der arbejder under eksponeringsforhold konstant magnetisk flux (f.eks. senge til DC-maskiner) kan fremstilles af støbte emner med efterfølgende bearbejdning. Med en kompleks konfiguration af magnetiske kredsløb er det mere økonomisk at fremstille dem fra flere elementer.

Passagen gennem de magnetiske kredsløb af en vekslende magnetisk flux er ledsaget af energitab, som kaldes magnetiske tab… De får magnetkredsløbene til at varme op. Det er muligt at reducere opvarmningen af ​​magnetkernerne ved særlige foranstaltninger til deres afkøling (for eksempel arbejde i olie). Sådanne løsninger komplicerer deres design, øger omkostningerne ved deres produktion og drift.

Magnetiske tab består af:

• tab af hysterese;

• hvirvelstrømstab;

• yderligere tab.

Hysteresetab kan reduceres ved at bruge bløde magnetferromagneter med en smal hysteresekredsløb.

Hvirvelstrømstab reduceres normalt med:

• brug af materialer med lavere specifik elektrisk ledningsevne;

• fremstilling af magnetiske kerner fra elektrisk isolerede strimler eller plader.

Fordeling af hvirvelstrømme i forskellige magnetiske kredsløb: a — ved støbning; b — i et sæt dele lavet af pladematerialer.

Den midterste del af det magnetiske kredsløb er i højere grad dækket af hvirvelstrømme sammenlignet med dets overflade, hvilket fører til en «forskydning» af den magnetiske hovedflux mod overfladen af ​​det magnetiske kredsløb, det vil sige, at der opstår en overfladeeffekt.

Dette fører til det faktum, at den magnetiske flux ved en bestemt frekvens, der er karakteristisk for materialet i dette magnetiske kredsløb, vil være fuldstændig koncentreret i et tyndt overfladelag af det magnetiske kredsløb, hvis tykkelse er bestemt af indtrængningsdybden ved en given frekvens .

Tilstedeværelsen af ​​hvirvelstrømme, der flyder i en magnetisk kerne lavet af et materiale med lav elektrisk modstand, fører til tilsvarende tab (hvirvelstrømstab).

Opgaven med at reducere hvirvelstrømstab og maksimalt bevare den magnetiske flux løses ved at fremstille magnetiske kredsløb fra individuelle dele (eller deres dele), som er elektrisk isoleret fra hinanden. I dette tilfælde forbliver tværsnitsarealet af det magnetiske kredsløb uændret.

Plader eller strimler stemplet af pladematerialer og viklet på en kerne er meget udbredt. Forskellige teknologiske metoder kan bruges til at isolere overfladerne på plader (eller strimler), hvoraf påføring af isolerende lakker eller emaljer oftest anvendes.

Et magnetisk kredsløb lavet af separate dele (eller deres dele) tillader:

• reduktion af hvirvelstrømstab på grund af pladernes vinkelrette arrangement i forhold til deres cirkulationsretning (i dette tilfælde falder længden af ​​kredsløbene, langs hvilke hvirvelstrømme kan cirkulere);

• for at opnå en ubetydelig uensartet fordeling af den magnetiske flux, da ved en lille tykkelse af pladematerialet, svarende til indtrængningsdybden, er hvirvelstrømmenes afskærmningseffekt lille.

Andre krav kan stilles til materialerne i de magnetiske kerner: temperatur- og vibrationsmodstand, lave omkostninger osv. Ved design af en specifik enhed vælges det bløde magnetiske materiale, hvis parametre bedst opfylder de specificerede krav.

Design af magnetiske kerner

Afhængigt af produktionsteknologien kan de magnetiske kerner af elektromagnetiske enheder opdeles i 3 hovedgrupper:

• lamellær;

• tape;

• støbt.

Lamellære magnetiske kredsløb rekrutteres fra separate, elektrisk isolerede plader fra hinanden, hvilket gør det muligt at reducere hvirvelstrømstab. Tape magnetiske kerner opnås ved at vikle et bånd af en vis tykkelse. I sådanne magnetiske kredsløb reduceres virkningen af ​​hvirvelstrømme betydeligt, da strimmelplanerne er dækket med en isolerende lak.

De dannede magnetiske kerner fremstilles ved støbning (elektrisk stål), keramisk teknologi (ferritter), blanding af komponenter efterfulgt af presning (magneto-dielektrik) og andre metoder.

Ved fremstilling af det magnetiske kredsløb af en elektromagnetisk enhed er det nødvendigt at sikre dets specifikke design, som bestemmes af mange faktorer (enhedens effekt, driftsfrekvens osv.), herunder tilstedeværelsen eller fraværet af direkte eller omvendt konvertering af elektromagnetisk energi til mekanisk energi i enheden.

Designet af enheder, hvor en sådan transformation forekommer (elektriske motorer, generatorer, relæer osv.) omfatter dele, der bevæger sig under påvirkning af elektromagnetisk interaktion.

Enheder, hvor elektromagnetisk induktion ikke forårsager omdannelse af elektromagnetisk energi til mekanisk energi (transformatorer, drosler, magnetiske forstærkere osv.) kaldes statiske elektromagnetiske enheder.

I statiske elektromagnetiske enheder, afhængigt af designet, bruges pansrede, stang- og ringmagnetiske kredsløb oftest.

Støbte magnetiske kerner kan have et mere komplekst design end plader og strimler.

Formede magnetiske kerner: a — rund; b — d — pansret; d — kop; f, g — rotation; h — mange åbninger

Pansrede magnetiske kerner er kendetegnet ved deres enkelhed i design og som følge heraf fremstillingsevne. Derudover giver dette design bedre (sammenlignet med andre) spolebeskyttelse mod mekaniske påvirkninger og elektromagnetisk interferens.

Kernemagnetiske kredsløb er forskellige:

• god afkøling;

• lav følsomhed over for forstyrrelser (da EMF for forstyrrelser induceret i nabospoler er modsat fortegn og er delvist eller fuldstændigt kompenseret);

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

• mindre (i forhold til rustning) dissipation af magnetisk flux.

Ulemperne ved enheder baseret på stangmagnetiske kredsløb (i forhold til enheder baseret på pansrede) inkluderer besværligheden ved fremstilling af spoler (især når de er placeret på forskellige stænger) og deres svagere beskyttelse mod mekaniske påvirkninger.

På grund af de lave lækstrømme udmærker ringmagnetiske kredsløb sig på den ene side ved god støjisolering og på den anden side ved en lille effekt på nærliggende elementer af elektronisk udstyr (REE). Af denne grund er de meget brugt i radiotekniske produkter.

Ulemperne ved cirkulære magnetiske kredsløb er forbundet med deres lave teknologi (vanskeligheder med at vikle spolerne og installere elektromagnetiske enheder på brugsstedet) og begrænset effekt - op til hundredvis af watt (sidstnævnte forklares ved opvarmning af det magnetiske kredsløb, som ikke har nogen direkte køling på grund af spolens drejninger).

Valget af typen og typen af ​​det magnetiske kredsløb er lavet under hensyntagen til muligheden for at opnå de mindste værdier af dets masse, volumen og omkostninger.

Tilstrækkeligt komplekse strukturer har magnetiske kredsløb af enheder, hvor der er en direkte eller omvendt omdannelse af elektromagnetisk energi til mekanisk energi (for eksempel magnetiske kredsløb af roterende elektriske maskiner). Sådanne enheder bruger støbte eller plademagnetiske kredsløb.

Typer af elektromagnetiske enheder

Gashåndtag — en enhed, der anvendes som en induktiv modstand i veksel- eller pulserende strømkredsløb.

Magnetiske kerner med et ikke-magnetisk mellemrum bruges i AC-drosler, der bruges til energilagring og til udjævning af drosler, der er designet til at udjævne ensrettet strømrippel. Samtidig er der choker, hvor størrelsen af ​​det ikke-magnetiske mellemrum kan justeres, hvilket er nødvendigt for at ændre chokerens induktans under dens drift.

Enheden og princippet om drift af det elektriske gashåndtag

Magnetisk forstærker — en anordning bestående af et eller flere magnetiske kredsløb med spoler, ved hjælp af hvilke strømmen eller spændingen kan ændres i størrelse i et elektrisk kredsløb, der forsynes af en vekselspændings- eller vekselstrømkilde, baseret på anvendelsen af ​​fænomenet mætning af ferromagnet under påvirkning af et permanent biasfelt.

Funktionsprincippet for den magnetiske forstærker er baseret på en ændring i den differentielle magnetiske permeabilitet (målt på en vekselstrøm) med en ændring i den direkte forspændingsstrøm, derfor er den enkleste magnetiske forstærker en mættet drossel indeholdende en arbejdsspole og en kontrol spole.

Transformer kaldes en statisk elektromagnetisk enhed, der har to (eller flere) induktivt koblede spoler og er designet til ved elektromagnetisk induktion at konvertere et eller flere AC-systemer til et eller flere andre AC-systemer.

Transformatorens effekt bestemmes af den maksimalt mulige induktion af det magnetiske kernemateriale og dets dimensioner. Derfor er de magnetiske kerner (normalt af stangtypen) af kraftige krafttransformatorer samlet af plader af elektrisk stål med en tykkelse på 0,35 eller 0,5 mm.

Enheden og princippet for drift af transformeren

Elektromagnetisk relæ kaldes et elektromekanisk relæ, hvis funktion er baseret på virkningen af ​​et magnetfelt af en stationær spole på et bevægeligt ferromagnetisk element.

Ethvert elektromagnetisk relæ indeholder to elektriske kredsløb: et input (kontrol) signalkredsløb og et output (kontrolleret) signalkredsløb. I henhold til enhedsprincippet for det kontrollerede kredsløb skelnes ikke-polariserede og polariserede relæer. Driften af ​​ikke-polariserede relæer, i modsætning til polariserede relæer, afhænger ikke af retningen af ​​strømmen i styrekredsløbet.

Hvordan et elektromagnetisk relæ fungerer og virker

Forskelle mellem DC og AC elektromagnetiske relæer

Roterende elektrisk maskine — en anordning, der er designet til at omdanne energi baseret på elektromagnetisk induktion og vekselvirkningen mellem et magnetfelt og en elektrisk strøm, som indeholder mindst to dele, der er involveret i hovedkonverteringsprocessen, og som er i stand til at rotere eller rotere i forhold til hinanden.

Den del af elektriske maskiner, der omfatter et stationært magnetisk kredsløb med en spole, kaldes statoren, og den roterende del kaldes rotoren.

En elektrisk maskine designet til at omdanne mekanisk energi til elektrisk energi kaldes en elektrisk maskingenerator. En elektrisk maskine designet til at omdanne elektrisk energi til mekanisk energi kaldes en roterende elektrisk motor.

Princippet om drift og enheden af ​​elektriske motorer

Princippet om drift og enheden af ​​generatorer

Ovenstående eksempler på brug af bløde materialer til at skabe elektromagnetiske enheder er ikke udtømmende. Alle disse principper gælder også for design af magnetiske kredsløb og andre elektriske produkter, der bruger induktorer, såsom elektriske koblingsenheder, magnetiske låse osv.