Электромагниты и их применения

Электромагнитные установки

Технология электромагнитного разделения изотопов также нашла применение в промышленном масштабе. Головной организацией по созданию технологий электромагнитного разделения стал Ленинградский НИИ электрофизической аппаратуры (НИИЭФА), руководимый в то время Д. В. Ефремовым.»4 Промышленная электромагнитная установка СУ-20 была введена в строй на заводе № 418 в Свердловске-45 одновременно с вводом в строй газодиффузионного завода Д-1 в Свердловске-44. На установке СУ-20 производилось доведение поступавшего из Свердловска-44 урана до степени обогащения 90% U-235. В дальнейшем, совершенствование газодиффузионной технологии устранило необходимость дообога-щения урана электромагнитным способом равно как и необходимость развития электромагнитной технологии как самостоятельного метода разделения изотопов. В результате СУ-20 была переориентирована на производство неурановых изотопов, а в корпусах, построенных для размещения промышленных мощностей по электромагнитному разделению изотопов, был создан производственный комплекс по сборке ядерных боеприпасов. Другая электромагнитная установка (С-2) была построена в 1969 г. в Арзамасе-16. Установка использовалась для производства высокочистых изотопов плутония, америция и других элементов, необходимых для определения ядерно-физических свойств этих элементов.115

Переход на центрифужную технологию

Так как несмотря на значительные усовершенствования, газодиффузионные машины оставались очень энергоемкими, в начале 60-х годов СССР начал переход на более эффективную центрифужную технологию разделения изотопов.

Лабораторные исследования по разделению изотопов центрифужным методом были начаты в конце 1946 г. в Сухумском физико-техническом институте группой немецких ученых под руководством М. Штеенбека.116 Осенью 1951 г. исследования были перенесены в КБ Кировского завода в Ленинграде, где они велись под руководством Н. М. Синева. Другими основными центрами развития центрифужных технологий были отдел молекулярной физики Курчатовского института (Москва), Всесоюзный институт авиационных материалов (ВИАМ, Москва), Опытное конструкторское бюро машиностроения (ОКБМ, Нижний Новгород) и Уральский электрохимический комбинат в Свердловске-44 (комбинат № 813).

Первый полупромышленный цех из 2500 центрифуг был введен в эксплуатацию 4 октября 1957 г. в Свердловске-44. С 1962 по 1964 годы здесь же был построен и начал работу первый центрифужный завод промышленного масштаба.117 К середине 70-х годов центрифужная технология в СССР превратилась в господствующую. Последние в СССР газодиффузионные машины прекратили работу по обогащению урана в 199} г.118 Переход на центрифужную технологию позволил значительно снизить потребление электроэнергии и увеличить общую мощность обогатительного комплекса России.119 В настоящее время обогатительные заводы страны способны производить 20 млн. ЕРР/г.

Начиная с начала 50-х годов ь СССР и России было спроектировано и пущено в производство восемь моделей (пять поколений) центрифуг. К настоящему моменту начата установка центрифуг шестого поколения. Совершенствование технологии позволило сократить удельное потребление электроэнергии и увеличить надежность и долговечность машин.

Комплекс по обогащению урана

Обогащение урана в СССР осуществлялось в основном на четырех комбинатах: Свердловск-44 (Уральский электрохимический завод),121 Томск-7 (Сибхимкомби-нат), Красноярск-45 (Электрохимический комбинат) и Ангарск (Электролизный химический комбинат). Все комбинаты, кроме производства в Ангарске, производили высокообогащенный уран для оружия и расположены в закрытых городах. Производство оружейного урана было прекращено в 1988 г. и обогатительные заводы были переориентированы главным образом на производство низкообогащенного урана В настоящее время комбинаты Красноярска-45, Ангарска, и Томска-7 производят уран, обогащенный до 5% урана-235. Комбинат в Свердловске-44 может производить уран обогащением до 30%.123

Уральский электрохимический завод в Свердловске-44 располагает 49% обогатительных мощностей России (10 млн. ЕРР/г) и является старейшим и крупнейшим в стране. Комбинат производит большинство обогащенного урана (из природного уранового сырья и обедненного урана) для экспортных поставок в страны Запада.124 Осенью 1994 г. в Свердловске-44 было введено в эксплуатацию производство по разобогащению оружейного урана.125 Комбинат также нарабатывает уран обогащением 1.5%, который используется для разбавления ВОУ. С 1996 г. аналогичные работы ведутся в Красноярске-45 и Томске-7.

Комбинаты Красноярска-45, Ангарска, и Томска-7, на долю которых приходится соответственно 29%, 8% и 14% обогатительных мощностей России, заняты обогащением обедненного урана (хвостов), производством обогащенного урана для топлива реакторов АЭС и получением высокочистых неурановых изотопов, таких как Кг-85 и Fe-55.126 Томск-7 занимается обогащением регенерированного урана для экспортных поставок.127 В Томске-7 и Ангарске также находятся заводы по производству гексафторида’урана —сырья обогатительных заводов.

Тормозные электромагниты, их назначение

Основные элементы металлоконструкций кранов.Тип металлоконструкций.

Правила безопасности при проведении погрузочно-разгрузочных работ.

Билет №2.

Материалы и сортамент

Крановые металлоконструкции в основном изготовляют из стали марки Ст3. При температурах ниже –400С используют сталь марки М16С. Низколегированные стали целесообразно применять только там, где удается полностью использовать их повышенную прочность. Обычно это возможно лишь при грузоподъемностях Q>=500кН.

Стали марок Ст3 и М16С отличаются высокой пластичностью, хорошей свариваемостью, низкой стоимостью, но небольшой прочностью (σт=220H/мм2). Последнее не столь важно, так как в легких кранах обычно лимитирует не прочность, а жесткость и устойчивость.

Строительный прокат (уголки, швеллеры и т.п.) используют, главным образом, при изготовлении рам. Для основных металлоконструкций кранов применяют лист, гнутый профиль и трубы, которые позволяют создавать более рациональные сечения и уменьшать вес кранов.

В качестве рельсов используют для опорных кранов – железнодорожные рельсы, специальные крановые рельсы типа КР, плоские рельсы из брусьев прямоугольного сечения; для крановых тележек железнодорожные рельсы узкой колеи; для подвесных кранов (электроталей и монорельсовых тележек) – двутавры или пояса сварных балок.

Для соединения деталей используется сварка автоматическая под слоем флюса или ручная электродом марки Э42.

Типы крановых металлоконструкций и тенденции их развития

Крановые металлоконструкции бывают балочные, ферменные и смешанные.

Балки – это металлоконструкции, работающие, в основном, на изгиб. Фермы – металлоконструкции, состоящие из стержней, работающих под осевой нагрузкой. Смешанные конструкции включают балочные и ферменные элементы.

Балки более технологичны и надежны, имеют меньшие строительные высоты. Фермы легче и имеют меньшее время затухания колебаний.

Балки применяют в металлоконструкциях малых и средних размеров (стационарные поворотные краны, консольные краны, кран-балки, мостовые краны), в которых увеличение веса еще невелико, при серийном производстве, требовательном к технологичности, и при тяжелых режимах эксплуатации, нуждающихся в повышенной надежности. Фермы целесообразны для средних и больших размеров (башенные краны, козловые краны, перегружатели), при индивидуальном производстве и ненапряженных режимах эксплуатации.

Основное требование к механизмам подъемных кранов заключается в обеспечении возможности производить большое число пусков и остановок в час. Такую подвижность механизма можно получить только за счет большого ускорения во время пуска и быстрого торможения при остановке. В связи с этим тормозные устройства являются одной из необходимых частей кранов.

Помимо назначения тормоза максимально ускорять остановку механизма, т. е. поглощать кинетическую энергию его движущихся масс, тормоза требуются, чтобы удерживать механизмы в состоянии покоя во время остановки двигателя. Например, все механизмы подъема обязательно должны быть снабжены тормозами во избежание самоспуска поднятого груза после остановки двигателя.

Нужны тормоза также и для автоматической остановки моста или тележки крана после перехода ими предельных положений и срабатывания конечных выключателей. В ряде схем прибегают к комбинированной системе торможения, при которой с помощью электрического торможения доводят частоту вращения электродвигателя почти до нуля и затем окончательно удерживают механизм механическим тормозом.

Для освобождения или затормаживания механизмов применяют дистанционное электрическое управление.

Для подъемных кранов с электрическим приводом управление тормозами осуществляется с помощью тормозных электромагнитов. В наиболее распространенной в краностроении конструкции колодочного или ленточного тормоза в качестве управляющего органа предусмотрен электромагнит.

При включении тормозного электромагнита колодки или лента тормоза разжимаются и механизм освобождается. После отключения магнита и отпадания его якоря или сердечника шкив затормаживается под действием пружины или груза, затягивающих колодки или ленту. При такой системе торможения достигается автоматическая работа тормоза без усложнения электрической схемы управления.

При всякой остановке электродвигателя, намеренной или вызванной какими-либо повреждениями, тормоз автоматически закрывается и механизм тормозится. Отключение главного рубильника при уходе крановщика из кабины управления автоматически вызовет затормаживание всех электродвигателей крана.

В зависимости от рода тока тормозные электромагниты делятся на следующие типы:

1) переменного трехфазного тока — тип КМТ;

2) переменного однофазного тока — тип МО;

3) постоянного тока — типы КМП, ВМ, МП и А.

Тормозные электромагниты изготовляют коротко- и длинноходовыми. Ходом электромагнита называется расстояние, на которое перемещается подвижная часть электромагнита при включении я- отключении тока. Ход У разных электромагнитов колеблется в пределах 10— 150 мм.

При установке электромагнитов стремятся использовать неполный ход магнита, чтобы оставался запас не менее 10% в нижнем положении якоря для его опускания по мере срабатывания колодок.

Рис. 5.15. Тормозной электромагнит постоянного тока типа КМП

1— корпус; 2 — катушка; 3 — направляющая немагнитная втулка; 4 — подвижной якорь; 5 — регулировочный винт

Тормозные электромагниты постоянного тока изготовляют для параллельного или последовательного соединения с электродвигателем. Электромагнит постоянного тока типа КМП (рис. 5.15) представляет собой стальной или чугунный цилиндр, внутри которого помещены катушка и подвижной якорь из мягкой стали. На нижней части корпуса имеются лапы для крепления к механической части тормоза. Для того чтобы сила тяги в начале и конце движения якоря была равномерной, сердечник магнита и противолежащий ему упор на крышке делают конической формы. Сердечник свободно скользит в направляющей втулке из немагнитного металла. Для смягчения ударов служит воздушный буфер. Ток подводится к клеммной коробке в нижней части корпуса. Катушки электромагнитов параллельного включения выполняются из тонкой изолированной проволоки с большим числом витков и обладают большой индуктивностью. В связи с этим к зажимам такого электромагнита подключается гасящее или разрядное сопротивление, снижающее перенапряжения, возникающие при его отключении.

Для электромагнитов последовательного включения не требуется разрядного сопротивления, поскольку имеется катушка из толстой проволоки с малым числом витков. По конструкции они не отличаются от электромагнитов параллельного включения. Этим электромагнитам свойствен один существенный недостаток, ограничивающий область их применения: изменение тока двигателя при подъеме различных грузов влечет за собой изменение и втягивающего усилия.

В связи с этим они регулируются на срабатывание при самом малом токе двигателя. Номинальное тяговое усилие магнитов параллельного включения гарантируется при падении напряжения до 10%.

Тормозные электромагниты переменного тока типа КМТ являются длинноходовыми и применяются для грузовых тормозов. Магнитопровод трехфазного магнита схож с сердечником трехфазного трансформатора. Он набирается из листов трансформаторного железа для уменьшения потерь от вихревых токов. Верхняя часть магнито-провода неподвижна, укреплена на корпусе, а нижняя может двигаться и во включенном состоянии плотно прижимается к верхней (рис. 5.16). Чугунный корпус состоит из двух частей, соединенных между собой болтами. На верхней части сердечника укреплены три катушки. Выводы катушек подводятся к клеммному щитку, установленному на боковой стенке корпуса. Сердечник может свободно перемещаться в вертикальном направлении, при движении он давит на шток находящегося внутри цилиндра плотно пригнанного к нему поршня. В свою очередь, поршень при движении сжимает воздух в цилиндре, что смягчает удары при включении и отключении магнита.

Рис. 5.16. Тормозной электромагнит трехфазного тока типа КМТ

1 — регулировочный винт буфера; 2 — подвижная часть; 3 — клеммная коробка; 4 — катушки; 5 — цилиндр воздушного буфера; 6 — поршень буфера

Работа воздушного буфера регулируется винтом, изменяющим при завинчивании площадь сечения воздушного канала, соединяющего полости над и под поршнем. Для сцеплений штока магнита с механическими деталями тормоза в нем сделаны два отверстия под углом 90° относительно друг друга.

При втягивании подвижной части сердечника в ее крайнем положении не должно быть зазора между подвижной и неподвижной частями. Попадание грязи и пыли на торцовые части сердечника ведет к образованию зазора, сердечник плотно не смыкается, вследствие чего ток резко возрастает и катушка перегревается, что может привести к ее перегоранию.

Тормозные электромагниты однофазного переменного тока типа МО имеют одну катушку, насаженную на неподвижную часть магнитопровода (рис. 5.17). Подвижная часть отжимается от неподвижной специальной пружиной. При включении катушки возбуждается магнитный поток, подвижная часть притягивается к неподвижной, преодолевая силу пружины, и нажимает на шток тормоза. При отключении тока подвижная часть отходит от неподвижной под действием пружины, тормоз закрывается и механизм затормаживается.

Для устранения вибрации в магнитах типа МО применяют успокоитель в виде короткозамкнутого витка или кольца из толстой медной проволоки, вставленного в пазы подвижной части магнитопровода. Под действием переменного магнитного потока в этом витке индуктируется своя ЭДС и возникает довольно значительный ток, протекающий по короткозамкнутому витку. Благодаря этому электромагнит работает спокойно, без шума. При разрыве короткозамкнутого витка тормозной магнит будет сильно гудеть.

Известно, что при протекании тока по проводнику вокруг него возникает магнитное поле. Короткозамкну-тый виток во время работы также создает магнитное поле, сдвинутое во времени по отношению к магнитному полю рабочей катушки электромагнита, питаемой переменным током. Магнитный поток изменяется с той же частотой, что и переменный ток.

Магнитный поток от короткозамкнутого витка сдвинут по отношению к основному потоку на 90°. Это значит, что поток короткозамкнутого витка во время спада основного магнитного потока возрастает и помогает удерживать сердечник в притянутом состоянии. Такое подмагничива-ние уменьшает вибрацию сердечника, поэтому коротко-замкнутый виток, применяемый в катушках переменного тока, называется успокоителем.

При тяжелом режиме работы нежелательно использовать электромагниты типа МО ввиду их быстрого износа. В этих случаях устанавливают магниты постоянного тока типов МП и А, питаемые от выпрямителя.

Полезную работу электромагнит совершает только при передвижении якоря; остальное время вся мощность, потребляемая из сети, затрачивается в магнитах постоянного тока на нагрев катушки. Теплота, выделяющаяся в катушке, должна быть отдана окружающей среде через охлаждающую поверхность корпуса. От медной обмотки катушки теплота передается поверхности корпуса как через воздушную прослойку между наружной поверхностью катушки, так и через латунный каркас катушки, вплотную соприкасающийся с направляющей трубой сердечника и через нее с корпусом магнита.

В отличие от электромагнитов постоянного тока в магнитах переменного тока очагами возникновения потерь и вследствие этого тепловыми очагами являются и катушки, и железо магнитопровода, причем причины образования потерь в этих местах различны. В то время как катушки больше всего нагреваются в момент включения, железо находится в худших условиях, когда магнито-провод замкнут и поток в нем достигает максимального значения.

Для электромагнитов типа КМТ кратность пускового тока составляет 10—30, типа МО — примерно 5—6.

Нормальными условиями работы магнита типа КМТ являются следующие: ПВ = 25% и 150 включений в час. Если число включений в час увеличивается, то соответственно возрастает нагрев катушек, так как большее число раз по ним проходит пусковой ток. Для того чтобы избежать повышенного нагрева, необходимо укоротить ход якоря согласно паспортным данным завода-изготовителя. При этом пусковой ток уменьшается почти пропорционально укорочению хода якоря.

Всем электромагнитам постоянного и переменного тока свойствен существенный недостаток: в начале движения якоря, когда требуется наибольшее усилие, магниты дают наименьшее усилие, а в конце хода, когда необходимо уменьшить усилие для ослабления удара, магнит развивает наибольшую силу.

У тормозных электромагнитов переменного тока могут сгореть катушки, если магнит включен, а сердечник не замкнулся по какой-либо причине (например, вследствие перекоса или заклинивания, а также при попадании грязи на поверхности ярма и сердечника). Ток при незамкнутом сердечнике будет в несколько раз большим, чем при замкнутом.

В настоящее время широкое распространение на кранах получают электрогидравлические толкатели (ЭГТ), свободные от недостатков, присущих электромагнитам, и обладающие большей надежностью.

Электрогидравлические толкатели по сравнению с электромагнитами имеют ряд преимуществ: – повышенную износоустойчивость; – малый расход меди (обмоточных проводов), в некоторых типах ЭГТ этот расход уменьшается в 10—12 раз; – значительное снижение массы; – однотипность исполнения, так как толкатели можно использовать в любом режиме ПВ = 100%; – значительное снижение пусковой мощности и расхода электроэнергии; – плавность процесса торможения и отсутствие ударов при включении и отключении, обусловливаемые гидравлической схемой толкателя и повышающие срок службы тормозов и тормозных накладок; – нечувствительность толкателя к возможным заклиниваниям механизма в любой точке хода штока, что недопустимо даже кратковременно в электромагнитах переменного тока, так как приводит к сгоранию катушек из-за большой силы тока.

Электрогидравлические толкатели предназначены для работы в следующих условиях: допустимое длительное колебание напряжения 85—105% номинального, кратковременное — до 100%; температура окружающего воздуха не выше 50 °С и не ниже — 40 °С; относительная влажность окружающего воздуха не более 90% при температуре 20 °С и не выше 50% при 40 °С.

Электрогидравлические толкатели изготовляют на усилия 160—180 Н в одноштоковом исполнении с погруженным в рабочую жидкость электродвигателем. Они подобны по конструкции и различаются лишь отдельными конструктивными элементами. Толкатели на усилия 1600, 3000 и 6000 Н изготовляют в двухштоковом исполнении с непогруженным электродвигателем, расположенным в верхней части толкателя над гидравлической частью и изолированным от рабочей жидкости.

Одноштоковые толкатели состоят из электродвигателя, активная часть которого погружена в рабочую жидкость, корпуса, центробежного насоса, поршня со штоком и цилиндра. Электродвигатель толкателя закрытый, с естественным охлаждением, маслонаполненный, фланцевого исполнения. Статор с обмоткой пропитан изоляционным маслостойким лаком, цементирующим обмотку. Сердечник ротора с короткозамкнутой алюминиевой обмоткой напрессован на вал двигателя. Выводное устройство электродвигателя состоит из панели с контактными зажимами, изготовленной из маслостойкого пресс-порошка, крышки выводной коробки и уплотнения из маслостойкой резины. Шток толкателя имеет в верхней части отверстие для присоединения толкателя к рабочему органу управляемого механизма. Поворотом штока можно ориентировать отверстие в любом направлении. Крепление толкателей к опоре шарнирное, осуществляемое через отверстия в проушинах нижней части корпуса.

Электрогидравлические толкатели устанавливают на специально спроектированные тормоза под толкатели, которые не взаимозаменяемы с тормозами под электромагниты. В связи с тем что в эксплуатации находится большое количество тормозов ТКТ-300 с электромагнитами МО-300Б, производство которых прекращено, рекомендуется подвергать тормоз ТКТ-300 переделке, чтобы установить на нем электрогидравлический толкатель типа ТГМ-50 вместо электромагнита МО-300Б. Переделка заключается в том, что с тормоза снимают электромагнит МО-300Б и на рычаг тормоза крепят кронштейн, на который устанавливают ЭГТ.

Электрогидравлический толкатель в одноштоковом исполнении (рис. 5.18) состоит из корпуса с крышкой, центробежного насоса, который приводит в действие электродвигатель, поршня со штоком и цилиндра.

Центробежное колесо насоса с односторонним всасыванием закреплено на валу электродвигателя. В конструкции колеса насоса применены прямые радиальные лопатки, обеспечивающие нормальную работу толкателя независимо от направления вращения. При включении электродвигателя центробежное колесо, вращаясь, создает избыточное давление под поршнем и поршень поднимается вместе со штоком до верхнего положения.

Рис. 5.18. Электрогидравлический толкатель

При этом масло над поршнем протекает через каналы между цилиндром и корпусом к нижней части центробежного колеса. Поршень остается в верхнем положении до тех пор, пока работает насос. При отключении электродвигателя центробежное колесо останавливается, исчезает избыточное давление и поршень со штоком под действием внешней нагрузки и собственной массы опускается в нижнее положение, перепуская рабочую жидкость из полости под поршнем в полость над поршнем; при этом обслуживаемый тормозной механизм приводится в исходное положение.

Рис. 5.19. Электрогидравлический толкатель ТГМ-50 с тормозом ТКТ-300

В верхней части корпуса или крышки толкателя предусмотрено отверстие с пробкой для заливки рабочей жидкости; отверстие с пробкой в нижней части предназначено для слива рабочей жидкости. Все резиновые уплотнения выполнены из маслостойкой резины. Их назначение — защищать места сопряжения деталей оболочки от проникновения рабочей жидкости.

Как указано выше, рекомендуется переделывать тормоз типа ТКТ-300 и устанавливать на нем электрогидравлический толкатель типа ТГМ-50 вместо электромагнита МО-ЗООБ. На рис. 5.19 показан пример установки этого ЭГТ вместо электромагнита типа МО-ЗООБ.

Электрогидравлические толкатели постепенно вытесняют электромагниты, несмотря на простоту их конструкции. Это объясняется тем, что при использовании ЭГТ достигается значительная экономия черных и цветных металлов, резко уменьшаются пусковые токи, ЭГТ менее чувствительны к перегрузкам, потребляемая мощность не зависит от положения поршня и внешнего усилия на штоке.

Первые ЭГТ не были свободны от некоторых недостатков, но последние модернизированные ЭГТ типа ТГМ широко применяются и работают вполне удовлетворительно.

Из сравнительных технических данных, приведенных в табл. 5.6, видно, что потребность в обмоточной меди электромагнитов значительно выше по сравнению с ЭГТ, а так как в настоящее время наша промышленность еще изготовляет около 150 тыс. тормозных электромагнитов в год, при полном переходе на ЭГТ будет достигнута существенная экономия меди.

Таблица 5.6

Сравнительные технические данные электромагнитов и ЭГТ

Основные технические данные ЭГТ представлены в табл. 5.7.

Перед установкой толкатель следует расконсервировать, проверить сопротивление изоляции обмотки статора относительно корпуса электродвигателя и между фазами обмотки. Проверку изоляции следует производить мегомметром с напряжением 500 В. Сопротивление изоляции в холодном состоянии должно быть не менее 20 МОм. При меньшем сопротивлении изоляции двигатель нужно просушить при температуре не выше 100 °С, предварительно сняв его с толкателя.

Таблица 5.7

Основные технические данные электрогидравлических толкателей

В горячем состоянии сопротивление изоляции должно быть не ниже 0,5 МОм. Далее нужно проверить, полностью ли заполнен толкатель рабочей жидкостью (трансформаторным маслом), и при необходимости долить сухое трансформаторное масло. Масло должно обладать электроизоляционным свойством — пробивное напряжение его должно быть не менее 20 кВ/мм. Причиной снижения пробивного напряжения может быть только попадание влаги или проводящей жидкости в масло. В этом случае масло требуется заменить, проверив изоляцию обмоток.

Электрогидравлический толкатель наполняется маслом в вертикальном положении через отверстие в крышке. Масло заливают через сетку-фильтр, чтобы твердые частицы не попали внутрь толкателя. При заполнении толкателя маслом воздух должен быть полностью удален из-под поршня и из электродвигателя. Для этого через 2—3 мин после заполнения толкателя маслом до максимального уровня закрывают пробкой отверстие и включают толкатель кратковременно несколько раз с нагрузкой на штоке, затем доливают масло до тех пор, пока он не начнет подниматься по наливному каналу. При заливке масла меньше нормы толкатель будет работать в неустойчивом режиме или шток вообще не поднимается.

Трансформаторное масло является рабочей жидкостью для всех типов толкателей. Однако при температуре от —40 до 10 °С толкатели ТЭГ-16 и ТЭГ-25 должны работать на масле ПГ-271, а толкатели ТГМ-25, ТГМ-50 и ТГМ-80 при температуре от —40 до 15 °С — на масле АМГ-10.

При отсутствии масла ПГ-271 и АМГ-10 толкатели могут работать при пониженных температурах на трансформаторном масле. В этом случае время рабочего хода толкателя при первых включениях несколько увеличится вследствие повышения вязкости масла. Чтобы снизить вязкость масла, необходимо несколько раз кратковременно включить толкатель на 10—20 ее интервалами 1—2 мин; масло немного разогреется, и толкатель будет работать нормально.

Нормальное рабочее положение толкателя вертикальное, штоком вверх, так как вверху расположен воздушный компенсатор. Допустимо отклонение аппарата от вертикали не более 15°, при больших отклонениях рабочая жидкость может смешаться с воздухом компенсатора, что приведет к некоторому снижению усилия на штоке и увеличению времени рабочего хода.

При работе на открытом воздухе ЭГТ необходимо защищать кожухом от прямого попадания атмосферных осадков, чтобы влага с крышки толкателя не могла быть втянута внутрь аппарата при обратном ходе штока. При установке ЭГТ на тормозе ход поршня должен использоваться на 2/3, чтобы по мере износа тормозных лент, когда ход поршня станет близким к номинальному, можно было произвести регулировку тормоза. В противном случае при износе тормозных накладок тормоз замыкаться не будет.

Через каждые три-четыре месяца необходимо проверять уровень масла и его качество. Масло в процессе эксплуатации стареет, в результате чего ухудшаются его электроизоляционные и смазочные свойства, увеличивается вязкость, масло темнеет. Поскольку процесс старения протекает неинтенсивно, з течение нескольких лет, вполне достаточно менять масло через два-три года. Возможные неисправности толкателей и способы их устранения приведены в табл. 5.8.

21. Электромагнитные исполнительные устройства

Глава 21

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

§ 21.1. Назначение электромагнитных исполнительных устройств

Исполнительные устройства в системах автоматики предназначены для приведения в действие (т. е. для привода) раз­личных регулирующих органов, оказывающих непосредственное воздействие на объект управления с целью достижения выходной величиной этого объекта требуемого значения. Существует боль­шое разнообразие регулирующих органов: для изменения подачи жидкостей и газов в трубопроводах устанавливаются заслонки, клапаны, шиберы и краны; в подъемно-транспортных устройствах это различные контакторы, муфты, тормоза, вариаторы скорости; в осветительных и нагревательных электроустановках это различ­ные коммутационные аппараты.

Для воздействия па регулирующие органы необходимо выпол­нить механическую работу: повернуть заслонку или крап, соеди­нить две половинки муфты, переместить шестерню на валу короб­ки передач, замкнуть контакты и т. д. Входным сигналом испол­нительного устройства в электрических системах автоматики яв­ляется электрический ток или напряжение, а выходным сигна­лом — механическое перемещение.

Для преобразования электрической энергии в механическую служат электромагниты и электродвигатели. В данной главе будут рассмотрены только электромагнитные исполнительные устройст­ва. Электродвигатели являются электрическими машинами и изу­чаются в соответствующем курсе. Следует отметить, что почти всегда, когда ставится вопрос о разработке привода для регули­рующего органа, приходится делать выбор между двумя вариан­тами: электромагнит или электродвигатель. Основное преимуще­ство электромагнита — простота конструкции. У электродвигателя достоинств больше: высокий КПД, возможность получения любых скоростей и перемещений. Однако эти преимущества проявляются только в сравнительно сложных системах автоматики и при про­должительном режиме работы. При необходимости иметь неболь­шие перемещения (несколько миллиметров) и усилия (несколько десятков—сотен ньютон) электромагниты выгоднее, чем электро­двигатель с редуктором.

В предыдущих главах уже рассматривались электромагниты, используемые как составная часть электромагнитных реле и кон­такторов. В данной главе будут рассмотрены общие вопросы клас­сификации электромагнитов, их расчета, конструирования, приме­нения в качестве исполнительных элементов систем автоматики.

§ 21.2. Классификация электромагнитов

В зависимости от вида тока в обмотке электромагниты подразделяют на электромагниты постоянного и переменного то­ков, по скорости срабатывания — на быстродействующие, нор­мальные и замедленного действия. По назначению электромагни­ты разделяют на приводные и удерживающие.

Приводные электромагниты служат для выполнения механиче­ской работы. При подаче питания они перемещают различные ис­полнительные устройства: клапаны, толкатели, заслонки, золотни­ки, железнодорожные стрелки. Они перемещают контакты реле и контакторов, печатающие и перфорирующие устройства. Для выполнения этой работы электромагниты должны быть рассчита­ны на определенную силу и перемещение.

Удерживающие электромагниты служат не для перемещения, а лишь для удерживания ферромагнитных деталей. Например, электромагнит, используемый при подъеме железного металлоло­ма, только удерживает его, а перемещение осуществляется подъ­емным крапом. В этом случае, электромагнит выполняет лишь роль крюка подъемного крана. В металлообработке используются эле­ктромагнитные плиты для фиксации обрабатываемой детали на станке. Известны также электромагнитные замки. Поскольку удерживающие электромагниты не совершают работы, они рассчи­тываются лишь на определенное усилие. В некоторых случаях электромагнит имеет две катушки: одна, более мощная, исполь­зуется для перемещения якоря, а другая — лишь для удерживания якоря в притянутом положении.

Велико разнообразие электромагнитов специального назначе­ния. Они используются для фокусировки электронных пучков в телевидении, в ускорителях элементарных частиц, в разнообразных измерительных приборах, в медицинской аппаратуре и т. д.

По конструктивному выполнению различают клапанные (по­воротные), прямоходовые и электромагниты с поперечным движе­нием. Клапанные электромагниты имеют» небольшое перемещение якоря (несколько миллиметров) и развивают большое тяговое усилие.

Прямоходовые электромагниты имеют большой ход якоря и большее быстродействие; по размерам они меньше, чем клапан­ные. Часто они представляют собой соленоид (цилиндрическую катушку, втягивающую в себя ферромагнитный стержень), поэто­му их иногда называют соленоидными электромагнитами.

Рис. 21.1. Варианты конструктивных схем электромагнитов

Различные конструкции электромагнитов показаны на рис. 21.1. Несмотря на большое их многообразие (далеко не все возможные конструкции показаны на этом рисунке), все они состоят из ка­тушки 1, якоря (подвижного магнитопровода) 2, неподвижного магнитопровода (сердечника 3 и ярма 4). Кроме того, они имеют различные пружины, крепежные, фиксирующие и передающие де­тали, корпус. По конструкции магнитной цепи различают электро­магниты с разомкнутым (рис. 21.1, г, е) и замкнутым магнитопроводом (рис. 21.1, а, б, в, д, ж, з). По форме магнитопровода различают электромагниты с П-образным, Ш-образным и цилинд­рическим магнитопроводом.

Магнитопроводы электромагнитов постоянного тока обычно выполняются сплошными из магнитомягких материалов: обычных конструкционных сталей и низкоуглеродистых электротехнических сталей. Высокочувствительные электромагниты имеют магнитопровод из пермаллоев (сплавов железа с никелем и кобальтом). В быстродействующих электромагнитах стремятся к уменьшению вихревых токов, для чего используют электротехнические кремни­стые стали с повышенным электрическим сопротивлением и ших­тованный (наборный) магнитопровод.

Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод эле­ктромагнитов переменного тока собирают (шихтуют) из изолиро­ванных пластин толщиной 0,35 или 0,5 мм. В качестве материала используются горячекатаные и холоднокатаные электротехниче­ские стали. Отдельные части магнитопровода, которые трудно вы­полнить шихтованными, изготовляют из сплошного материала тол­щиной 2—3 мм.

Катушки электромагнитов по своей конструкции бывают кар­касные и бескаркасные, а по форме сечения — круглые и прямо­угольные. Провод каркасной катушки наматывают па каркас из изоляционного материала (текстолит, гетинакс, пластмасса). Про­вод бескаркасной катушки наматывают прямо на сердечник, об­мотанный изоляционной лентой, или па специальный шаблон. Для обеспечения прочности катушки, выполненной на шаблоне, ее об­матывают лентой (бапдажируют) и пропитывают компаундным лаком. Катушки, как правило, наматывают медным проводом с изоляцией, выбираемой исходя из назначения и условий работы электромагнита.

В зависимости от способа включения различают последова­тельные и параллельные катушки. Параллельные катушки име­ют большое число витков и наматываются тонким проводом. Обычно они включаются на полное напряжение сети. Последова­тельные катушки имеют сравнительно малое сопротивление, так как выполняются толстым проводом и с малым числом витков. Ток такой катушки определяется не ее сопротивлением, а зависит от тех устройств, с которыми катушка включена последовательно.

Различают также электромагниты, предназначенные для дли­тельной, кратковременной и повторно-кратковременной работы.

§ 21.3. Порядок проектного расчета электромагнита

Исходными данными для расчета электромагнита обыч­но являются требуемое тяговое усилие Fэ, ход (или угол поворо­та) якоря и напряжение питания U. Кроме того, в задании на проектирование указываются режим работы электромагнита и ус­ловия эксплуатации. Могут быть заданы требуемые быстродейст­вие, габариты, вес, стоимость.

В результате расчета необходимо выбрать конструкцию элект­ромагнита, материал магнитопровода, определить геометрические размеры магнитопровода и катушки, обмоточные данные.

На первом этапе проектного расчета необходимо выбрать кон­струкцию электромагнита, используя понятие конструктивного фактора А. Эта величина определяется в зависимости от тягового усилия и хода якоря :

(21.1)

где — в Н; — в см.

При используют прямоходовый электромагнит соленоидного типа; при —прямоходовый с коническим стопой; при -прямоходовый с плоским стопом; при 2,6<<26 — с поворотным якорем клапанного типа.

Форму электромагнита выбирают с учетом необходимой тя­говой характеристики. На рис. 21.2 показаны типичные тяговые

характеристики электромагнитов. Если не­обходимо иметь пологую тяговую характе­ристику 1, то следует применять прямохо­довый электромагнит, если крутую 2 — кла­панный электромагнит. Ш-образпая форма электромагнита (5) используется преиму­щественно в схемах переменного тока.

На втором этапе выбирается индукция и определяется сечение магнитопровода.

Сила притяжения якоря в основном соз­дается магнитным потоком в воздушном зазоре. Поэтому при проектном расчете влияние на тяговую силу потоков рассея­ния обычно не учитывается. Оптимальный магнитный поток и индукция в рабочем воздушном зазоре может находиться в весьма широких пределах и зависит от соотношения между тяговым усилием и величиной хода, т. е. от конструктивного фактора А. На рис. 21.3 приведены зависимости индукции от конструктивного фактора для трех конструкций электромагнитов (с плоским стопом, с коническим стопом, клапанного типа). После выбора по этим кривым индук­ции можно определить площадь сечения полюсного наконеч­ника. Напомним формулу (17.13), связывающую тяговое усилие синдукцией в зазоре и сечением полюсного наконечника При определении диаметра сердечника необходимо предвари­тельно задаться индукцией в стали и коэффициентом рассея­ниямагнитной системы. Для мощных электромагнитовпри­нимается в пределах , для небольших магнитных си­стем реле — в пределах от . Коэффициент рассеяния Меньшие значения берутся при малых ходах якоря, большие — для перемещений в несколько сантиметров. Сечение сердечника определяется по формуле

(21.2)

Сечение ярма обычно принимается равным сечению сердечника , а сечение якоря — меньшим:

(21.3)

На следующем этапе определяются геометрические размеры электромагнита, связанные с размещением катушки. При протека­нии по катушке с числом витков тока катушка должна соз­дать МДС, обеспечивающую индукцию в зазоре . Так как часть этой МДС теряется в паразитных зазорах и в стали магнитопро­вода, то следует учесть долю МДС, не участвующую в создании

Рис. 21.3. Зависимость индукции в зазоре электромагнита и размеров катушки от величины конструктивного фактора

требуемого тягового усилия. Введем коэффициент , представляю­щий собой отношение МДС, не участвующей в создании тягового усилия, к общей МДС катушки. Тогда, полагая проводимость воз­душного зазора , определяем полную МДС катушки:

(21.4)

Ее можно уточнить при расчете магнитной цепи с использованием кривых намагничивания для выбранного материа­ла магнитопровода.

Соотношение высоты обмоточного пространства катушки к его ширине обычно выбирается по конструктивному фактору (нижняя кривая на рис. 21.3). Конкретные размеры ка­тушки выбирают на основании условий нагрева катушки. При этом учитываются режим работы, коэффициент теплоотдачи , способ намотки, влияющий на коэффициент заполнения , изоляция про­вода, определяющая допустимую температуру . Кроме того, необходимо учесть и возможность снижения напряжения питания до

С учетом этих факторов ширина обмоточного пространства ка­тушки определяется по формуле

(21.5)

Зная размеры катушки, можно определить все размеры магнитопровода электромагнита: высоту сердечника и ярма, расстояние между ними и т. д.

§ 21.4. Особенности расчета электромагнитов переменного тока

В электромагнитах переменного тока индукция в маг­нитной цепи изменяется по синусоидальному закону. Так как мак­симальное (амплитудное) значение индукции враз больше действующего значения, а величина тягового усилия пропорцио­нальна квадрату индукции, то электромагнит переменного тока при одинаковой степени насыщения магнитопровода развивает в два раза меньшее значение тягового усилия. Поэтому при опреде­лении конструктивного фактора для электромагнита переменного тока принимается удвоенное значение тягового усилия»

(21.6)

Оптимальные соотношения между высотой и шириной обмоточ­ного пространства катушки t = h/a получаются меньшими, чем для электромагнитов постоянного тока. Поэтому катушки элект­ромагнитов переменного тока будут короче и толще. Более корот­кая катушка уменьшает длину сердечника и его объем, что при­водит к снижению потерь в стали, вызванных гистерезисом и вих­ревыми токами. Этих потерь не было в электромагнитах постоян­ного тока. Там стремились к уменьшению потерь в меди, что обе­спечивалось уменьшением средней длины витка катушки за счет малой ее толщины. В электромагнитах переменного тока надо стремиться к уменьшению суммарных потерь (и в меди, и в ста­ли).

При уточненном расчете электромагнитов необходимо учиты­вать потоки рассеяния и падения МДС в нерабочих зазорах и в стали. Кроме того, в электромагнитах переменного тока необхо­димо учитывать потери на гистерезис и на вихревые токи в магнитопроводе

Эти потери пропорциональны частоте питания, массе магнито­провода и индукции в квадрате. Для материалов, используемых в магнитной цепи электромагнита, в справочниках приводятся удельные потери (в зависимости от толщины листа и частоты) на единицу массы.

Число витков обмотки электромагнита переменного тока

(21.7)

Диаметр провода определяется по допустимой с точки зрения нагрева плотности тока. При этом ток определяется с учетом по­терь в стали:

(21.8)

где —ток потерь в стали; —ток намагничивания.

Значения и можно определить с помощью электрической схемы замещения электромагнита (рис. 21.4). На схеме приняты следующие обозначения:—активное сопротивление обмотки;

— индуктивное сопротивление, со­ответствующее рабочему потоку; — индуктивное сопротивление, соответ­ствующее потоку рассеяния; —ак­тивное сопротивление, обусловленное потерями в магнитопроводе на гисте­резис и вихревые токи.

Если пренебречь падением напря­жения на активном сопротивлении об­моткии потоком рассеяния, то ток потерь

(21.9)

Намагничивающий ток, создающий рабочий магнитный поток, определяется по МДС (). Если пренебречь падением МДС в стали и нерабочих зазорах, то

где—действующеезначение переменного магнитного потока в рабочем зазоре; —магнитная проводимость рабочего зазора.

Предварительный расчет электромагнита с короткозамкнутым витком проводится без учета экранирующего действия этого вит­ка. Точный расчет параметров короткозамкнутого витка довольно сложен. На практике его выполняют из меди или латуни таким образом, чтобы он охватывал примернополюса электромагни­та. При Ш-образном магнитопроводе короткозамкнутый виток 3 располагается на среднем (рис. 21.5, а) или на крайних стержнях (рис. 21.5, б). С витком на среднем стержне выполнены широко распространенные электромагниты серии МИС. Для уменьшения падения МДС в нерабочем зазоре между якореми сердечником 2 имеется так называемый воротничок 5. Номинальное тяговое усилие электромагнитов серии МИС изменяется от 15 до 120 Н при ходе якоря 15—30 мм. Механическая износостойкость состав­ляет примерно 106 циклов включений-отключений.

С витками на крайних стержнях (рис. 21.5, б) вы­ полнены длинноходовые электромагниты серии ЭД. Они имеют Т-образный якорь 1. Тяговое усилие соз­дается во всех трех стерж­нях, т. е. магнитная цепь со­держит три рабочих зазора. Тяговое усилие электромаг­нитов серии ЭД достигает 250 Н при максимальном перемещении якоря до 40 мм. Электромагниты срабатывают при подаче тока в об­мотку 4.

§ 21.5. Электромагнитные муфты

Электромагнитная муфта предназначена для передачи вращающего момента двигателя к рабочему механизму. Муфта состоит из двух частей: ведущей и ведомой, — которые образуют замкнутую магнитную систему. Муфта выполнена из ферромагнит­ных материалов и имеет одну или несколько обмоток возбужде­ния.

Различают фрикционные муфты и асинхронные (индукцион­ные) муфты. Во фрикционных муфтах передача вращения проис­ходит за счет силы трения между ведущей частью, закрепленной на валу электродвигателя, и ведомой частью, которая может пе­ремещаться вдоль вала рабочего механизма на шлицах или шпон­ке. При подаче тока в обмотку возбуждения создается магнито­движущая сила и подвижная часть муфты прижимается к непо­движной. Такая муфта работает как электромагнит. Для передачи значительных моментов используются многодисковые конструкции электромагнитных муфт. Как на ведущем, так и на ведомом валу имеется несколько стальных дисков, которые под действием МДС притягиваются друг к другу и благодаря трению их поверхностей передается вращение. Соприкасающиеся поверхности фрикцион­ных муфт выполняют из специального материала — сплава фер-радо, имеющего коэффициент трения в 3—4 раза больший, чем у стали.

Различают конструкции электромагнитных фрикционных муфт с неподвижной катушкой электромагнита и с вращающейся ка­тушкой.

В маломощных муфтах (рис. 21.6, а) ведущая 1 и ведомая 2 полумуфты не имеют обмоток, но одна из них (обычно ведомая) может перемещаться вдоль вала по шпонке или шлицам. Обе муфты окружены неподвижной катушкой электромагнита 3, которая при подключении к напряжению создает магнитный поток. Воз­никающие электромагнитные силы прижимают ведомую полумуф­ту к ведущей. Момент трения между полумуфтами должен быть больше момента нагрузки на ведомом валу. При отключении ка­тушки муфты неподвижная полумуфта отжимается от подвижной с помощью пружины (на рисунке не показана). Обычно эта же пружина прижимает полумуфту к тормозным поверхностям, что

обеспечивает быструю остановку ведомого вала. В мощных муф­тах (рис. 21.6, б) для увеличения величины передаваемого момен­та в подвижной части муфты используется несколько стальных дисков 2, имеющих свободу перемещения вдоль оси вращения ве­дущего и ведомого валов. Соответствующее количество стальных дисков 1 жестко закреплено на ведущем валу. На этом же валу закреплена катушка электромагнита 3, подача тока к которой осуществляется с помощью контактных колец и щеток. Электро­магнитные силы притягивают подвижные диски к неподвижным. Большая площадь соприкосновения обеспечивает большой момент трения.

В электромагнитных муфтах с ферромагнитным наполнителем (рис. 21.6, в) передача вращения осуществляется за счет того, что зазор между ведомой 1 и ведущей 2 полумуфтами заполнен смесью 4 из зерен ферромагнитного материала и наполнителя. При пропускании тока через катушку 3 муфты создается магнит­ный поток, заставляющий ферромагнитные зерна ориентироваться вдоль силовых линий и образовывать мостики, связывающие ве­дущую и ведомую полумуфты. Зерна ферромагнитного материала имеют размеры от 4 до 50 мкм. Наполнитель может быть сухим (тальк, графит) или жидким (трансформаторные и силиконовые масла, фтористые соединения).

Электромагнитные муфты с ферромагнитным наполнителем бо­лее надежны, чем фрикционные, имеют меньшее время срабаты­вания (до 20 мс). Необходима регулярная смена наполнителя.

В электромагнитных индукционных муфтах передача вращаю­щего момента происходит за счет индукционных токов, т. е. без непосредственного механического соприкосновения обеих частей муфты. Одна из частей муфты (рис. 21.7) имеет электромагнит­ные полюсы 1 с обмоткой возбуждения, питаемой постоянным то­ком. Она называется индуктором и конструктивно выполнена по­добно ротору синхронного генератора. Другая часть муфты имеет короткозамкнутую. обмотку 2, аналогичную роторной обмотке .асинхронного двигателя. Эта часть называется якорем. При вра­щении индуктора в обмотке якоря наводится ЭДС и идет ток. Взаимодействие этого тока с магнитным потоком возбуждения

создаст электромагнитный мо­мент, приводящий во вращение якорь. В муфте происходят те же физические процессы, что и в асинхронном электродвигателе. Разница заключается в том, что вращение магнитного поля в дви­гателе происходит при подаче трехфазного переменного тока в обмотку неподвижного статора, а в муфте вращение магнитного поля происходит за счет механи­ческого вращения индуктора, возбужденного постоянным током. Так же как и в асинхронном двигателе, вращающий момент возникает лишь при неодинаковой скорости индуктора и якоря. Ведомая часть муфты вращается с частотой , где

— частота вращения ведущего вала,—скольжение. Величина скольжения обычно составляет

Если момент нагрузки приводного механизма оказывается больше максимального момента муфты, то происходит опрокиды­вание— вращение ведомой части прекращается. Благодаря спо­собности к опрокидыванию муфта может защитить приводной двигатель от больших перегрузок. Величина вращающего момен­та, передаваемого муфтой, зависит от магнитного поля возбуж­дения. Изменяя ток возбуждения, можно регулировать величину критического момента муфты. Разница в скоростях вращения ве­домой и ведущей частей асинхронной муфты принципиально необ­ходима для создания вращающего момента на ведомой части. По­этому асинхронные муфты называют еще электромагнитными муф­тами скольжения. Они получили наибольшее распространение в качестве элемента регулируемого автоматизированного электро­привода переменного тока, включающего помимо муфты нерегу­лируемый электродвигатель и систему автоматического регули­рования тока возбуждения муфты. К достоинствам такого приво­да с муфтой скольжения относятся простота устройства и экс­плуатации, низкая стоимость, высокая надежность. Но с увеличе­нием скольжения растут потери мощности и КПД привода сни­жается.

Электромагнит и его применение

Если вместо нескольких витков провода взять катушку и намотать на нее много витков изолированного провода, то магнитное поле такой катушки, которое будет образованно при пропускании через нее электрического тока, будет значительно сильнее, чем магнитное поле соленоида (несколько витков).

Если же внутрь такой катушки поместить сердечник из мягкого железа (ферромагнитного мягкого материала), магнитное поле будет значительно увеличено. Такая катушка с сердечником будет называться электромагнитом, потому как при прохождении через неё электрического тока она будет приобретать свойства магнита.

Электромагниты получили колоссальное распространение во всех отраслях техники, хотя за последнее время цифровые устройства частично заместили устройства автоматики основанные на электромагнитах (реле), но тем не менее электромагниты не заменимы во многих, особенно силовых устройствах и аппаратах электротехники.

В быту самое очевидное и самое распространенное устройство с электромагнитом — это тот самый домофон на входной двери в подъезд или во двор дома, а если быть точнее — этот электромагнит обычно расположен вверху двери, он достаточно массивный и имеет неразборную конструкцию. Другое распространенное устройство с электромагнитом, работу которого можно наблюдать в повседневной жизни — это электромагнитный тормоз пассажирского, грузового или грузопассажирского лифта. В таком тормозе электромагнит обычно отключает тормоз при движении лифта, а при торможении вплоть до остановки лифта включает тормоз, причем ток протекает по катушке электромагнита когда нет необходимости в торможении. Дело в том, что в случае аварийной ситуации связанной с отсутствием электропитания лифта, когда ток не будет протекать в катушке электромагнита тормоза и, тем самым, электромагнит не будет в работе, механическая часть тормоза обеспечит торможение и не даст лифту бесконтрольно двигаться в опасном режиме.

В свое время революционным изобретением был электромагнитный телеграф Морзе, который как следует из названия основывается на работе электромагнита. В наше время, когда электромагнитный телеграф Морзе, пожалуй, можно найти только в политехническом музее, тем не менее нечто подобное используется в матричных принтерах, которые до сих пор используются в банках и в пунктах приёма платежей наличных денег. Какой же принцип используется в телеграфе Морзе и в матричных принтерах? Что тут общего в плане работы электромагнита? Общее в том, что когда по электромагниту протекает электрический ток, или начинает протекать, порождаемое им магнитное поле начинает действовать и тем самым с известной расчетной силой притягивает якорь к сердечнику электромагнита. Это похоже на выстрел или удар, особенно если практически сразу после этого электрическая цепь катушки электромагнита обрывается и якорь под действием механической пружины приходит в исходное состояние.

Электромагнит удивительным образом объединяет механические и электрические явления через магнетизм, порождает электротехнику во всём ее многообразии. Нечто похожее происходит при сочетании электромеханических устройств с различными полупроводниковыми приборами — это рождает автоматику и робототехнику. Тем не менее всё началось даже не с телефона, а с электромагнитного телеграфа Морзе.

Принцип работы электромагнитного телеграфа Морзе

На рисунке можно увидеть схему действия телеграфа Морзе. На отправительной станции устанавливается батарея Е и ключ К. Эти батарея и ключ соединены проводами с приёмной станцией, на которой эти провода присоединяются к электромагниту М. Над электромагнитном расположен якорёк Я, который в нормальном положении, при отсутствии тока в обмотке электромагнита, оттягивается от последнего с помощью пружины. Якорёк соединен с пером А, которое может писать на бумажной ленте, протягиваемой над этим пером. Перо касается ленты только тогда, когда якорёк находится в притянутом к электромагниту положении; Когда якорёк не притянут — перо не касается ленты и не пишет на ней.

Когда на отправительной станции ключ нажат (цепь замкнута), ток проходит через электромагнит, якорёк притягивается, и перо чертит линию на ленте; при разомкнутом ключе цепь разрывается, и перо не пишет. Нажимая ключ на короткое и более продолжительное время, мы получаем на ленте короткие и длинные чёрточки, из которых и составляются буквы по общеизвестной азбуке Морзе.

Общая характеристика

Электромагнит – это простая катушка провода, которая подключена к источнику, передающему постоянный ток.

Подключившись к источнику постоянного тока (а также напряжения), катушка и провод начинают получать энергетические ресурсы и создают магнитное поле, которое является подобным полю, что образуется в постоянных полосовых магнитах. Плотность, которой обладает магнитный поток, всегда является пропорциональной величине электрического тока, протекающего сквозь толщу катушки. Полярность электромагнита определяют по направлению тока. Механизм образования включает в себя (самый простой вариант) наматывание провода вокруг сердечника, выполненного из металла, через который потом пропускают электричество из определенного источника. Если внутренняя полость катушка заполнена воздухом, то ее называют соленоидом.

Электромагнит – это устройств, посредством которого можно создавать электромагнитное поле. Главной характеристикой является его способность контролировать силу данного поля, полярность и ее форму. При этом силу магнитного поля контролируют посредством величины использованного электрического тока, который протекает сквозь катушку. Полярность можно задавать, определив в каком направлении нужно двигать протекающий ток. Форма магнитного поля зависит от формы металлической сердцевины, служащей «стержнем» для обмотки проводом. Не забывайте, что полюса электромагнита определяются аналогично тому, как это делают в соленоидах, по физическому правилу правой руки. П.П.Р. также называют правилом буравчика, являющегося мнемоническим средством, посредством которого определяют направление векторных произведений и правого базиса.

Увеличивать силу электромагнита, а точнее его поля, можно при помощи:

  • применения сердечников из «мягкого» железа;
  • применения больших чисел витков;
  • применения электрического тока в больших размерах.

Основная классификация

Существует три основных способа классификации электромагнитов. Они обусловлены током в электромагнитах и способом его создания:

  • Нейтральный э/м постоянного тока – устройство, в котором магнитный поток создают так, что сила притяжения становится зависимой только от размерности и скорости подачи постоянного тока, а его направление в обмотке ни на что не влияет.
  • Поляризованный э/м постоянного тока – устройство, внутрь которого помещают 2 независимых магнитных потока: поляризующий и рабочий. Второй создают при помощи рабочей обмотки. Поляризующиеся потоки своим образованием обязаны постоянными магнитными полями, реже дополнительным электромагнитам. Данные потоки необходимы для создания притягивающих сил в магните. Деятельность такого устройства обуславливается направлением и/или величиной электрического тока в обмотке, выполняющего работу.
  • Э/м переменного тока – устройств, обмотку которого питает источник переменного тока. Течение потока магнитной природы может периодически изменяться по своему направлению и размерности (величине). Потенциал однонаправленной силы, отвечающей за притяжение, меняться может только по своей величине, что приводит к пульсации этой силы в размере от нуля до максимально предельных значений с частотой вдвое большей, чем частота подпитывающего тока. Чаще всего используются в бытовой технике.

Способы эксплуатации

Наиболее широкой и важной областью применения электромагнитов является сфера конструирования и эксплуатации электрических машин и аппаратов, входящих в систему автоматики в промышленности. Другой важной областью является аппаратура регулировки и защиты электротехнических объектов/установок. Также электромагниты применяются при изготовлении разнообразных механизмов, в роли привода по которому осуществляется необходимое поступательное перемещение (поворот) рабочего органа определенной машины или для создания удерживающих сил. Примером последних функций может служить электромагнит в составе грузоподъемного механизма/машины. Существуют электромагниты муфт, необходимых для начала действия торможения или установления сцепления (в машинах), электромагниты, применяемых в пускателях, устройствах контактора и выключателя, а также их используют при создании электроизмерительных приборов и т. д.

Электромагниты – это устройства, которые являются перспективными при конструировании тяговых приводов в скоростных транспортных средствах, где с их помощью создают магнитную подушку. В настоящее время и медицина не обходится без использования электромагнитов. При проведении химических, биологических и физических экспериментов их нередко применяют. Благодаря широте эксплуатации и конструктивном исполнении, а также масштабе и затратам энергии, электромагниты являются доступными как в быту, так и в любых других сферах деятельности человека. Вес электромагнитов может варьироваться от нескольких грамм до сотни тон, а потребляемое электричество расходуется – от доли Вт до многих десятков МВт.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *