Elektromagnetische apparaten: doel, typen, vereisten, ontwerp

Doel van elektromagnetische apparaten

De productie, transformatie, transmissie, distributie of consumptie van elektrische energie wordt uitgevoerd met behulp van elektrische apparaten. Van al hun verscheidenheid selecteren we elektromagnetische apparaten, waarop het werk is gebaseerd over het fenomeen elektromagnetische inductievergezeld van het verschijnen van magnetische fluxen.

Statische elektromagnetische apparaten omvatten smoorspoelen, magnetische versterkers, transformatoren, relais, starters, schakelaars en andere apparaten. Roterend - elektromotoren en generatoren, elektromagnetische koppelingen.

Een set ferromagnetische delen van elektromagnetische apparaten die zijn ontworpen om het grootste deel van de magnetische flux te geleiden, genaamd magnetisch systeem van een elektromagnetisch apparaat… Een bijzondere structurele eenheid van zo'n systeem is magnetisch circuit… Magnetische fluxen die door magnetische circuits gaan, kunnen gedeeltelijk worden opgesloten in een niet-magnetisch medium, waardoor verdwaalde magnetische fluxen ontstaan.

Magnetische fluxen die door een magnetisch circuit gaan, kunnen worden gecreëerd met behulp van directe of wisselende elektrische stromen die in een of meer stromen inductieve spoelen… Zo'n spoel is een elektrisch circuitelement dat is ontworpen om zijn eigen inductantie en/of zijn eigen magnetische veld te gebruiken.

Er worden een of meer spoelen gevormd liquidatie… Het deel van het magnetische circuit waarop of waar de spoel zich omheen bevindt, wordt genoemd kern, wordt het deel genoemd waarop of waarom de spoel zich niet bevindt juk.

De berekening van de belangrijkste elektrische parameters van elektromagnetische apparaten is gebaseerd op de wet van de totale stroom en de wet van elektromagnetische inductie. Het fenomeen van wederzijdse inductie wordt gebruikt om energie van het ene elektrische circuit naar het andere over te dragen.

Zie hier meer details: Magnetische circuits van elektrische apparaten en hier: Waar is de berekening van het magnetische circuit voor?

Vereisten voor magnetische circuits van elektromagnetische apparaten

De vereisten voor magnetische kernen zijn afhankelijk van het functionele doel van de elektromagnetische apparaten waarin ze worden gebruikt.

In elektromagnetische apparaten kunnen zowel constante als wisselende magnetische fluxen worden gebruikt. Permanente magnetische flux veroorzaakt geen energieverliezen in magnetische circuits.

Magnetische kernen die werken onder blootstellingsomstandigheden constante magnetische flux (bijv. bedden voor gelijkstroommachines) kunnen worden gemaakt van gegoten onbewerkte stukken met daaropvolgende bewerking. Met een complexe configuratie van magnetische circuits is het voordeliger om ze uit verschillende elementen te vervaardigen.

De passage door de magnetische circuits van een wisselende magnetische flux gaat gepaard met energieverliezen, die worden genoemd magnetische verliezen… Ze zorgen ervoor dat de magnetische circuits opwarmen. Het is mogelijk om de opwarming van de magnetische kernen te verminderen door speciale maatregelen voor hun koeling (bijvoorbeeld werken in olie). Dergelijke oplossingen bemoeilijken hun ontwerp, verhogen de kosten van hun productie en werking.

Magnetische verliezen bestaan ​​uit:

• verlies van hysteresis;

• wervelstroomverliezen;

• extra verliezen.

Hysteresisverliezen kunnen worden verminderd door gebruik te maken van ferromagneten met zachte magneten met een smalle hysterese circuit.

Wervelstroomverliezen worden meestal verminderd door:

• gebruik van materialen met een lagere specifieke elektrische geleidbaarheid;

• de productie van magneetkernen uit elektrisch geïsoleerde stroken of platen.

Verdeling van wervelstromen in verschillende magnetische circuits: a — in gieten; b - in een set onderdelen gemaakt van plaatmateriaal.

Het middelste deel van het magnetische circuit wordt in grotere mate bedekt door wervelstromen in vergelijking met het oppervlak, wat leidt tot een "verplaatsing" van de magnetische hoofdflux naar het oppervlak van het magnetische circuit, dat wil zeggen dat er een oppervlakte-effect optreedt.

Dit leidt ertoe dat bij een bepaalde frequentiekarakteristiek van het materiaal van dit magnetische circuit de magnetische flux volledig geconcentreerd zal zijn in een dunne oppervlaktelaag van het magnetische circuit, waarvan de dikte wordt bepaald door de penetratiediepte bij een bepaalde frequentie .

De aanwezigheid van wervelstromen in een magnetische kern van een materiaal met een lage elektrische weerstand leidt tot overeenkomstige verliezen (wervelstroomverliezen).

De taak om wervelstroomverliezen te verminderen en de magnetische flux maximaal te behouden, wordt opgelost door magnetische circuits te vervaardigen uit afzonderlijke onderdelen (of hun onderdelen), die elektrisch van elkaar zijn geïsoleerd. In dit geval blijft de dwarsdoorsnede van het magnetische circuit ongewijzigd.

Platen of stroken gestanst uit plaatmateriaal en gewikkeld op een kern worden veel gebruikt. Er kunnen verschillende technologische methoden worden gebruikt om de oppervlakken van platen (of stroken) te isoleren, waarvan het aanbrengen van isolerende vernissen of email het vaakst wordt toegepast.

Een magnetisch circuit gemaakt van afzonderlijke onderdelen (of hun onderdelen) maakt het volgende mogelijk:

• vermindering van wervelstroomverliezen als gevolg van de loodrechte opstelling van de platen ten opzichte van de richting van hun circulatie (in dit geval neemt de lengte van de circuits waarlangs wervelstromen kunnen circuleren af);

• om een ​​verwaarloosbare ongelijkmatige verdeling van de magnetische flux te verkrijgen, aangezien bij een kleine dikte van het plaatmateriaal, evenredig met de penetratiediepte, het afschermende effect van de wervelstromen klein is.

Aan de materialen van de magnetische kernen kunnen andere eisen worden gesteld: temperatuur- en trillingsbestendigheid, lage kosten, enz. Bij het ontwerpen van een specifiek apparaat wordt het zachtmagnetische materiaal geselecteerd waarvan de parameters het beste voldoen aan de gestelde eisen.

Ontwerp van magnetische kernen

Afhankelijk van de productietechnologie kunnen de magnetische kernen van elektromagnetische apparaten worden onderverdeeld in 3 hoofdgroepen:

• gelamelleerd;

• plakband;

• gevormd.

Lamellaire magnetische circuits worden gerekruteerd uit afzonderlijke, elektrisch geïsoleerde platen van elkaar, wat het mogelijk maakt om wervelstroomverliezen te verminderen. Bandmagneetkernen worden verkregen door een band van een bepaalde dikte op te winden. In dergelijke magnetische circuits wordt het effect van wervelstromen aanzienlijk verminderd, omdat de stripvlakken bedekt zijn met een isolerende lak.

De gevormde magnetische kernen worden geproduceerd door gieten (elektrisch staal), keramische technologie (ferrieten), mengen van componenten gevolgd door persen (magneto-diëlektrica) en andere methoden.

Bij de fabricage van het magnetische circuit van een elektromagnetisch apparaat is het noodzakelijk om het specifieke ontwerp ervan te waarborgen, dat wordt bepaald door vele factoren (apparaatvermogen, werkfrequentie, enz.), inclusief de aanwezigheid of afwezigheid van directe of omgekeerde conversie van elektromagnetische energie in mechanische energie in het apparaat.

De ontwerpen van apparaten waarin een dergelijke transformatie plaatsvindt (elektromotoren, generatoren, relais, enz.) bevatten onderdelen die bewegen onder invloed van elektromagnetische interactie.

Apparaten waarin elektromagnetische inductie geen omzetting van elektromagnetische energie in mechanische energie veroorzaakt (transformatoren, smoorspoelen, magnetische versterkers, enz.) Worden statische elektromagnetische apparaten genoemd.

In statische elektromagnetische apparaten worden, afhankelijk van het ontwerp, meestal gepantserde, staaf- en ringmagnetische circuits gebruikt.

Gegoten magnetische kernen kunnen een complexer ontwerp hebben dan vellen en strips.

Gevormde magnetische kernen: a — rond; b — d — gepantserd; d — beker; f, g — rotatie; h — veel openingen

Gepantserde magnetische kernen onderscheiden zich door hun eenvoud van ontwerp en, als gevolg daarvan, maakbaarheid. Bovendien biedt dit ontwerp een betere (vergeleken met andere) spoelbescherming tegen mechanische invloeden en elektromagnetische interferentie.

Kern magnetische circuits zijn anders:

• goede koeling;

• lage gevoeligheid voor storingen (aangezien de EMF van in naburige spoelen geïnduceerde storingen een tegengesteld teken heeft en gedeeltelijk of volledig wordt gecompenseerd);

• minder (ten opzichte van het pantser) gewicht met dezelfde kracht;

• minder (ten opzichte van bepantsering) dissipatie van magnetische flux.

De nadelen van apparaten op basis van staafmagnetische circuits (ten opzichte van apparaten op basis van gepantserde circuits) zijn de bewerkelijkheid van het vervaardigen van spoelen (vooral wanneer ze op verschillende staven worden geplaatst) en hun zwakkere bescherming tegen mechanische invloeden.

Vanwege de lage lekstromen onderscheiden magnetische ringcircuits zich enerzijds door een goede geluidsisolatie en anderzijds door een klein effect op nabijgelegen elementen van elektronische apparatuur (REE). Om deze reden worden ze veel gebruikt in producten voor radiotechniek.

De nadelen van cirkelvormige magnetische circuits houden verband met hun lage technologie (moeilijkheden bij het opwinden van de spoelen en het installeren van elektromagnetische apparaten op de plaats van gebruik) en beperkt vermogen - tot honderden watt (dit laatste wordt verklaard door de verwarming van het magnetische circuit, die geen directe koeling heeft vanwege de windingen op de spoel).

De keuze van het type en type van het magnetische circuit wordt gemaakt rekening houdend met de mogelijkheid om de kleinste waarden van zijn massa, volume en kosten te verkrijgen.

Voldoende complexe structuren hebben magnetische circuits van apparaten waarin elektromagnetische energie direct of omgekeerd wordt omgezet in mechanische energie (bijvoorbeeld magnetische circuits van roterende elektrische machines). Dergelijke apparaten gebruiken gegoten of plaatmagnetische circuits.

Soorten elektromagnetische apparaten

Gas geven — een apparaat dat wordt gebruikt als inductieve weerstand in wissel- of pulserende stroomcircuits.

Magnetische kernen met een niet-magnetische tussenruimte worden gebruikt in AC-smoorspoelen die worden gebruikt voor energieopslag en in afvlakspoelen die zijn ontworpen om gelijkgerichte stroomrimpels glad te strijken. Tegelijkertijd zijn er smoorspoelen waarin de grootte van de niet-magnetische opening kan worden aangepast, wat nodig is om de inductantie van de smoorspoel tijdens zijn werking te veranderen.

Het apparaat en het werkingsprincipe van de elektrische gashendel

Magnetische versterker - een apparaat bestaande uit een of meer magnetische circuits met spoelen waarmee de stroom of spanning in grootte kan worden veranderd in een elektrisch circuit dat wordt gevoed door een wisselspanning of wisselstroombron, gebaseerd op het gebruik van het fenomeen van verzadiging van ferromagneet onder invloed van een permanent biasveld.

Het werkingsprincipe van de magnetische versterker is gebaseerd op een verandering in de differentiële magnetische permeabiliteit (gemeten op een wisselstroom) met een verandering in de directe voorstroom, daarom is de eenvoudigste magnetische versterker een verzadigde smoorspoel met een werkende spoel en een besturingselement spoel.

Transformator wordt een statisch elektromagnetisch apparaat genoemd dat twee (of meer) inductief gekoppelde spoelen heeft en is ontworpen om door elektromagnetische inductie een of meer AC-systemen om te zetten in een of meer andere AC-systemen.

Het vermogen van de transformator wordt bepaald door de maximaal mogelijke inductie van het magnetische kernmateriaal en de afmetingen ervan. Daarom worden de magnetische kernen (meestal van het staaftype) van krachtige vermogenstransformatoren samengesteld uit platen elektrisch staal met een dikte van 0,35 of 0,5 mm.

Het apparaat en het werkingsprincipe van de transformator

Elektromagnetisch relais wordt een elektromechanisch relais genoemd, waarvan de werking is gebaseerd op het effect van een magnetisch veld van een stationaire spoel op een bewegend ferromagnetisch element.

Elk elektromagnetisch relais bevat twee elektrische circuits: een ingangssignaalcircuit (besturing) en een uitgangssignaalcircuit (bestuurd). Volgens het apparaatprincipe van het gecontroleerde circuit worden niet-gepolariseerde en gepolariseerde relais onderscheiden. De werking van niet-gepolariseerde relais is, in tegenstelling tot gepolariseerde relais, niet afhankelijk van de richting van de stroom in het stuurcircuit.

Hoe een elektromagnetisch relais werkt en werkt

Verschillen tussen DC en AC elektromagnetische relais

Roterende elektrische machine — een apparaat dat is ontworpen om energie om te zetten op basis van elektromagnetische inductie en de interactie van een magnetisch veld met een elektrische stroom, dat ten minste twee onderdelen bevat die betrokken zijn bij het hoofdomzettingsproces en die ten opzichte van elkaar kunnen roteren of roteren.

Het deel van elektrische machines dat een stationair magnetisch circuit met een spoel bevat, wordt de stator genoemd en het roterende deel wordt de rotor genoemd.

Een elektrische machine die is ontworpen om mechanische energie om te zetten in elektrische energie, wordt een elektrische machinegenerator genoemd. Een elektrische machine die is ontworpen om elektrische energie om te zetten in mechanische energie, wordt een roterende elektromotor genoemd.

Het werkingsprincipe en het apparaat van elektromotoren

Het werkingsprincipe en het apparaat van generatoren

De bovenstaande voorbeelden van het gebruik van zachte materialen om elektromagnetische apparaten te maken, zijn niet volledig. Al deze principes zijn ook van toepassing op het ontwerp van magnetische circuits en andere elektrische producten die gebruik maken van inductoren, zoals elektrische schakelapparaten, magnetische sloten, enz.