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.
Рекомендуемые материалы
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).
Вместе с этой лекцией читают "Лекция 3".
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.