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 F_э, 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.