Urządzenia elektromagnetyczne: przeznaczenie, rodzaje, wymagania, konstrukcja

Przeznaczenie urządzeń elektromagnetycznych

Wytwarzanie, przetwarzanie, przesyłanie, dystrybucja lub zużycie energii elektrycznej odbywa się za pomocą urządzeń elektrycznych. Z całej ich różnorodności wyróżniamy urządzenia elektromagnetyczne, których działanie jest oparte o zjawisku indukcji elektromagnetycznejtowarzyszy pojawienie się strumieni magnetycznych.

Statyczne urządzenia elektromagnetyczne obejmują dławiki, wzmacniacze magnetyczne, transformatory, przekaźniki, rozruszniki, styczniki i inne urządzenia. Obrotowe — silniki elektryczne i generatory, sprzęgła elektromagnetyczne.

Zestaw ferromagnetycznych części urządzeń elektromagnetycznych przeznaczonych do przewodzenia głównej części strumienia magnetycznego, tzw układ magnetyczny urządzenia elektromagnetycznego… Specjalną jednostką strukturalną takiego systemu jest obwód magnetyczny… Strumienie magnetyczne przechodzące przez obwody magnetyczne mogą być częściowo zamknięte w ośrodku niemagnetycznym, tworząc rozproszone strumienie magnetyczne.

Strumienie magnetyczne przechodzące przez obwód magnetyczny można wytworzyć za pomocą stałego lub przemiennego prądu elektrycznego płynącego w jednym lub więcej cewki indukcyjne… Cewka taka jest elementem obwodu elektrycznego przeznaczonym do wykorzystywania własnej indukcyjności i/lub własnego pola magnetycznego.

Tworzy się jeden lub więcej zwojów likwidacja… Nazywa się część obwodu magnetycznego, na której lub wokół której znajduje się cewka rdzeń, nazywana jest częścią, na której lub wokół której nie znajduje się cewka jarzmo.

Obliczenia głównych parametrów elektrycznych urządzeń elektromagnetycznych opierają się na prawie prądu całkowitego i prawie indukcji elektromagnetycznej. Zjawisko wzajemnej indukcji służy do przenoszenia energii z jednego obwodu elektrycznego do drugiego.

Zobacz więcej szczegółów tutaj: Obwody magnetyczne urządzeń elektrycznych i tu: Do czego służy obliczenie obwodu magnetycznego?

Wymagania dotyczące obwodów magnetycznych urządzeń elektromagnetycznych

Wymagania stawiane rdzeniom magnetycznym zależą od przeznaczenia funkcjonalnego urządzeń elektromagnetycznych, w których są stosowane.

W urządzeniach elektromagnetycznych można stosować zarówno stałe, jak i/lub zmienne strumienie magnetyczne. Trwały strumień magnetyczny nie powoduje strat energii w obwodach magnetycznych.

Rdzenie magnetyczne pracujące w warunkach ekspozycji stały strumień magnetyczny (np. łoża do maszyn prądu stałego) mogą być wykonane z półwyrobów odlewanych z późniejszą obróbką skrawaniem. Przy złożonej konfiguracji obwodów magnetycznych bardziej ekonomiczne jest wytwarzanie ich z kilku elementów.

Przechodzeniu przez obwody magnetyczne zmiennego strumienia magnetycznego towarzyszą straty energii, które są nazywane straty magnetyczne… Powodują nagrzewanie się obwodów magnetycznych. Możliwe jest zmniejszenie nagrzewania się rdzeni magnetycznych poprzez specjalne środki ich chłodzenia (na przykład praca w oleju). Takie rozwiązania komplikują ich konstrukcję, zwiększają koszty ich produkcji i eksploatacji.

Straty magnetyczne składają się z:

• utrata histerezy;

• straty prądów wirowych;

• dodatkowe straty.

Straty histerezy można zmniejszyć stosując ferromagnesy z miękkim magnesem o wąskim przekroju obwód histerezy.

Straty prądów wirowych są zwykle zmniejszane przez:

• stosowanie materiałów o niższym przewodnictwie elektrycznym;

• produkcja rdzeni magnetycznych z taśm lub płyt izolowanych elektrycznie.

Rozkład prądów wirowych w różnych obwodach magnetycznych: a — w odlewnictwie; b — w zestawie części wykonanych z materiałów arkuszowych.

Środkowa część obwodu magnetycznego jest w większym stopniu pokryta prądami wirowymi niż jego powierzchnia, co prowadzi do „przesunięcia” głównego strumienia magnetycznego w kierunku powierzchni obwodu magnetycznego, czyli do wystąpienia efektu powierzchniowego.

Prowadzi to do tego, że przy określonej częstotliwości charakterystycznej dla materiału tego obwodu magnetycznego strumień magnetyczny będzie całkowicie skoncentrowany w cienkiej warstwie powierzchniowej obwodu magnetycznego, której grubość jest określona przez głębokość penetracji przy danej częstotliwości .

Obecność prądów wirowych płynących w rdzeniu magnetycznym wykonanym z materiału o niskim oporze elektrycznym prowadzi do odpowiednich strat (strat wiroprądowych).

Zadanie zmniejszenia strat prądów wirowych i maksymalnego zachowania strumienia magnetycznego rozwiązuje się poprzez wytwarzanie obwodów magnetycznych z poszczególnych części (lub ich części), które są od siebie odizolowane elektrycznie. W tym przypadku pole przekroju poprzecznego obwodu magnetycznego pozostaje niezmienione.

Powszechnie stosowane są płyty lub paski wytłoczone z materiałów arkuszowych i nawinięte na rdzeń. Do izolowania powierzchni płyt (lub listew) można stosować różne metody technologiczne, przy czym najczęściej stosuje się nakładanie izolujących lakierów lub emalii.

Obwód magnetyczny złożony z oddzielnych części (lub ich części) umożliwia:

• zmniejszenie strat prądów wirowych dzięki prostopadłemu ułożeniu płytek względem kierunku ich ruchu (w tym przypadku zmniejsza się długość obwodów, wzdłuż których mogą krążyć prądy wirowe);

• uzyskanie znikomo nierównomiernego rozkładu strumienia magnetycznego, gdyż przy małej grubości materiału blachy, współmiernej do głębokości penetracji, ekranowanie prądów wirowych jest niewielkie.

Materiałom rdzeni magnetycznych można stawiać inne wymagania: odporność na temperaturę i wibracje, niski koszt itp. Przy projektowaniu konkretnego urządzenia wybiera się materiał magnetycznie miękki, którego parametry najlepiej spełniają określone wymagania.

Projektowanie rdzeni magnetycznych

W zależności od technologii produkcji rdzenie magnetyczne urządzeń elektromagnetycznych można podzielić na 3 główne grupy:

• blaszkowaty;

• taśma;

• formowane.

Płytkowe obwody magnetyczne są rekrutowane z oddzielnych, elektrycznie odizolowanych od siebie płytek, co umożliwia zmniejszenie strat prądów wirowych. Rdzenie magnetyczne taśmy uzyskuje się przez nawinięcie taśmy o określonej grubości. W takich obwodach magnetycznych wpływ prądów wirowych jest znacznie zmniejszony, ponieważ płaszczyzny paska są pokryte lakierem izolacyjnym.

Uformowane rdzenie magnetyczne są wytwarzane przez odlewanie (stal elektrotechniczna), technologię ceramiczną (ferryty), mieszanie składników, a następnie prasowanie (magneto-dielektryki) i innymi metodami.

Przy wytwarzaniu obwodu magnetycznego urządzenia elektromagnetycznego konieczne jest zapewnienie jego specyficznej konstrukcji, na którą wpływa wiele czynników (moc urządzenia, częstotliwość pracy itp.), w tym obecność lub brak bezpośredniej lub odwrotnej konwersji elektromagnetycznej energię w energię mechaniczną w urządzeniu.

Konstrukcje urządzeń, w których zachodzi taka przemiana (silniki elektryczne, generatory, przekaźniki itp.) zawierają części, które poruszają się pod wpływem oddziaływania elektromagnetycznego.

Urządzenia, w których indukcja elektromagnetyczna nie powoduje zamiany energii elektromagnetycznej na energię mechaniczną (transformatory, dławiki, wzmacniacze magnetyczne itp.) nazywane są statycznymi urządzeniami elektromagnetycznymi.

W statycznych urządzeniach elektromagnetycznych, w zależności od konstrukcji, najczęściej stosuje się obwody magnetyczne pancerne, prętowe i pierścieniowe.

Formowane rdzenie magnetyczne mogą mieć bardziej złożoną konstrukcję niż arkusze i paski.

Formowane rdzenie magnetyczne: a — okrągłe; b — d — opancerzony; d — kubek; f, g — obrót; h — wiele otworów

Opancerzone rdzenie magnetyczne wyróżniają się prostotą konstrukcji, a co za tym idzie możliwościami produkcyjnymi. Ponadto ta konstrukcja zapewnia lepszą (w porównaniu z innymi) ochronę cewki przed wpływami mechanicznymi i zakłóceniami elektromagnetycznymi.

Rdzeń obwodów magnetycznych jest inny:

• dobre chłodzenie;

• mała wrażliwość na zakłócenia (ponieważ SEM zakłóceń indukowanych w sąsiednich cewkach ma przeciwny znak i jest częściowo lub całkowicie kompensowany);

• mniejsza (w stosunku do pancerza) waga przy tej samej mocy;

• mniejsze (w stosunku do pancerza) rozpraszanie strumienia magnetycznego.

Wadami urządzeń opartych na prętowych obwodach magnetycznych (w stosunku do urządzeń opartych na pancernych) jest pracochłonność wykonania cewek (zwłaszcza gdy są one umieszczane na różnych prętach) oraz ich słabsza ochrona przed wpływami mechanicznymi.

Ze względu na małe prądy upływu pierścieniowe obwody magnetyczne wyróżniają się z jednej strony dobrą izolacją szumów, az drugiej niewielkim wpływem na pobliskie elementy sprzętu elektronicznego (REE). Z tego powodu są szeroko stosowane w produktach inżynierii radiowej.

Wady okrągłych obwodów magnetycznych wiążą się z ich niską technologią (trudności w nawijaniu cewek i instalacją urządzeń elektromagnetycznych w miejscu użytkowania) oraz ograniczoną mocą — do setek watów (to ostatnie tłumaczy się nagrzewaniem obwodu magnetycznego, który nie ma bezpośredniego chłodzenia ze względu na znajdujące się na nim zwoje cewki).

Wybór rodzaju i typu obwodu magnetycznego dokonywany jest z uwzględnieniem możliwości uzyskania najmniejszych wartości jego masy, objętości i kosztu.

Wystarczająco złożone struktury mają obwody magnetyczne urządzeń, w których zachodzi bezpośrednia lub odwrotna konwersja energii elektromagnetycznej na energię mechaniczną (na przykład obwody magnetyczne wirujących maszyn elektrycznych). Takie urządzenia wykorzystują formowane lub płytkowe obwody magnetyczne.

Rodzaje urządzeń elektromagnetycznych

Przepustnica — urządzenie stosowane jako rezystancja indukcyjna w obwodach prądu przemiennego lub pulsującego.

Rdzenie magnetyczne ze szczeliną niemagnetyczną stosowane są w dławikach AC służących do magazynowania energii oraz w dławikach wygładzających przeznaczonych do wygładzania tętnień prądu wyprostowanego. Jednocześnie występują dławiki, w których można regulować wielkość szczeliny niemagnetycznej, co jest niezbędne do zmiany indukcyjności dławika w trakcie jego pracy.

Urządzenie i zasada działania elektrycznej przepustnicy

Wzmacniacz magnetyczny — urządzenie składające się z jednego lub więcej obwodów magnetycznych z cewkami, za pomocą których można zmieniać wielkość prądu lub napięcia w obwodzie elektrycznym zasilanym napięciem przemiennym lub źródłem prądu przemiennego, w oparciu o wykorzystanie zjawiska nasycenia ferromagnesu pod działaniem stałego pola polaryzacji.

Zasada działania wzmacniacza magnetycznego opiera się na zmianie różnicowej przenikalności magnetycznej (mierzonej na prądzie przemiennym) wraz ze zmianą stałego prądu polaryzacji, dlatego najprostszym wzmacniaczem magnetycznym jest nasycony dławik zawierający cewkę roboczą i regulator cewka.

Transformator nazywa się statycznym urządzeniem elektromagnetycznym, które ma dwie (lub więcej) cewki sprzężone indukcyjnie i jest przeznaczone do przekształcania przez indukcję elektromagnetyczną jednego lub więcej systemów prądu przemiennego w jeden lub więcej innych systemów prądu przemiennego.

Moc transformatora jest określona przez maksymalną możliwą indukcję materiału rdzenia magnetycznego i jego wymiary. Dlatego rdzenie magnetyczne (zwykle typu prętowego) potężnych transformatorów mocy są montowane z blach ze stali elektrotechnicznej o grubości 0,35 lub 0,5 mm.

Urządzenie i zasada działania transformatora

Przekaźnik elektromagnetyczny nazywany jest przekaźnikiem elektromechanicznym, którego działanie opiera się na działaniu pola magnetycznego nieruchomej cewki na poruszający się element ferromagnetyczny.

Każdy przekaźnik elektromagnetyczny zawiera dwa obwody elektryczne: obwód sygnału wejściowego (sterującego) i obwód sygnału wyjściowego (sterowanego). Zgodnie z zasadą urządzenia kontrolowanego obwodu rozróżnia się przekaźniki niespolaryzowane i spolaryzowane. Działanie przekaźników niespolaryzowanych, w przeciwieństwie do przekaźników spolaryzowanych, nie zależy od kierunku prądu w obwodzie sterującym.

Jak działa i działa przekaźnik elektromagnetyczny

Różnice między przekaźnikami elektromagnetycznymi prądu stałego i przemiennego

Obrotowa maszyna elektryczna — urządzenie przeznaczone do przetwarzania energii w oparciu o indukcję elektromagnetyczną i oddziaływanie pola magnetycznego z prądem elektrycznym, zawierające co najmniej dwie części biorące udział w głównym procesie przetwarzania i zdolne do obracania się lub obracania względem siebie.

Część maszyn elektrycznych zawierająca nieruchomy obwód magnetyczny z cewką nazywana jest stojanem, a część wirująca nazywana jest wirnikiem.

Maszyna elektryczna przeznaczona do przekształcania energii mechanicznej w energię elektryczną nazywana jest generatorem maszyny elektrycznej. Maszyna elektryczna przeznaczona do przekształcania energii elektrycznej w energię mechaniczną nazywana jest obrotowym silnikiem elektrycznym.

Zasada działania i urządzenie silników elektrycznych

Zasada działania i urządzenie generatorów

Powyższe przykłady wykorzystania miękkich materiałów do tworzenia urządzeń elektromagnetycznych nie są wyczerpujące. Wszystkie te zasady mają również zastosowanie do projektowania obwodów magnetycznych i innych produktów elektrycznych wykorzystujących cewki indukcyjne, takich jak elektryczne urządzenia przełączające, zamki magnetyczne itp.