Elektromagnesy i ich zastosowania

Elektromagnes wytwarza pole magnetyczne za pomocą cewki, przez którą przepływa prąd elektryczny. Aby wzmocnić to pole i skierować strumień magnetyczny wzdłuż określonej ścieżki, większość elektromagnesów ma obwód magnetyczny wykonany ze stali o miękkim polu magnetycznym.

Zastosowanie elektromagnesów

Elektromagnesy stały się tak rozpowszechnione, że trudno jest wskazać dziedzinę technologii, w której są wykorzystywane w takiej czy innej formie. Można je znaleźć w wielu urządzeniach gospodarstwa domowego — golarkach elektrycznych, magnetofonach, telewizorach itp. Urządzenia technologii komunikacyjnej — telefonia, telegrafia i radio — są nie do pomyślenia bez ich użycia.

Elektromagnesy są integralną częścią maszyn elektrycznych, wielu urządzeń automatyki przemysłowej, urządzeń kontrolno-zabezpieczających różnego rodzaju instalacje elektryczne. Rozwijającym się obszarem zastosowań elektromagnesów jest sprzęt medyczny. Wreszcie gigantyczne elektromagnesy służą do przyspieszania cząstek elementarnych w synchrofazotronach.

Masa elektromagnesów waha się od ułamków grama do setek ton, a energia elektryczna zużywana podczas ich działania waha się od miliwatów do dziesiątek tysięcy kilowatów.

Szczególnym obszarem zastosowania elektromagnesów są mechanizmy elektromagnetyczne. W nich elektromagnesy służą jako napęd do wykonania niezbędnego ruchu translacyjnego elementu roboczego, albo do obracania go o ograniczony kąt, albo do wytworzenia siły trzymającej.

Przykładem takich elektromagnesów są elektromagnesy trakcyjne, przeznaczone do wykonywania określonej pracy podczas przemieszczania określonych ciał roboczych; zamki elektromagnetyczne; sprzęgła i hamulce elektromagnetyczne oraz cewki hamulcowe; elektromagnesy uruchamiające styki w przekaźnikach, stycznikach, rozrusznikach, wyłącznikach automatycznych; elektromagnesy podnoszące, elektromagnesy wibracyjne itp.

W wielu urządzeniach, wraz z elektromagnesami lub zamiast nich, stosuje się magnesy trwałe (na przykład płyty magnetyczne maszyn do cięcia metalu, hamulce, zamki magnetyczne itp.).

Klasyfikacja elektromagnesów

Elektromagnesy mają bardzo zróżnicowaną budowę, różnią się charakterystyką i parametrami, dlatego klasyfikacja ułatwia badanie procesów zachodzących podczas ich działania.

W zależności od sposobu wytwarzania strumienia magnetycznego i charakteru działającej siły magnesującej, elektromagnesy dzielą się na trzy grupy: elektromagnesy neutralne z prądem stałym, elektromagnesy spolaryzowane z prądem stałym i elektromagnesy z prądem przemiennym.

Elektromagnesy neutralne

W neutralnych elektromagnesach prądu stałego roboczy strumień magnetyczny jest wytwarzany za pomocą stałej cewki.Działanie elektromagnesu zależy tylko od wielkości tego strumienia i nie zależy od jego kierunku, a zatem od kierunku prądu w cewce elektromagnesu. W przypadku braku prądu strumień magnetyczny i siła przyciągania działająca na twornik są praktycznie zerowe.

Elektromagnesy spolaryzowane

Spolaryzowane elektromagnesy prądu stałego charakteryzują się obecnością dwóch niezależnych strumieni magnetycznych: (polaryzującego i roboczego. Polaryzacyjny strumień magnetyczny w większości przypadków jest wytwarzany za pomocą magnesów trwałych. Czasami stosuje się do tego celu elektromagnesy. Strumień roboczy występuje pod działaniem siły magnesującej cewki roboczej lub sterującej.Jeśli nie ma w nich prądu, siła przyciągania wytworzona przez polaryzujący strumień magnetyczny działa na twornik.Działanie spolaryzowanego elektromagnesu zależy zarówno od wielkości, jak i kierunku strumień roboczy, czyli kierunek prądu w cewce roboczej.

Elektromagnesy prądu przemiennego

W elektromagnesach prądu przemiennego cewka jest zasilana przez źródło prądu przemiennego. Strumień magnetyczny wytwarzany przez cewkę, przez którą przepływa prąd przemienny, okresowo zmienia wielkość i kierunek (przemienny strumień magnetyczny), w wyniku czego elektromagnetyczna siła przyciągania pulsuje od zera do maksimum z częstotliwością dwukrotnie większą od częstotliwości zasilania aktualny.

Jednak w przypadku elektromagnesów trakcyjnych obniżenie siły elektromagnetycznej poniżej pewnego poziomu jest niedopuszczalne, gdyż prowadzi to do drgań twornika, aw niektórych przypadkach do bezpośredniego zakłócenia normalnej pracy.Dlatego w elektromagnesach trakcyjnych pracujących ze zmiennym strumieniem magnetycznym konieczne jest zastosowanie środków zmniejszających głębokość tętnienia siły (np. zastosowanie cewki ekranującej zakrywającej część bieguna elektromagnesu).

Oprócz wymienionych odmian elektromagnesy korygujące prąd są obecnie szeroko rozpowszechnione, co można przypisać elektromagnesom prądu przemiennego pod względem mocy i są one zbliżone do elektromagnesów prądu stałego pod względem ich właściwości. Ponieważ nadal istnieją pewne specyficzne cechy ich pracy.

W zależności od sposobu załączenia uzwojenia rozróżnia się elektromagnesy z uzwojeniami szeregowymi i równoległymi.

Uzwojenia szeregowe pracujące przy danym prądzie są wykonane z małej liczby zwojów na dużym przekroju. Prąd przepływający przez taką cewkę praktycznie nie zależy od jej parametrów, ale zależy od charakterystyki odbiorników połączonych szeregowo z cewką.

Uzwojenia równoległe pracujące przy danym napięciu mają z reguły bardzo dużą liczbę zwojów i są wykonane z drutu o małym przekroju.

Ze względu na charakter cewki elektromagnesy dzielą się na działające w trybie długim, okresowym i krótkoterminowym.

Pod względem szybkości działania elektromagnesy mogą mieć normalną prędkość działania, szybko działające i wolno działające. Podział ten jest nieco arbitralny i wskazuje głównie na to, czy podjęto specjalne środki w celu osiągnięcia wymaganej szybkości działania.

Wszystkie powyższe cechy odciskają swoje piętno na charakterystyce konstrukcyjnej elektromagnesów.

Elektromagnesy podnoszące

Urządzenie elektromagnetyczne

Jednocześnie, przy całej różnorodności spotykanych w praktyce elektromagnesów, składają się one z głównych części o tym samym przeznaczeniu. Obejmują one cewkę z umieszczoną na niej cewką magnesującą (może być kilka cewek i kilka cewek), stałą część obwodu magnetycznego wykonaną z materiału ferromagnetycznego (jarzmo i rdzeń) oraz ruchomą część obwodu magnetycznego (twornik). W niektórych przypadkach nieruchoma część obwodu magnetycznego składa się z kilku części (podstawa, obudowa, kołnierze itp.). A)

Zwora jest oddzielona od reszty obwodu magnetycznego szczelinami powietrznymi i jest częścią elektromagnesu, który odbierając siłę elektromagnetyczną przekazuje ją do odpowiednich części uruchamianego mechanizmu.

Liczba i kształt szczelin powietrznych oddzielających ruchomą część obwodu magnetycznego od stacjonarnej zależy od konstrukcji elektromagnesu Szczeliny powietrzne, w których występuje siła użyteczna, nazywane są robotnikami; szczeliny powietrzne, w których nie ma siły w kierunku ewentualnego ruchu kotwicy, są pasożytnicze.

Powierzchnie ruchomej lub nieruchomej części obwodu magnetycznego, które ograniczają roboczą szczelinę powietrzną, nazywane są biegunami.

W zależności od położenia twornika względem reszty elektromagnesu rozróżnia się zewnętrzne przyciągające elektromagnesy twornika, chowane elektromagnesy twornika i zewnętrzne elektromagnesy twornika poruszające się poprzecznie.

Cechą charakterystyczną elektromagnesów ze zworą przyciągającą zewnętrzną jest zewnętrzne położenie zwory względem cewki. Wpływa na to głównie przepływ pracy przechodzący od twornika do końcowej strony rdzenia.Ruch twornika może być obrotowy (na przykład elektromagnesu zaworu) lub translacyjny. Prądy upływowe (zamykające się dodatkowo do szczeliny roboczej) w takich elektromagnesach praktycznie nie wytwarzają sił trakcyjnych, a zatem mają tendencję do zmniejszania się. Elektromagnesy z tej grupy mogą wytwarzać dość dużą siłę, ale zwykle są używane ze stosunkowo małymi skokami twornika.

Charakterystyczną cechą elektromagnesów z wysuwanym zworą jest częściowe umieszczenie zwory w jej początkowej pozycji wewnątrz cewki i jej dalszy ruch w cewce podczas pracy. Strumienie wycieków z takich elektromagnesów, zwłaszcza przy dużych szczelinach powietrznych, wytwarzają pewną siłę ciągnącą, w wyniku czego są one przydatne zwłaszcza przy stosunkowo dużych skokach twornika. Elektromagnesy takie mogą być wykonane z ogranicznikiem lub bez, a kształt powierzchni tworzących szczelinę roboczą może być różny w zależności od tego, jaką charakterystykę trakcyjną chcemy uzyskać.

Najczęściej spotykane są elektromagnesy z biegunami płaskimi i stożkowymi ściętymi oraz elektromagnesy bez ogranicznika. Jako prowadnicę twornika najczęściej stosuje się rurkę z materiału niemagnetycznego, która tworzy pasożytniczą szczelinę między twornikiem a górną, nieruchomą częścią obwodu magnetycznego.

Wysuwane solenoidy twornika mogą wytwarzać siły i mieć skoki twornika zmieniające się w bardzo szerokim zakresie, co czyni je szeroko stosowanymi.

Elektromagnesy V z zewnętrzną poprzecznie poruszającą się zworą twornika poruszają się po magnetycznych liniach sił, obracając się o pewien ograniczony kąt.Elektromagnesy takie wytwarzają zwykle stosunkowo niewielkie siły, ale pozwalają, poprzez odpowiednie dopasowanie kształtów bieguna i twornika, uzyskać zmiany charakterystyki trakcyjnej i wysoki współczynnik zwrotu.

Z kolei w każdej z trzech wymienionych grup elektromagnesów występuje szereg odmian konstrukcyjnych związanych zarówno z charakterem prądu przepływającego przez cewkę, jak i koniecznością zapewnienia określonych charakterystyk i parametrów elektromagnesów.

Przeczytaj także: O polu magnetycznym, solenoidach i elektromagnesach