Основные характеристики электромагнитов
Наиболее общими являются динамические характеристики, которые учитывают изменения н. с. электромагнита в процессе его срабатывания за счет действия ЭДС самоиндукции и движения, а также учитывают трение, демпфирование и инерцию подвижных частей.
Для некоторых типов электромагнитов (быстродействующие электромагниты, электромагнитные вибраторы и т. п.) знание динамических характеристик является обязательным, так как только они характеризуют рабочий процесс таких электромагнитов. Однако получение динамических характеристик сопряжено с большой вычислительной работой. Поэтому во многих случаях, особенно когда не требуется точного определения времени движения, ограничиваются рассмотрением статических характеристик.
Статические характеристики получаются, если не учитывать влияния на электрическую цепь противо-ЭДС, возникающей в процессе движения якоря электромагнита, т. е. считать, что ток в обмотке электромагнита неизменен и равен, например току срабатывания.
Важнейшими характеристиками электромагнита с точки зрения его предварительной оценки являются следующие:
1. Тяговая статическая характеристика электромагнита. Она представляет собой зависимость электромагнитной силы от положения якоря или рабочего зазора для различных постоянных значений напряжения, подведенного к обмотке, или тока в обмотке:
Fэ = f (δ) при U= const
или Fэ = f (δ)при I= const.
2. Характеристика противодействующих усилий (нагрузка) электромагнита. Она представляет собой зависимость противодействующих сил (в общем случае приведенных к точке приложения электромагнитной силы) от рабочего зазора δ (рис. 1): Fп = f (δ)
Сопоставление противодействующей и тяговой характеристик дает возможность сделать заключение (предварительное, без учета динамики) о работоспособности электромагнита.
Для того чтобы электромагнит нормально сработал, необходимо, чтобы тяговая характеристика во всем диапазоне изменений хода якоря проходила выше противодействующей, а для четкого отпускания, наоборот, тяговая характеристика должна проходить ниже противодействующей (рис. 2).
Рис. 2. К согласованию характеристик действующих и противодействующих сил
3. Нагрузочная характеристика электромагнита. Эта характеристика связывает значение электромагнитной силы и величину напряжения, подведенного к обмотке, или тока в ней при фиксированном положении якоря:
Fэ = f (u) и Fэ = f (i) при δ= const
4. Условная полезная работа электромагнита. Она определяется как произведение электромагнитной силы, соответствующей начальному рабочему зазору, на величину хода якоря:
Wпу = Fн (δн - δк) при I= const.
Значение условной полезной работы для данного электромагнита является функцией начального положения якоря и величины тока в обмотке электромагнита. На рис. 3 приведены статическая тяговая характеристика Fэ = f (δ) и кривая Wпу = Fн (δ) электромагнита. Заштрихованная площадь пропорциональна Wпу при данном значении δн.
Рис. 3. Условная полезная работа электромагнита.
5. Механическая эффективность электромагнита — относительная величина условной полезной работы Wпу по сравнению с максимально возможной (соответствующей наибольшей заштрихованной площади) Wп.y м:
ηмех= Wпу / Wп.y м
При расчете электромагнита желательно так выбирать его начальный зазор, чтобы электромагнит отдавал максимум полезной работы, т. е. чтобы δн соответствовал Wп.y м (рис. 3).
6. Время срабатывания электромагнита — время с момента подачи сигнала на обмотку электромагнита до перехода якоря в его конечное положение. При прочих равных условиях оно является функцией начальной противодействующей силы Fп:
tср = f (Fп) при U = const
7. Характеристика нагрева представляет собой зависимость температуры нагрева обмотки электромагнита от продолжительности включенного состояния.
8. Показатель добротности электромагнита, определяемый как отношение массы электромагнита к величине условной полезной работы:
Д = масса электромагнита / Wпу
9. Показатель экономичности, являющийся отношением потребляемой обмоткой электромагнита мощности к величине условной полезной работы:
Э = потребляемая мощность / Wпу
Все эти характеристики позволяют установить пригодность данного электромагнита к определенным условиям его работы.
Параметры электромагнитов
Кроме перечисленных выше характеристик, рассмотрим также некоторые из основных параметров электромагнитов. К ним относятся следующие:
а) Мощность, потребляемая электромагнитом. Предельная мощность, потребляемая электромагнитом, может ограничиваться как величиной допустимого нагрева его обмотки, так в некоторых случаях и условиями питания цепи обмотки электромагнита.
Для силовых электромагнитов как правило, ограничением является его нагрев за период включенного состояния. Поэтому величина допустимого нагрева и ее правильный учет являются при расчете такими же важными факторами, как заданная сила и ход якоря.
Выбор рациональной конструкции как в магнитном и механическом отношениях, так и в смысле тепловых характеристик позволяет при заданных условиях получить конструкцию с минимальными габаритами и массой, а следовательно, и наименьшей стоимостью. Применение более совершенных магнитных материалов и обмоточных проводов также способствует увеличению эффективности конструкции.
В некоторых случаях электромагниты (для реле, регуляторов и пр.) проектируют из расчета получения максимального усилия, т. е. минимального потребления мощности при заданной полезной работе. Такие электромагниты характеризуются сравнительно небольшими электромагнитными силами и ходами и легкими подвижней частями. Нагрев их обмоток бывает значительно ниже допустимого.
Теоретически мощность, потребляемая электромагнитом, может быть сколь угодно снижена путем соответствующего увеличения размеров его катушки. Практически предел этому создают увеличивающаяся длина среднего витка обмотки и длина средней линии магнитной индукции, вследствие чего увеличение размеров электромагнита становится малоэффективным.
б) Коэффициент запаса. В большинстве случаев н. с. трогания можно считать равной н. с. срабатывания электромагнита.
Отношение н. с. соответствующей установившемуся значению тока, к н. с. срабатывания (критическая н. с.) (см. рис. 2) носит название коэффициента запаса:
kз = Iу / Iср
Коэффициент запаса электромагнита по условиям надежности всегда выбирается больше единицы.
в) Параметр срабатывания представляет собой минимальное значение н. с. тока или напряжения, при котором происходит срабатывание электромагнита (перемещение якоря от δн до δк).
г) Параметр отпускания — соответственно максимальное значение н. с, тока или напряжения, при котором якорь электромагнитьавозвращается в свое исходное положение.
д) Коэффициент возврата. Отношение н. с, при ко торой происходит возврат якоря в первоначальное положение, к н. с. срабатывания называется коэффициентом возврата электромагнита: kв = Iв / Iср
Для нейтральных электромагнитов значения коэффициента возврата всегда меньше единицы и для различных исполнений могут составлять от 0,1 до 0,9. При этом достижение величин, близких к обоим этим пределам, одинаково трудно.
Коэффициент возврата имеет наибольшее значение при максимальном приближении противодействующей характеристики к тяговой характеристике электромагнита. Уменьшение хода электромагнита также повышает коэффициент возврата.