5.4. Сравнение статических характеристик электромагнитов переменного и постоянного тока

Статические характеристики электромагнитов снимают, когда в обмотках электромагнитов протекает неизменный ток при неподвижном и движущемся якоре. Статическая тяговая характеристика – зависимость силы тяги электромагнита F от величины зазора  для электромагнитов постоянного и переменного тока (рис.11). Кривая 2 (рис.11, а) изображает зависимость F = f(), снятую экспериментально. Сравнение кривых 1 и 2 показывает, что при больших зазорах, когда поток в системе мал (падением магнитного потенциала можно пренебречь), эти кривые почти совпадают. Для электромагнитов переменного тока (рис.11, б) при увеличении зазора  растет магнитное сопротивление рабочего зазора и ток в обмотке, уменьшается индуктивность катушки, а поток (Ф_) в рабочем зазоре остается постоянным. Однако влияние активного сопротивления R катушки ограничивает рост тока и, следовательно, тяговое усилие F из-за этого уменьшается.

Выше были приведены тяговые характеристики, соответствующие простому клапанному электромагниту. Для более сложных электромагнитов типичные тяговые характеристики представлены на рис.12, где кривая 1 имеет гиперболический вид, характерный для электромагнитов, у которых поток рассеяния не создает силы; кривая 2 – седлообразный вид, свойственный электромагнитам, у которых возникает дополнительная сила, создаваемая потоком рассеяния; кривая 3 – Л-образный вид, наблюдается у электромагнитов, состоящих из катушки и якоря, втягиваемого внутрь катушки (электромагниты соленоидного типа), а также у электромагнитов, якорь которых перемещается перпендикулярно к направлению магнитного потока; кривая 4 – пологий вид, свойственный электромагнитам с незамкнутой и замкнутой магнитными цепями, у которых якорь втягивается внутрь катушки

Подключение обмоток электромагнитов постоянного и переменного тока к источнику питания преимущественно параллельное, в отдельных случаях (токовые реле) – последовательное.

При сравнении статических характеристик электромагнитов постоянного и переменного тока следует сделать следующие выводы:

1. Поскольку среднее значение силы тяги при переменном токе (см. рис.10), для электромагнитов переменного и постоянного тока F_ср.пер = 0,5F_{ср.пост}, поэтому электромагнит постоянного тока развивает в 2 раза большее усилие, чем электромагнит переменного тока.

2. Электромагнит переменного тока имеет вибрацию якоря.

3. В электромагнитах постоянного тока сила тяги резко падает при увеличении зазора, поэтому эти электромагниты делаются с малым зазором.

4. В электромагнитах переменного тока при увеличении зазора растет магнитное сопротивление R_ зазора и ток в обмотке. При этом в рабочем зазоре поток Ф_ падает только за счет активного сопротивления в обмотке, т.е.

,

где Iw – м.д.с. обмотки.

Таким образом, электромагнит переменного тока как бы имеет автоматическую форсировку. При большем зазоре создается бóльшая м.д.с. обмотки, которая обеспечивает необходимый поток в рабочем зазоре, поэтому у электромагнитов переменного тока возможен большой ход якоря.

Особенностью работы электромагнитов переменного тока является вибрация якоря. Для борьбы с вибрацией якоря в однофазных электромагнитах применяются короткозамкнутые витки (рис.13, а), полностью или частично охватывающие полюсы магнитопровода. Основное назначение экранов – изменение фазы магнитного потока.

Экран создает свой магнитный поток Ф_2, который отстает по фазе на угол  от основного потока Ф₁ и создает свою намагничивающую силу F₂. Каждый из потоков создает под своей частью полюса свою силу тяги F₁ и F₂ (рис.13, б).

В верхней части полюса развивается сила тяги

,

в нижней части

.

Результирующая сила тяги, действующая на якорь, равна сумме сил F₁ и F₂ (рис.13, в). Согласно рис.13, г амплитуда переменной составляющей может быть найдена из векторной диаграммы, тогда

F_m.пер =  . (7)

Обычно электромагнит проектируется так, чтобы его минимальная сила тяги F_min была больше противодействующей силы:

F_min =  F_ср – F_m.пер  F_прот .

Чем меньше F_m.пер, тем меньше пульсация силы тяги. Из (7) следует, что для уменьшения пульсации тяговой силы необходимо уменьшение амплитуды F_m.пер, что возможно при следующих условиях: F_m.пер = 0 при F_ср1 = F_ср2 и  = 90^. Эти условия выполнить невозможно, поэтому для ненасыщенных потоков Ф₂ = Ф₁ при  = 6065, а сила F_ср1  F_ср2. Поскольку короткозамкнутый виток уменьшает поток под нижней частью полюса, с целью выравнивания потоков Ф₁ и Ф₂ этот виток охватывает бóльшую часть полюса (обычно 2/3).

Для уменьшения вибрации якоря в трехфазном электромагните используется естественный сдвиг потоков в этой системе (т.е. при трехфазном источнике питания). Магнитные потоки всех трех фаз электромагнитов симметричны. Примем, что насыщение отсутствует, тогда сила тяги, развиваемая под каждым полюсом,

.

Результирующая сила, действующая на якорь, равна сумме этих сил:

.

Таким образом, результирующая сила в трехфазном электромагните во времени не меняется. Однако вибрация якоря полностью не устраняется. При прохождении магнитного потока в каждой фазе через ноль сила, развиваемая этой фазой, также равна нулю. В результате точка приложения электромагнитной силы перемещается. Поскольку точка приложения противодействующей силы неизменна, возникает перекатывание якоря, т.е. вибрация.