74. Электромагнит и его тяговое усилие

Электромагнит — устройство, создающее магнитное поле при прохождении электрического тока. Обычно электромагнит состоит из обмотки и ферромагнитного сердечника, который приобретает свойства магнита при прохождении по обмотке тока. В электромагнитах, предназначенных, прежде всего, для создания механического усилия также присутствует якорь (подвижная часть магнитопровода), передающий усилие.

Обмотку электромагнитов изготавливают из изолированного алюминиевого или медного провода, хотя есть и сверхпроводящие электромагниты. Магнитопроводы изготавливают из магнитно-мягких материалов — обычно из электротехнической или качественной конструкционной стали, литой стали и чугуна, железоникелевых и железокобальтовых сплавов. Для снижения потерь на вихревые токи (токи Фуко) магнитопроводы выполняют из набора листов.

Выделяют три типа электромагнитов по способу создания магнитного потока.

Нейтральные электромагниты постоянного тока

Постоянный магнитный поток создается постоянным током в обмотке таким образом, что сила притяжения зависит только от величины и не зависит от направления тока в обмотке.

Поляризованные электромагниты постоянного тока

Присутствуют два независимых магнитных потока — поляризующий и рабочий. Первый создается рабочей (или управляющей) обмоткой. Поляризующий поток чаще всего создается постоянными магнитами, иногда дополнительными электромагнитами, и используется для обеспечения наличия притягивающей силы при выключенной рабочей обмотке. В целом действие такого магнита зависит как от величины магнитного потока, так и от направления электрического тока в рабочей обмотке.

Электромагниты переменного тока

В этих магнитах питание обмотки осуществляется от источника переменного тока, магнитный поток периодически изменяется по величине и направлению, а однонаправленная сила притяжения меняется только по величине, в результате чего сила притяжения пульсирует от нуля до максимального значения с удвоенной частотой по отношению к частоте питающего тока. Широко применяют в электротехнике начиная от бытовой техники до плит электромагнитныхдля станков, при магнитопорошковом методе неразрушающего контроля.

При подключении катушки к источнику электрической энергии происходят весьма сложные процессы: так как катушка обладает индуктивностью, то ее ток после подключения и, следовательно, магнитный поток магнитопровода, энергия магнитного поля и тяговое усилие, действующее на якорь, будут возрастать постепенно. Когда тяговое усилие станет больше сил сопротивления движению якоря (силы тяжести, сил сопротивления пружин и т. п.), якорь начнет перемещаться в направлении к неподвижной части магнитопровода с ускорением, зависящим от значений тягового усилия, сил сопротивления перемещению и массы перемещающихся частей; уменьшение воздушного зазора, вызванное перемещением якоря, окажет влияние на характер изменения почти всех перечисленных выше величин; тяговым усилием совершится работа, связанная с перемещением якоря.

Определение тягового усилия с учетом всех перечисленных процессов представляет значительную сложность. Поэтому тяговое усилие определяют часто приближенно, исходя из сле­дующих соображений:

в обмотке и воздушном зазоре существуют соответственно установившиеся значения  тока  I  и  магнитной  индукции Вδ;

при изменении воздушного зазора на dlδ магнитная индукция остается постоянной.

Учитывая последнее, следует считать, что механическая работа, связанная с перемещением якоря, совершается за счет изменения энергии магнитного поля воздушного зазора вследствие уменьшения объема последнего.

На основании этого и имея в виду, что в магнитной цепи два воздушных зазора, можно написать

Fdlδ =	Bδ2	2dVδ, или   Fdlδ =	Bδ2	2Sδdlδ,
	2μ0		2μ0

где Bδ2/2μ0 — энергия магнитного поля в единице объема воздушного зазора; 2dVδ = 2Sδdlδ— изменение объема воздушных зазоров при перемещении якоря на dlδ .

F =	Bδ2	Sδ.
	μ0

Тяговое усилие, приходящееся на один воздушный зазор,

F1 =	Bδ2	Sδ.
	2μ0