Расчет обмоток электромагнитов. Постоянные магниты и электромагниты

💖 Нравится? Поделись с друзьями ссылкой

Хорошие постоянные магниты находят себе важные научные и технические применения, например в электроизмерительных приборах. Но создаваемые ими поля не очень сильны, хотя в последнее время и изготовляют специальные сплавы, которые позволяют получать сильные постоянные магниты, хорошо сохраняющие свои магнитные свойства. К числу таких сплавов относится, например, кобальтовая сталь, содержащая около 50% железа, около 30% кобальта, а также некоторое количество вольфрама, хрома и углерода. Кроме того, большим неудобством постоянных магнитов является невозможность быстро изменять магнитную индукцию их поля. В этом отношении гораздо удобнее применение соленоидов с током (электромагнитов), поле которых можно легко изменять, изменяя силу тока в обмотке соленоида. Поле соленоида можно увеличить в сотни и тысячи раз, помещая внутрь него железный сердечник. Именно так и устроено большинство электромагнитов, применяемых в технике.

Простейший электромагнит каждый легко может приготовить себе сам. Достаточно намотать на какой-нибудь железный стержень – болт или кусок железного прута – несколько десятков витков изолированной проволоки и присоединить концы этой обмотки к источнику постоянного тока: аккумулятору или гальванической батарее (рис. 366). Нередко электромагниту придают подковообразную форму (рис. 367), более выгодную для удержания груза.

Рис. 366. Простейший самодельный электромагнит в виде стержня

Рис. 367. Самодельный подковообразный магнит

Поле катушки с железным сердечником значительно сильнее, чем поле катушки без сердечника, потому что железо внутри катушки сильно намагничивается и поле его складывается с полем катушки. Однако применение железных сердечников в электромагнитах для усиления поля может оказаться полезным только до известного предела. Действительно, поле электромагнита складывается из поля, создаваемого обмоткой с током, и поля намагниченного сердечника, причем при небольших токах это последнее значительно сильнее, чем первое. При увеличении тока в обмотке оба эти поля возрастают сначала в одинаковой степени, а именно пропорционально току, так что роль сердечника продолжает оставаться решающей. Однако при дальнейшем увеличении тока в обмотке намагничивание железа начинает замедляться и железо приближается к состоянию магнитного насыщения. Когда практически все молекулярные токи ориентированы параллельно, дальнейшее увеличение тока обмотки уже ничего не может добавить к намагничиванию железа, тогда как поле обмотки продолжает расти пропорционально току. При большом токе в обмотке (точнее, когда число ампер-витков на метр достигает значений порядка ) поле, создаваемое самой обмоткой, оказывается гораздо сильнее поля насыщенного железного сердечника, так что сердечник становится практически бесполезным и лишь усложняет конструкцию электромагнита. Поэтому самые мощные электромагниты делают без железного сердечника.

Нетрудно видеть, что создание весьма мощных электромагнитов представляет собой очень сложную техническую задачу. Действительно, чтобы иметь возможность применить большие токи, надо иметь обмотку из толстой проволоки, иначе она сильно разогреется и может даже расплавиться. Иногда вместо проволоки применяют медные трубки, в которых циркулирует сильная струя воды для интенсивного охлаждения стенок трубок, по которым течет электрический ток. Но при обмотке из толстой проволоки или трубки нельзя уложить много витков на единице длины. Применение же сравнительно тонкой проволоки, обеспечивающей значительное число витков на метр, не дает возможности применять большие токи.

Очень остроумный выход из этого положения нашел советский физик Петр Леонидович Капица (1894-1984). Он пропускал через соленоид токи огромной силы – десятки тысяч ампер, – но только в течение короткого времени, примерно 0,01 с. За это время обмотка соленоида не успевала чрезмерно нагреться и получались сильные, хотя и кратковременные магнитные поля. Однако специальные приборы успевали регистрировать результаты опытов, в которых изучалось влияние создаваемых в соленоиде мощных магнитных полей на различные вещества.

В большинстве технических электромагнитов применяются обмотки, у которых число ампер-витков на метр не превышает нескольких десятков тысяч, так что для их питания можно ограничиться током в несколько ампер и проволокой умеренной толщины. При наличии железного сердечника в таких электромагнитах могут быть получены довольно сильные магнитные поля (с индукцией несколько тесла).

Наиболее интересным и перспективным явлением в природе считается магнетизм, который способен проявить себя через различные виды полей. Электромагнитные поля это всего лишь одна из разновидностей полей. Они образуются из двух видов полей электрического и магнитного. Давайте начнем разбираться именно с природой и принципом действием магнитных полей. В роли источника магнитных полей проще всего применить постоянные магниты и электромагниты. А вот как они работают, об этом мы ипоговорим.

Электромагнит, это простая электротехническая конструкция состоящая из обмотки и сердечник. Из курса электротехники известно, что в случае прохождения электрического тока через обмотку вокруг нее возникают электромагнитные поля.

То есть, в то время, когда электрических заряд движется он генерирует вокруг себя магнитные поля. Когда же он не перемещается, у него имеется только электрическое поле. Но, электроны и ионы никогда не будут находится в состоянии полного покоя. Всегда присутствует внутреннее движении, поэтому электрическое и магнитное поле присутствуют одномоментно, только в случае относительного покое в большей степени заметны электрические поля, а при увеличении движения элементарных частиц начинает преобладать магнитное поле.

Таким образом для возникновения магнитного поля требуется всего лишь пропустить ток по проводнику, а для повышения уровня интенсивность этого поля, требуется увеличить силу тока или длину электрического проводника. Но существует еще один фактор, влияющий на силу магнитного поля.

В электромагнитах, кроме выше сказанного имеется сердечник из магнитного материала. В таком магнитном материале осуществляется свое собственное внутреннее движения заряженных элементарных частиц. Но они располагаются в хаотичном порядке, из-за чего осуществляется взаимное гашение магнитных сил.

При воздействии внешним электромагнитным полем на такой материал возникает следующий эффект, а именно все внутренние магнитные поля этого материала поворачиваются в одном направлении, что ведёт к резкому росту магнитных свойств. Следовательно, для изготовления хорошего магнита требуется на магнитный сердечник намотать большое количество витков из медной проволоки, после чего пропустить через них ток.

Но помните, что при отключении напряжения у электромагнита исчезают все его свойства. Потому, что все заряженные частицы перестают двигаться в проводнике, а упорядоченные магнитные поля внутри магнитного сердечника возвращаются в исходное хаотичное состояние. Для изготовления постоянного магнита без электропитания, требуется, что бы внутренние магнитные поля оставались в однонаправленном состоянии. Этого можно добиться применяя специальные магнитные материалы, которые можно намагничивать или размагничивать.

В первоначальный момент это вещество не обладает такими сильными магнитными свойствами. Для намагничивания его, необходимо разместить в сильном постоянном магнитном поле. Через определенный промежуток времени и интенсивность воздействия данный материал становится постоянным магнитом. Для размагничивания постоянного магнита, го нужно подвергнуть высокой температуре, сильным ударам или воздействовать сильным переменным магнитным полем.

Думаю каждый встречал обычные постоянные магнитики. А знаете ли вы, что является истинной причиной их специфического действия? Думаю, совсем не многие об этом знают. Предлагая ознакомится с простой теоретической лекцией об устройстве постоянного магнита и магнитном поле

В принципе их расчет это достаточно сложный процесс, но для радиолюбителей, он существенно упращен. Магнитная цепь описывается величиной - В , на которую влияет напряженность поля и магнитная проницаемость вещества.Поэтому сердечники электромагнитов изготавливают из специаального сплава железа, обладающего высокой величиной магнитной проницаемости. От магнитной индукции зависит силовой поток, Ф .

Где, S площадь поперечного сечения магнитопровода. На силовой поток оказывает влияние и магнитодвижущая сила (Е м) , которая вычисляется по формуле:

Ф = (Е м)×R м, откуда Е м = 1,3×I×N

Где, где N - число витков катушки, а I - сила текущего по катушке тока в амперах.

Магнитное сопротивление определяется по формуле:

где L - средняя длина пути силовых магнитных линий, М - магнитная проницаемость, a S - поперечное сечение магнитопровода.

При изготовление самодельных электромагнитов стараются получить максимальный силовой поток. Добиваются этого уменьшением магнитного сопротивления. Для чего выбирают магнитопровод с минимальной длиной пути силовых линий и с максимально возможным поперечным сечением, а в качестве материала стальной сплав с отличной магнитной проницаемостью. Другой метод увеличения силового потока это увеличения количества ампервитков не очень целесообразен, т.к в целях экономии проволоки и напряжения питания следует стремиться к снижению числа ампервитков. Предположим, нам необходимо определить ампервитки и силовой поток замкнутого стального магнитопровода, изображенного на рисунке а ниже, и сделанного из стали плохого качества.


Для намотки катушек с минимальным числом витков для упрощенных расчетов примим величину магнитной индукции в 10 000 силовых линий на 1 см 2 при двух ампервитках на один сантиметр длины. В этом радиолюбительском примере расчет может быть осуществлен следующим образом. Так, при длине магнитопровода L =L1+L2 равной 20 см + 10 см = 30 см, потребуется 2×30=60 ампервитков.

Если диаметр сердечника D (Рисунок,в) равен2 см, то его площадь: S = 3,14xD2/4 = 3,14 см 2 , отсюда

Ф = B × S= 10000 × 3,14=31400 силовых линий

.

Можно приближенно определить и подъемную силу электромагнита P :

P = B2 × S/25 × 1000000 = 12,4 кг.

Для двухполюсного магнита полученный результат необходимо удвоить. При расчете подъемной силы магнита следует помнить, что она зависит не только от длины магнитопровода, но и от площади контакта якоря и сердечника. Поэтому якорь должен хорошо прилегать к полюсным наконечникам ЭМ, иначе случится резкое уменьшение подъемной силы. Далее можно сделать расчет катушки электромагнита. В случае двухполюсного магнита подъемная сила в 25 кг задается 60 ампервитками, т.е N×J = 60 ампервитков.

Конечно, можно задать и другое соотношение, например 2 А и 30 витков, либо увеличив число витков катушки 0,25 А и 240 витков. Однако изменение номинала тока в большом диапазоне не всегда можно осуществить на практике, т.к может потребываться уж очень большой диаметра применяемой проволоки. В нашем примере медная проволока должна быть следующего сечения: для тока в 2А - 0,4 мм 2 , а для тока в 0,25А - 0,05 мм 2 , диаметр проволоки будет 0,7 мм и 0,2 мм соответственно. Каким же из этих проводов случше осуществить обмотку? Зная диаметр проволоки и ее длину, можно легко найти сопротивление. Длина проволоки L вычисляется как, произведению общего числа витков на длину одного из них (среднюю): L = N × L1 где L1 - длина одного витка, равная 3,14 × D. В нашем примере D = = 6,3 см. Поэтому, для первой катушки длина медной проволки будет 190 см, а сопротивление обмотки постоянному току около 0,1 Ом, а для второй 512 см, с сопротивлением в 8,7 Ом. Зная закон Ома, легко найти нужное напряжение. Так, для создания в обмотках тока номиналом в 2А потребуется напряжение 0,2В, а для тока в 0,25А - 2,2В.

Катушка с железным (правильнее, стальным) разомкнутым сердечником образует электромагнит. Простейший электромагнит изображен на рис. 13.3.

Рис. 13.3. Электромагнит

Ток в катушке образует магнитный поток. Этот поток проходит по сердечнику и замыкается через его подвижную часть, которую называют якорем. Якорь намагничивается и притягивается к сердечнику.

Если ток в катушке прерывается, якорь отпадает от сердечника под действием собственной тяжести или специальной возвратной пружины.

Якорь магнита, изображенного на рис. 13.3, поворачивается на оси. Такой электромагнит называют электромагнитом клапанного типа. Существуют прямоходовые электромагниты, в которых якорь движется поступательно. Сконструированы также электромагниты со сложным движением якоря.

Электромагниты используют в электротехнике очень широко. Школьный звонок и звонок телефона - это электромагнитные механизмы. Существуют электромагнитные тормоза, электромагнитные муфты. Точные электромагниты используют в измерительной технике (см. гл. 15). Очень сильные электромагниты применяют в физических экспериментах.

Если в электромагните убрать якорь, то его можно применять для подъема ферромагнитных предметов. Такие магниты (их называют подъемными) работают на металлургических заводах, поднимают металлолом и другие детали.

О том, как используют электромагниты в электрических аппаратах, мы расскажем несколько позже.

Важнейшей характеристикой электромагнита является сила тяги. Если зазор между сердечником и якорем невелик, то силу тяги можно определить по формуле Максвелла

Здесь Ф - магнитный поток в сердечнике; S - сечение сердечника, вернее сечение полюса, т. е. окончания сердечника, взаимодействующего с якорем.

Если сечения сердечника и полюса одинаковы, то при некоторых допущениях можно принять, что

Тогда наша формула изменится:

Теперь можно легко найти силу тяги электромагнита в расчете на единицу площади полюса (удельная сила тяги):

Из этой формулы видно, что удельная сила тяги электромагнита пропорциональна квадрату магнитной индукции.

Попробуем оценить ее максимальное значение.

Подставим максимальное значение индукции насыщения электротехнической стали, используемой для сердечников электромагнитов,

Тогда получим

Измерять размеры в метрах не очень удобно, поэтому лучше определить силу в расчете на квадратный сантиметр площади полюса:

Эти цифры являются предельными, и в реальных конструкциях электромагнитов удается получить меньшее значение удельной силы - примерно 100-120 Н/см2.

Часто используют электромагниты, в которых зазор между полюсами сердечника и якоря соизмерим с линейными размерами полюса. В этом случае пользоваться формулой Максвелла нельзя и силу тяги электромагнита определяют так:

Удельная сила тяги электромагнита обратно пропорциональна квадрату зазора б между сердечником и якорем. Зависимость силы тяги от зазора называют тяговой характеристикой. Пример такой характеристики изображен на рис. 13.4.

При малых зазорах сила тяги электромагнита очень велика, но затем она резко уменьшается. Для производственных механизмов такая характеристика мало пригодна, и конструкторы электромагнитов применяют специальные меры для того, чтобы выровнять тяговую характеристику, обеспечить постоянство силы тяги.

Рис. 13.5. Работа электромагнита переменного тока. На верхнем графике изображено изменение тока в обмотке электромагнита, на нижнем - изменение силы тяги во времени. Сила тяги пропорциональна квадрату тока, поэтому частота ее изменения увеличилась вдвое

Рис. 13.4. Тяговая характеристика электромагнита

Электромагнит, о котором мы говорили, работает на постоянном токе. Если же обмотку включить на переменный ток, то сила тяги также станет переменной. Из наших формул видно, что сила тяги пропорциональна квадрату тока, поэтому и в положительный, и в отрицательный полупериод сила тяги будет положительной, т.е. направлена она будет в одну и ту же сторону. Якорь будет притягиваться к сердечнику. Это наглядно видно из графиков, приведенных на рис. 13.5.

Однако величина силы тяги изменяется в больших пределах и в тот момент, когда ток проходит через нуль и сила тяги равна нулю. Якорь будет то притягиваться, то отпадать. Мы получим вибратор. Интересно, что частота вибрации якоря вдвое превышает частоту сети. Если сеть имеет частоту 50 Гц, то колебания якоря будут происходить с частотой 100 Гц.

Вибраторы находят в технике самое широкое распространение, поэтому амплитуду колебаний якоря часто стараются увеличить, создать колебательную систему.

Но мы не будем рассматривать это интересное явление, а подумаем о том, как сделать силу тяги постоянной при питании обмотки электромагнита переменным током.

Одно решение напрашивается само. Нужно применить выпрямитель (рис. 13.6). Тогда обмотка электромагнита будет питаться выпрямленным током, который имеет постоянную и переменную составляющие. Если индуктивность обмотки электромагнита достаточно велика, то переменная составляющая тока окажется малой и вибрации якоря исчезнут.

Электромагнит – это магнит, который работает (создаёт магнитное поле) только при протекании через катушку электрического тока. Чтобы сделать мощный электромагнит, нужно взять магнитопровод и обмотать его медной проволокой и просто пропустить ток по этой проволоке. Магнитопровод начнет намагничиваться катушкой и начнет притягивать железные предметы. Хотите мощный магнит – поднимайте напряжение и ток, экспериментируйте. А чтобы не мучится и не собирать магнит самому, можно просто достать катушку с магнитного пускателя (они бывают разные, на 220В/380В). Достаете эту катушку и внутрь вставляем кусок любой железяки (например, обычный толстый гвоздь) и включаем в сеть. Вот это будет по-настоящему не плохой магнит. А если у вас нет возможности достать катушку с магнитного пускателя, то сейчас рассмотрим, как сделать электромагнит самому.

Для сборки электромагнита вам понадобятся проволока, источник постоянного тока и сердечник. Теперь берем наш сердечник и мотаем медную проволоку на него (лучше виток витку, а не в навал – увеличится коэффициент полезного действия). Если хотим сделать мощный электро магнит, то мотаем в несколько слоев, т.е. когда намотали первый слой, переходим во второй слой, а потом мотаем третий слой. При намотке учитывайте, что то, что вы намотаете, эта катушка имеет реактивное сопротивление, и при протекании через эту катушку будет проходить меньший ток при большом реактивном сопротивлении. Но тоже учитывайте, нам нужен и важен ток, потому, что мы будем током намагничивать сердечник, который служит в качестве электро магнита. Но большой ток сильно будет нагревать катушку, по которой протекает ток, так что соотнесите эти три понятия: сопротивление катушки, ток и температура.


При намотке провода выберите оптимальную толщину медной проволоки (где-то 0,5 мм). А можете и поэкспериментировать, учитывая, что чем меньше сечение проволоки, тем больше будет реактивное сопротивление и соответственно ток протекать будет меньший. Но если вы будите мотать толстым проводом (примерно 1мм), было бы не плохо, т.к. чем толще проводник, тем сильнее магнитное поле вокруг проводника и плюс ко всему будет протекать больший ток, т.к. реактивное сопротивление будет меньше. Так же ток будет зависеть и от частоты напряжения (если от переменного тока). Так же стоит сказать пару слов о слоях: чем больше слоев, тем больше магнитное поле катушки и тем сильнее будет намагничивать сердечник, т.к. при наложении слоев магнитные поля складываются.

Хорошо, катушку намотали, и сердечник внутрь вставили, теперь можно приступить к подаче напряжения на катушку. Подаем напряжение и начинаем увеличивать его (если у вас блок питания с регулировкой напряжения, то плавно поднимайте напряжение). Следим при этом чтобы наша катушка не грелась. Подбираем напряжение такое, чтобы при работе катушка была слегка теплой или просто теплой – это будет номинальный режим работы, а так же можно будет узнать номинальный ток и напряжение, замерив на катушке и узнать потребляемую мощность электромагнита, перемножив ток и напряжение.

Если вы собираетесь включать от розетки 220 вольт электромагнит, то вначале обязательно измерьте сопротивление катушки. При протекании через катушку тока в 1 Ампер сопротивление катушки должно быть 220 ом. Если 2 Ампера, то 110 Ом. Вот как считаем ТОК=напряжение/сопротивление= 220/110= 2 А.

Все, включили устройство. Попробуйте поднести гвоздик или скрепку – она должна притянуться. Если плохо притягивается или очень плохо держится, то домотайте слоев пять медной проволки: магнитное поле увеличится и сопротивление увеличится, а если сопротивление увеличится, то номинальные данные электро магнита изменятся и нужно будет перенастроить его.

Если хотите увеличить мощность магнита, то возьмите подковообразный сердечник и намотайте провод на две стороны, таким образом получится манит-подкова состоящий из сердечника и 2-ух катушек. Магнитные поля двух катушек сложатся, а значит, магнит в 2 раза будет работать мощнее. Большую роль играет диаметр и состав сердечника. При малом сечении получится слабый электромагнит, хоть если мы и подадим высокое напряжение, а вот если увеличим сечение сердечка, то у нас выйдет не плохой электромагнит. Да если еще сердечник будет из сплава железа и кобальта (этот сплав характеризуется хорошей магнитной проводимостью), то проводимость увеличится и за счет этого сердечник будет лучше намагничиваться полем катушки.

Рассказать друзьям