Поляризованные электромагниты

В поляризованных ЭМ имеются два независимых магнитных потока: поляризующий и рабочий. Поляризующий магнитный поток в большинстве случаев создается постоянным магнитом, а рабочий – обмоткой управления. На рис. 5.12 показаны две наиболее распространенные конструкции поляризованных ЭМ: с дифференциальной магнитной цепью (рис. 5.12, а) и с мостовой магнитной цепью (рис. 5.12, б).

Рассмотрим дифференциальный ЭМ. Поляризующий поток Ф_п, создаваемый постоянным магнитом, разветвляется на две части: Ф₁ (в левом воздушном зазоре) и Ф₂ (в правом):

Ф_п = Ф₁ + Ф₂.                                                         (5.19)

Якорь поляризованного ЭМ находится под действием двух электромагнитных сил, направленных в разные стороны. Результирующая сила равна разности сил, действующих в воздушных зазорах. При отсутствии рабочего потока электромагнитные силы создаются потоками Ф₁и Ф₂. В среднем положении якоря эти силы одинаковы, и результирующая сила равна нулю. Однако в среднем положении равновесие якоря неустойчиво. Незначительное смещение его от нейтрального положения приводит к возрастанию одного потока и уменьшению другого, что вызывает увеличение одной силы и уменьшение другой. Под действием возникшей результирующей силы якорь перемещается к одному из полюсов (например, левому).

Рабочий магнитный поток Ф_р, создаваемый обмоткой управления, проходит последовательно через два воздушных зазора и внешний магнитопровод. В зависимости от полярности напряжения управления рабочий поток складывается с поляризующим потоком в одном воздушном зазоре и вычитается в другом. При соответствующем направлении рабочего потока и определенном его значении электромагнитные силы, действующие на якорь, сравняются и якорь перейдет в другое положение (например, правое) и останется в нем после отключения тока.

Найдем тяговую характеристику ЭМ. Без учета магнитного сопротивления магнитопровода магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ распределяются обратно пропорционально магнитным сопротивлениям R_м1, R_м2 соответствующих зазоров. Для плоскопараллельных полюсов

                                       (5.20)

где δ ₁, δ ₂ – величины левого и правого зазоров соответственно; δ = δ ₁ + δ ₂; S – сечение рабочего воздушного зазора.

С учетом (5.19) из (5.20) получим следующие выражения:

                               (5.21)

Пусть направление Ф_р таково, что Ф_р и Ф₁ складываются (в левом зазоре), а Ф_р и Ф₂ вычитаются (в правом), т. е., как на рис. 5.12.. Тогда результирующие магнитные потоки в соответствующих воздушных зазорах равны

Ф_лев = Ф₁ + Ф_р; Ф_прав = Ф₂ – Ф_р.                               (5.22)

Электромагнитные силы, создаваемые потоками, находим по формуле Максвелла:

                                           (5.21)

Результирующая электромагнитная сила, действующая на якорь, равна

            (5.22)

С учетом выражений (5.19), (5.21) окончательно получим

                                                 (5.23)

Первое слагаемое – электромагнитная сила, создаваемая поляризующим потоком и пропорциональная смещению якоря; второе – электромагнитная сила, создаваемая рабочим потоком и пропорциональная току обмотки управления.

Фр можно выразить через МДС, создаваемую током управления: Ф_р = FG _p, где G _p – магнитная проводимость по пути рабочего потока.Введем обозначения констант:

Тогда

Р _э = Ах + В F.                                                      (5.24)

Как видим, Р _э линейно зависит от х. Выражение (5.24) представляет собой тяговую характеристику электромагнита (рис. 5.13, а).

Непрерывный или релейный режим работы ЭМ определяются согласованием его тяговых и механических характеристик. При непрерывном режиме работы механическая характеристика (а это как правило характеристика пружины) должна идти более круто, чем тяговая. Тогда равновесие якоря наступает при равенстве электромагнитной силы и силы противодействия пружины Р _пр :

Р _э = Р _пр .                                                            (5.25)

Лучше всего, если Р _пр будет изменяться по линейному закону в зависимости от перемещения якоря. Тогда и перемещение будет линейно зависеть от тока ЭМ. Как таз такой вид механической характеристики имеет пружина, усилие которой Р _призменяется пропорционально ее растяжению х:

Р _пр = сх,

где с – жесткость пружины.

При названных условиях из (5.24) и (5.25) получаем уравнение статической характеристики ЭМ:

Статическая характеристика показана на рис. 5.13, б. При отсутствии тока якорь находится в среднем положении (х = 0) с помощью пружины. Подача тока приводит к перемещению якоря, пропорциональному значению тока.

При отсутствии противодействующего усилияполяризованный ЭМ работает в релейном режиме. Якорь в этом режиме может занимать одно из крайних положений (х = ± х _шах). При отсутствии тока управления якорь удерживается в крайнем положении силой Р _пшах, которую можно определить из (5.23) при Ф_р = 0:

                                                       (5.26)

Для переключения якоря в другое положение необходимо подать ток такой полярности, чтобы сила Р _рбыла направлена встречно Р _{п шах}. Можно показать, что значение МДС срабатывания  (см. Жадобина)

                                                         (5.27)

Одно из основных применений поляризованных ЭМ – электромагнитные реле (реле – это ЭМ + контактная система). Их так и называют – поляризованные реле.

Рассмотренный принцип действия реализован в т.н. двухпозиционных поляризованных реле. Контактная система этих реле показана на рис. 5.14, а. У двухпозиционного реле при отсутствии тока в обмотке управления якорь занимает одно из крайних положений, и поэтому всегда замкнут один из двух контактов в зависимости от предшествующего направления тока. Перемещение якоря в другое крайнее положение произойдет при подаче тока противоположного направления. При отключении обмотки контакты остаются в состоянии, соответствующем последнему срабатыванию. У трехпозиционного реле (рис. 5.14, б) имеется пружина, усилие которой превышает силу постоянного магнита, поэтому при отсутствии тока якорь под действием пружины находится в среднем положении, оба контакта разомкнуты. При подключении обмотки управления замыкается один из контактов в зависимости от направления тока.

Важное достоинство поляризованных реле – отсутствие тока в покое.

До сих пор мы рассматривали дифференциальный электромагнит (рис. 5.12, а). На рис. 5.12, б показан мостовой поляризованный ЭМ. Якорь мостового ЭМ находится под воздействием разности двух сил, одна из которых определяется суммой, а другая – разностью поляризующего и рабочего магнитных потоков. Отличие мостового ЭМ от дифференциального заключается в том, что в мостовом ЭМ пути прохождения поляризующего и рабочего магнитных потоков в большей степени разделены. Такое разделение способствует более стабильной работе постоянного магнита и повышению чувствительности ЭМ.

Отличительной особенностью поляризованных ЭМ является  их более высокое быстродействие по сравнению с нейтральными. При подключении и отключении обмотки управления магнитное поле ЭМ не создается и не уничтожается полностью благодаря наличию поляризующего потока. Поэтому постоянная времени обмотки управления обычно мала. К тому же ход якоря небольшой, сам якорь выполняется легким, поэтому время срабатывания значительно меньше, чем у нейтральных ЭМ. Оно лежит в пределах 1–3 мс.