Порядок расчета нейтрального электромагнита

 

В задачу расчета входит нахождение таких конструктивных размеров и параметров обмотки ЭМ, которые соответствовали бы заданным условиям работы устройства. Обычно в число исходных данных входят: противодействующая (механическая) характеристика, полученная расчетным или экспериментальным путем; напряжение и ток входного сигнала, подаваемого на обмотку; режим работы; временные параметры; габаритные размеры; вес; стоимость. Кроме того, необходимо учитывать основные условия эксплуатации: температуру окружающей среды, влажность, запыленность, наличие вибраций.

В результате расчета необходимо выбрать тип ЭМ (см. рис. 15.1), материал для магнитной цепи, определить геометрические размеры магнитопровода, катушки и ее электрические параметры. Создаваемая конструкция должна отвечать критерию оптимальности, или экономичности, т.е. обладать минимальными размерами, весом и стоимостью.

Расчет ЭМ включает в себя следующие этапы. 1. Выбор типа электромагнита и кинематической схемы соединения его с исполнительным механизмом. Форма магнитной цепи определяется назначением ЭМ в технологической цепи производства. Например, для больших усилий и больших ходов якоря рекомендуется использовать прямоходовые ЭМ (см. рис. 15.1, е), которые имеют минимальные размеры, вес и стоимость. При очень малом ходе якоря применяют клапанные электромагниты с цилиндрическим магнитопроводом (см. рис. 15.1, г).

Для каждой формы ЭМ имеются определенные соотношения между значениями электромагнитного усилия и ходом якоря, при которых вес сконструированного электромагнита получается минимальным. Для удобства выбора оптимальной формы ЭМ вводится понятие конструктивного показателя (КП), представляющего собой следующее отношение:

 

 

где F_{э min} — электромагнитное усилие, которое должен развивать электромагнит при максимальном рабочем воздушном зазоре θ_В, когда θ_В = θ_Н.

Выбор КП определяется на основании следующих рассуждений: длина сердечника растет пропорционально увеличению магнитодвижущей силы, создаваемой обмоткой, а МДС, в свою очередь, определяется максимальным рабочим воздушным зазором δ_В; поперечное сечение сердечника определяется требуемым начальным электромагнитным усилием. Действительно, как было показано выше, электромагнитное усилие пропорционально сечению сердечника, т. е. квадрату его поперечного линейного размера. Поэтому поперечный размер сердечника пропорционален корню квадратному из тягового усилия.

На основании расчета были получены данные для выбора оптимальной формы ЭМ. Так, для прямоходового ЭМ без неподвижного сердечника (см. рис. 15.1, е) значение конструктивного показателя составляет 400 Н^1/2/м; для клапанного ЭМ с цилиндрическим магнитопроводом (см. рис. 15.1, г) конструктивный показатель равен 2900 Н^1/2/м. В маломощных ЭМ практическое значение имеет не вес, а чувствительность, поэтому эти ЭМ выполняются клапанного типа (см. рис. 15.1, а...г). Конструктивный показатель для них равен 800... 8000 Н^1/2/м.

2. Предварительный расчет электромагнита проводят обычно в два этапа. Сначала выполняют ориентировочный расчет для определения в первом приближении основных размеров и параметров ЭМ. При таком расчете потери намагничивающей силы и утечки магнитного потока учитывают приближенно. Затем проводят точный расчет электромагнита, при этом найденные в предварительном расчете размеры магнитопровода позволяют с достаточной точностью учесть насыщение магнитопровода, потери магнитодвижущей силы и утечку магнитного потока. После проведения окончательного расчета проверяют рациональность принятой формы и найденных размеров ЭМ.

Порядок предварительного расчета применительно к прямоходовому ЭМ с неподвижным сердечником и клапанному ЭМ сводится к следующему:

выбирают значение магнитной индукции в рабочем зазоре при начальном его значении B_δH. Следует иметь в виду, что с ростом индукции уменьшаются размеры магнитопровода, но одновременно уменьшается и чувствительность ЭМ, так как возрастают потери магнитодвижущей силы и утечка магнитного потока. Учитывая наличие потоков рассеяния, магнитную индукцию B _δн выбирают в пределах 0,06... 1 Тл в зависимости от формы магнитопровода и условий работы ЭМ. Выбор В_δн определяется соотношением между заданным значением электромагнитного усилия F_э при отпущенном якоре и ходом δ; причем с увеличением F_э необходимо выбирать большие значения В_δн. Опытные и расчетные данные оптимальных значений B _δн удобно выражать в функции конструктивного показателя КП. На рис. 15.2 приведены зависимости величины B _δH и отношения длины обмотки l _об к ее ширине h _об от отношения √ F_эmin /δ_Н для некоторых типов ЭМ постоянного тока. Эти зависимости построены исходя из наиболее экономичного использования активных материалов (сталь, медь);

определяют сечение участков магнитопровода. Например, для клапанного ЭМ или прямоходового с плоским якорем сечение рабочего зазора можно найти, воспользовавшись формулой

 

 

Причем требуемое значение электромагнитного усилия F_эmin принимают на 15...25 % больше заданного противодействующего усилия при δ = δ_Н. Для электромагнитов, не имеющих полюсного наконечника, найденное сечение рабочего зазора S _δ соответствует сечению сердечника. При наличии полюсного наконечника, например в клапанных ЭМ (см. рис. 15.1, а, в), найденное сечение равно сечению полюсного наконечника.

 

 

3. Определение длины l _об и толщины h _обобмотки. Предварительно задаются отношением длины обмотки к ее толщине, т.е. l _об/ h _об. При изменении этого отношения получается разный расход меди и стали — активных материалов электромагнита. Так, с увеличением отношения l _об /h _обуменьшается расход меди (так как уменьшается объем меди, поверхность охлаждения катушки увеличивается), а расход стали растет (так как увеличивается длина магнитопровода). На практике установлено, что при относительно небольшом ходе якоря и малом значении усилия отношение l _об/ h _об следует выбирать большим, чем при увеличении усилия и уменьшении хода якоря.

Таким образом, с помощью отношения l _об/ h _об также можно определить значения конструктивного показателя (см. рис. 15.2). Рекомендуется для клапанных ЭМ брать отношение l _об /h _об= 1... 8, а для прямоходовых — в пределах 5... 8.