Sähkömagneettiset laitteet: tarkoitus, tyypit, vaatimukset, suunnittelu

Sähkömagneettisten laitteiden käyttötarkoitus

Sähköenergian tuotanto, muuntaminen, siirto, jakelu tai kulutus tapahtuu sähkölaitteiden avulla. Kaikesta niiden valikoimasta erottelemme sähkömagneettiset laitteet, joiden toiminta perustuu sähkömagneettisen induktion ilmiöstäjohon liittyy magneettivuon ilmaantumista.

Staattisia sähkömagneettisia laitteita ovat kuristimet, magneettivahvistimet, muuntajat, releet, käynnistimet, kontaktorit ja muut laitteet. Pyörivät - sähkömoottorit ja generaattorit, sähkömagneettiset kytkimet.

Joukko sähkömagneettisten laitteiden ferromagneettisia osia, jotka on suunniteltu johtamaan pääosa magneettivuosta, nimeltä sähkömagneettisen laitteen magneettinen järjestelmä… Tällaisen järjestelmän erityinen rakenneyksikkö on magneettinen piiri… Magneettipiirien läpi kulkevat magneettivuot voivat olla osittain suljettuja ei-magneettiseen väliaineeseen, jolloin muodostuu hajamagneettisia vuotoja.

Magneettipiirin läpi kulkevat magneettivuot voidaan luoda käyttämällä suoria tai vaihtosähkövirtoja, jotka virtaavat yhdessä tai useammassa induktiiviset kelat… Tällainen kela on sähköpiirielementti, joka on suunniteltu käyttämään omaa induktanssiaan ja/tai omaa magneettikenttäään.

Muodostetaan yksi tai useampi kela selvitystilaan… Sitä magneettipiirin osaa, jolla tai jonka ympärillä kela sijaitsee, kutsutaan ydin, kutsutaan osaksi, jolla tai jonka ympärillä kela ei ole ikeen.

Sähkömagneettisten laitteiden tärkeimpien sähköisten parametrien laskenta perustuu kokonaisvirran lakiin ja sähkömagneettisen induktion lakiin. Keskinäisen induktion ilmiötä käytetään siirtämään energiaa sähköpiiristä toiseen.

Katso tarkemmat tiedot täältä: Sähkölaitteiden magneettiset piirit ja täällä: Mihin magneettipiirin laskenta on tarkoitettu?

Sähkömagneettisten laitteiden magneettipiirejä koskevat vaatimukset

Magneettisydämiä koskevat vaatimukset riippuvat niiden sähkömagneettisten laitteiden toiminnallisesta tarkoituksesta, joissa niitä käytetään.

Sähkömagneettisissa laitteissa voidaan käyttää sekä vakio- että/tai vaihtuvia magneettivuoja. Pysyvä magneettivuo ei aiheuta energiahäviöitä magneettipiireissä.

Altistumisolosuhteissa toimivat magneettiytimet jatkuva magneettivuo (esim. DC-koneiden sängyt) voidaan valmistaa valuaihioista myöhemmällä työstyksellä. Magneettipiirien monimutkaisen kokoonpanon ansiosta on taloudellisempaa valmistaa ne useista elementeistä.

Vaihtuvan magneettivuon kulkemiseen magneettipiirien läpi liittyy energiahäviöitä, joita ns. magneettiset häviöt… Ne aiheuttavat magneettipiirien kuumenemista. Magneettisydämien kuumenemista on mahdollista vähentää erityisillä jäähdytystoimenpiteillä (esim. öljytyöskentely). Tällaiset ratkaisut vaikeuttavat niiden suunnittelua, lisäävät niiden tuotanto- ja käyttökustannuksia.

Magneettiset häviöt koostuvat:

• hystereesin menetys;

• pyörrevirtahäviöt;

• lisätappioita.

Hystereesihäviöitä voidaan vähentää käyttämällä pehmeämagneettisia ferromagneetteja, joissa on kapea hystereesipiiri.

Pyörrevirtahäviöt vähenevät yleensä seuraavilla tavoilla:

• sellaisten materiaalien käyttö, joiden ominaissähkönjohtavuus on pienempi;

• magneettisydämien tuotanto sähköeristetyistä nauhoista tai levyistä.

Pyörrevirtojen jakautuminen eri magneettipiireissä: a — valussa; b — levymateriaaleista valmistettujen osien sarjassa.

Magneettipiirin keskiosa on pintaansa verrattuna suuremmassa määrin pyörrevirtojen peitossa, mikä johtaa päämagneettivuon "siirtymiseen" kohti magneettipiirin pintaa, eli syntyy pintailmiö.

Tämä johtaa siihen, että tietyllä tämän magneettipiirin materiaalille ominaisella taajuusominaisuudella magneettivuo keskittyy täysin magneettipiirin ohueen pintakerrokseen, jonka paksuuden määrää tunkeutumissyvyys tietyllä taajuudella. .

Pienen sähkövastuksen omaavasta materiaalista valmistetussa magneettisydämessä virtaavien pyörrevirtojen esiintyminen johtaa vastaaviin häviöihin (pyörrevirtahäviöt).

Pyörrevirtahäviöiden vähentämisen ja magneettivuon maksimaalisen säilyttämisen tehtävä ratkaistaan ​​valmistamalla yksittäisistä osista (tai niiden osista) magneettipiirejä, jotka on sähköisesti eristetty toisistaan. Tässä tapauksessa magneettipiirin poikkileikkauspinta-ala pysyy muuttumattomana.

Levyjä tai nauhoja, jotka on meistetty levymateriaaleista ja kääritty ytimeen, käytetään laajalti. Levyjen (tai nauhojen) pintojen eristämiseen voidaan käyttää erilaisia ​​teknisiä menetelmiä, joista useimmiten käytetään eristyslakkojen tai emalien levitystä.

Erillisistä osista (tai niiden osista) tehty magneettipiiri mahdollistaa:

• pyörrevirtahäviöiden vähentäminen, mikä johtuu levyjen kohtisuorasta järjestelystä niiden kiertosuuntaan nähden (tässä tapauksessa niiden piirien pituus, joita pitkin pyörrevirta voi kiertää, pienenee);

• magneettivuon merkityksettömän epätasaisen jakautumisen saamiseksi, koska levymateriaalin pienellä paksuudella, joka on verrannollinen tunkeutumissyvyyteen, pyörrevirtojen suojavaikutus on pieni.

Magneettisydämien materiaaleille voidaan asettaa muita vaatimuksia: lämpötilan ja tärinän kestävyys, alhainen hinta jne. Tiettyä laitetta suunniteltaessa valitaan pehmeä magneettinen materiaali, jonka parametrit vastaavat parhaiten asetettuja vaatimuksia.

Magneettisydämien suunnittelu

Valmistustekniikasta riippuen sähkömagneettisten laitteiden magneettiytimet voidaan jakaa kolmeen pääryhmään:

• lamelli;

• nauha;

• valettu.

Lamellariset magneettipiirit rekrytoidaan erillisiltä, ​​toisistaan ​​sähköisesti eristetyiltä levyiltä, ​​mikä mahdollistaa pyörrevirtahäviöiden pienentämisen. Nauhan magneettiytimet saadaan kelaamalla tietyn paksuista nauhaa. Tällaisissa magneettipiireissä pyörrevirtojen vaikutus vähenee merkittävästi, koska nauhatasot on peitetty eristävällä lakalla.

Muodostuneet magneettiytimet valmistetaan valamalla (sähköteräs), keramiikkatekniikalla (ferriitit), sekoittamalla komponentteja ja sen jälkeen puristamalla (magneto-dielektriset materiaalit) ja muilla menetelmillä.

Sähkömagneettisen laitteen magneettipiiriä valmistettaessa on varmistettava sen erityinen suunnittelu, jonka määräävät monet tekijät (laitteen teho, käyttötaajuus jne.), mukaan lukien sähkömagneettisen suoran tai käänteisen muuntamisen olemassaolo tai puuttuminen energian mekaaniseksi energiaksi laitteessa.

Laitteiden rakenteet, joissa tällainen muutos tapahtuu (sähkömoottorit, generaattorit, releet jne.), sisältävät osia, jotka liikkuvat sähkömagneettisen vuorovaikutuksen vaikutuksesta.

Laitteita, joissa sähkömagneettinen induktio ei aiheuta sähkömagneettisen energian muuntamista mekaaniseksi energiaksi (muuntajat, kuristimet, magneettivahvistimet jne.), kutsutaan staattisiksi sähkömagneettisiksi laitteiksi.

Staattisissa sähkömagneettisissa laitteissa käytetään useimmiten panssaroituja, sauva- ja rengasmagneettipiirejä suunnittelusta riippuen.

Valetut magneettiytimet voivat olla monimutkaisempia kuin levyt ja nauhat.

Muodostuneet magneettiytimet: a — pyöreä; b — d — panssaroitu; d - kuppi; f, g - kierto; h — monta aukkoa

Panssaroidut magneettiytimet erottuvat suunnittelun yksinkertaisuudesta ja sen seurauksena valmistettavuudesta. Lisäksi tämä malli tarjoaa paremman (muihin verrattuna) kelan suojan mekaanisilta vaikutuksilta ja sähkömagneettisilta häiriöiltä.

Magneettiset ydinpiirit ovat erilaisia:

• hyvä jäähdytys;

• alhainen herkkyys häiriöille (koska viereisiin keloihin indusoituneiden häiriöiden EMF on päinvastainen etumerkillä ja se on osittain tai kokonaan kompensoitu);

• vähemmän (haarniskaan verrattuna) painoa samalla teholla;

• vähemmän (panssariin verrattuna) magneettivuon hajoamista.

Tankomagneettipiireihin perustuvien laitteiden haittoja (verrattuna panssaroituihin laitteisiin) ovat valmistuskelojen työläisyys (etenkin silloin, kun ne on sijoitettu eri sauvojen päälle) ja niiden heikompi suoja mekaanisilta vaikutuksilta.

Pienistä vuotovirroista johtuen rengasmagneettipiirit erottuvat toisaalta hyvällä kohinaneristyksellä ja toisaalta pienellä vaikutuksella lähellä oleviin elektroniikkalaitteiden elementteihin (REE). Tästä syystä niitä käytetään laajasti radiotekniikan tuotteissa.

Pyöreän magneettipiirin haitat liittyvät niiden alhaiseen teknologiaan (vaikeudet kelojen käämittämisessä ja sähkömagneettisten laitteiden asentamisessa käyttöpaikalle) ja rajoitettuun tehoon - jopa satoihin watteihin (jälkimmäinen selittyy magneettipiirin lämmityksellä, jossa ei ole suoraa jäähdytystä sen päällä olevien käämin kierrosten vuoksi).

Magneettipiirin tyypin ja tyypin valinta tehdään ottaen huomioon mahdollisuus saada sen massan, tilavuuden ja kustannusten pienimmät arvot.

Riittävän monimutkaisissa rakenteissa on laitteiden magneettipiirejä, joissa sähkömagneettinen energia muunnetaan suoraan tai käänteisesti mekaaniseksi energiaksi (esimerkiksi pyörivien sähkökoneiden magneettipiirit). Tällaiset laitteet käyttävät valettuja tai levymäisiä magneettipiirejä.

Sähkömagneettisten laitteiden tyypit

Kaasu — laite, jota käytetään induktiivisena vastuksena vaihto- tai sykkivävirtapiireissä.

Magneettiytimiä, joissa on ei-magneettinen rako, käytetään AC-kuristimissa, joita käytetään energian varastointiin, ja tasoituskuristimissa, jotka on suunniteltu tasoittamaan tasasuuntaista virran aaltoilua. Samanaikaisesti on olemassa kuristimia, joissa ei-magneettisen raon kokoa voidaan säätää, mikä on tarpeen kuristimen induktanssin muuttamiseksi sen toiminnan aikana.

Sähkökaasun laite ja toimintaperiaate

Magneettinen vahvistin — laite, joka koostuu yhdestä tai useammasta magneettipiiristä, joissa on keloja ja joiden avulla virran tai jännitteen suuruutta voidaan muuttaa vaihtojännitteen tai vaihtovirtalähteen tuottamassa sähköpiirissä ferromagneetin kyllästymisilmiön käyttöön perustuen pysyvän bias-kentän vaikutuksesta.

Magneettivahvistimen toimintaperiaate perustuu differentiaalisen magneettisen permeabiliteetin muutokseen (mitattuna vaihtovirralla) tasajännitevirran muutoksella, joten yksinkertaisin magneettivahvistin on kyllästetty kuristin, jossa on työkela ja ohjaus. kela.

Muuntaja kutsutaan staattiseksi sähkömagneettiseksi laitteeksi, jossa on kaksi (tai useampia) induktiivisesti kytkettyjä käämiä ja joka on suunniteltu muuntamaan sähkömagneettisella induktiolla yksi tai useampi vaihtovirtajärjestelmä yhdeksi tai useammaksi muuksi AC-järjestelmäksi.

Muuntajan teho määräytyy magneettisydänmateriaalin suurimman mahdollisen induktion ja sen mittojen mukaan. Siksi voimakkaiden tehomuuntajien magneettiytimet (yleensä sauvatyyppiset) kootaan sähköteräslevyistä, joiden paksuus on 0,35 tai 0,5 mm.

Muuntajan laite ja toimintaperiaate

Sähkömagneettinen rele kutsutaan sähkömekaaniseksi releeksi, jonka toiminta perustuu paikallaan olevan kelan magneettikentän vaikutukseen liikkuvaan ferromagneettiseen elementtiin.

Mikä tahansa sähkömagneettinen rele sisältää kaksi sähköistä piiriä: tulosignaalipiirin (ohjaus) ja lähtösignaalipiirin (ohjattu). Ohjatun piirin laiteperiaatteen mukaan erotetaan polarisoimattomat ja polarisoidut releet. Polarisoimattomien releiden toiminta, toisin kuin polarisoitujen releiden, ei riipu ohjauspiirin virran suunnasta.

Kuinka sähkömagneettinen rele toimii ja toimii

Erot DC- ja AC-sähkömagneettisten releiden välillä

Pyörivä sähkökone — laite, joka on suunniteltu muuntamaan energiaa sähkömagneettisen induktion ja magneettikentän vuorovaikutuksen perusteella sähkövirran kanssa ja joka sisältää vähintään kaksi päämuunnosprosessiin osallistuvaa osaa ja joka pystyy pyörimään tai pyörimään toistensa suhteen.

Sähkökoneiden osaa, joka sisältää kiinteän magneettipiirin kelalla, kutsutaan staattoriksi ja pyörivää osaa roottoriksi.

Sähkökonetta, joka on suunniteltu muuttamaan mekaanista energiaa sähköenergiaksi, kutsutaan sähkökonegeneraattoriksi. Sähkökonetta, joka on suunniteltu muuttamaan sähköenergiaa mekaaniseksi energiaksi, kutsutaan pyöriväksi sähkömoottoriksi.

Sähkömoottoreiden toimintaperiaate ja laite

Generaattorien toimintaperiaate ja laite

Yllä olevat esimerkit pehmeiden materiaalien käytöstä sähkömagneettisten laitteiden luomiseen eivät ole tyhjentäviä. Kaikki nämä periaatteet pätevät myös magneettipiirien ja muiden induktoreita käyttävien sähkötuotteiden, kuten sähköisten kytkinlaitteiden, magneettilukkojen jne., suunnittelussa.