РАБОЧИЙ ЦИКЛ ЭЛЕКТРОМАГНИТА
4-1
РАБОЧИЙ ЦИКЛ ЭЛЕКТРОМАГНИТА
Работа электромагнита в электромагнитном механизме носит циклический характер. Это определяется тем, что якорь электромагнита, используемого в качестве привода, совершает поступательное или вращательное перемещение в ограниченных пределах, следовательно, необходимо обеспечивать его возврат в исходное положение.
Для рассмотрения работы электромагнита приводим следующие рисунки: зависимость положения якоря от времени и зависимость тока в обмотке электромагнита от времени.
4-2
Первым этапом рабочего цикла является процесс срабатывания электромагнита. Он начинается с момента подачи питания на обмотку электромагнита, когда якорь переходит из своего начального положения 
в конечное 
и подразделяется на период трогания и период движения.
В ПЕРИОД ТРОГАНИЯ ток в обмотке электромагнита нарастает до 
, обеспечивающего равенство электромагнитной силы силам, противодействующим движению. После этого якорь приходит в движение.
ВРЕМЯ ТРОГАНИЯ 
, в течении которого ток нарастает до тока трогания, определяется как схемой включения обмотки электромагнита и условиями ее питания, так и параметрами самого электромагнита и его нагрузки. Для одного и того же электромагнита при разной нагрузке (противодействующих движению силах) время трогания будет различно.
Характер движения зависит от соотношения движущих (электромагнитных) и противодействующих сил, а так же массы движущихся частей, трения и т.д.
4-3
В период движения при срабатывании совершается та работа, которую должен произвести электромагнит. Ток в обмотке электромагнита в процессе движения якоря, как правило, изменяется (кривая 2).
Его изменения связаны как с процессом установления тока в обмотке, который имел бы место при неподвижном якоре (кривая 1), так и возникновением противо-э.д.с., связанной с движением якоря. Период движения определяет время движения при срабатывании 
, которое совместно с временем трогания составляет время срабатывания.
После окончания перемещения якоря следует период включенного состояния, в течение которого система находится в покое, а обмотка остается во включенном состоянии.
В начальной стадии этого периода ток в обмотке электромагнита нарастает до установившегося значения (кривая 3), после чего, если не изменяются напряжение питания и сопротивление обмотки, ток остается неизменным.
4-4
Длительность включенного состояния зависит от требований эксплуатации электромагнита. Температура нагрева, которой достигает обмотка электромагнита в процессе включенного состояния, не должна превосходить допустимого значения.
Процесс возврата якоря в исходное состояние, так же как и срабатывание, происходит двумя ступенями. Сначала при отключении обмотки ток спадает до величины тока отпускания 
, при котором электромагнитная сила становится равной силе, стремящейся возвратить якорь в исходное положение. Длительность этого процесса характеризуется промежутком времени 
, зависящим от нагрузки, условий отключения обмотки и от задерживающего действия вихревых токов в массивных частях электромагнита и короткозамкнутых контурах, если такие имеются. Перемещение подвижных частей в исходное положение происходит в течении времени 
, которое зависит от ряда факторов и, в первую очередь, от величины отбрасывающих якорь усилий. Время отпускания и время движения в процессе возврата составляют время возврата 
.
4-5
Цикл работы электромагнита завершается периодом отключенного состояния, в течении которого обмотка электромагнита остается обесточенной и происходит ее охлаждение.
4-6
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ
Наиболее общими являются динамические характеристики, которые учитывают изменение намагничивающей силы электромагнита в процессе его срабатывания за счет действия э.д.с. самоиндукции и движения, а также учитывают трение, демпфирование и инерцию подвижных частей. Для некоторых типов электромагнитов (быстродействующие приводы выключателей, электромагнитные вибраторы и т.д.) знание динамических характеристик является обязательным, так как только они характеризуют рабочий процесс такого электромагнита. Однако получение динамических характеристик сопряжено с большим объемом вычислений. Поэтому во многих случаях, особенно когда не требуется точного определения времени срабатывания, ограничиваются рассмотрением статических характеристик.
4-7
Последние получаются, если не учитывать влияния на электрическую цепь движущегося якоря электромагнита, а также не учитывать изменения потокосцепления по времени, т.е. считать, что ток в обмотке электромагнита неизменен.
Важнейшими характеристиками электромагнита с точки зрения его оценки являются следующие:
1. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА.
Представляет зависимость электромагнитной силы (
) от положения якоря (
) для различных постоянных значений напряжения, подведенного к обмотке, или тока в обмотке.
при 
при 
Она должна быть такой, чтобы в любом положении якоря электромагнитная сила была больше противодействующей.
4-8
2. НАГРУЗОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА.
Связывает значение электромагнитной силы и величину напряжения, подведенного к обмотке, или тока в ней при различных положениях якоря
для 
3. УСЛОВНАЯ ПОЛЕЗНАЯ РАБОТА.
Определяется как произведение электромагнитной силы, соответствующей данному положению якоря, на величину его возможного хода
при 
.
Значение условной полезной работы для данного электромагнита является функцией начального положения якоря и величины тока в обмотке электромагнита.
4. ВРЕМЯ СРАБАТЫВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА.
При прочих равных условиях является функцией начальной силы, противодействующей перемещению якоря
при
4-9
5. ХАРАКТЕРИСТИКА НАГРЕВА.
Зависимость температуры нагрева обмотки электромагнита от продолжительности включенного состояния
nобм=f(t)
6. ПОКАЗАТЕЛЬ ДОБРОТНОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТА.
Отношение веса электромагнита к величине условной полезной работы
7. ПОКАЗАТЕЛЬ ЭКОНОМИЧНОСТИ.
Отношение потребляемой обмоткой электромагнита мощности к величине условной полезной работы
Все эти характеристики позволяют установить пригодность данного электромагнита к определенным условиям его работы.
4-10
Кроме перечисленных характеристик, следует рассмотреть также некоторые из основных параметров электромагнитов.
К ним относятся:
а) МОЩНОСТЬ, ПОТРЕБЛЯЕМАЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТОМ.
Предельная мощность, потребляемая электромагнитом, может ограничиваться как величиной допустимого нагрева его обмотки, так, в некоторых случаях, и условиями питания цепи обмотки электромагнита.
Для силового электромагнита, как правило, ограничением является его нагрев за период включенного состояния. Поэтому величина допустимого нагрева и его правильный учет при проектировании являются наиболее важным фактором.
Выбор рациональной конструкции как в магнитном и механическом отношении, так и в смысле тепловых характеристик позволяет при заданных условиях получить конструкцию с минимальными габаритами и весом, а следовательно, и наименьшей стоимостью. Применение более совершенных магнитных материалов и обмоточных проводов также способствует увеличению эффективности конструкции.
4-11
В некоторых случаях электромагниты (для реле регуляторов и др.) проектируют из расчета получения максимального усилия, т.е. минимального потребления мощности при заданной полезной работе. Такие электромагниты характеризуются сравнительно небольшими электромагнитными силами и ходами и легкими подвижными частями. Нагрев их обмоток бывает обычно значительно ниже допустимого. Теоретически мощность, потребляемая электромагнитом, может быть сколь угодно снижена путем соответствующего увеличения размеров его катушки. Практически предел этому создают увеличивающаяся длина среднего витка обмотки и длина средней линии магнитной индукции, вследствие чего увеличение размеров электромагнита становится малоэффективным.
4-12
б) КОЭФФИЦИЕНТ ЗАПАСА.
В большинстве случаев намагничивающую силу трогания можно считать равной Н.С. срабатывания электромагнита.
Отношение Н.С., соответствующей установившемуся значению тока, к Н.С. срабатывания (критической Н.С.) носит название коэффициента запаса
Для получения минимального времени трогания, при определенной конструкции электромагнита, ток трогания должен составлять примерно 70% установившегося тока, т.е. 
.
в) КОЭФФИЦИЕНТ ВОЗВРАТА.
Отношение Н.С., при которой происходит возврат якоря в первоначальное положение, к Н.С. срабатывания называется коэффициентом возврата электромагнита.
Коэффициент возврата имеет наибольшее значение при максимальном приближении противодействующей характеристики к тяговой характеристике электромагнита. Уменьшение хода электромагнита также повышает коэффициент возврата.
4-13
ФОРСИРОВКА ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ “—” I
Форсировка электромагнита “—” тока – это значит ускорение срабатывания электромагнита.
Определяющим во времени срабатывания является время трогания. Фактически – изменение постоянной времени цепи.
СПОСОБЫ ФОРСИРОВКИ
а) Включение дополнительного резистора в цепь катушки электромагнита с одновременным увеличением питающего напряжения.
U>Uн, Iустановив.=const, Т=L/(R+RД) – постоянная времени цепи уменьшается.
Уменьшается время трогания и время срабатывания.
б) Включение дополнительного сопротивления, шунтируемого дополнительным (вспомогательным) контактом электромагнита (или С).
4-14
В первый момент времени контакт шунтирует резистор и ток быстро достигает тока трогания из-за малого сопротивления обмотки. После включения электромагнита вводится дополнительное сопротивление, ограничивающее значение установившегося тока.
В момент включения емкость представляет собой малое сопротивление, фактически шунтирующее 
. После того, как якорь трогается, происходит дешунтирование (зарядка С).
Каким образом можно осуществить замедление Вы узнаете из л.р. №7 (при помощи короткозамкнутого витка, надеваемого на сердечник; КЗ виток – это магнитный демпфер. При включении магнитная система разомкнута, время замедления – доли секунды.
Поскольку при отключении система магнитопровода замкнута, то постоянная времени намного больше. Замедление достаточно большое (десятки секунд). Потоки направлены друг против друга.)
5-1
ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Широкое распространение имеют электромагниты, питание которых осуществляется от источников переменного тока. Магнитный поток, создаваемый обмоткой, по которой проходит переменный ток,… Однако для тяговых электромагнитов снижение электромагнитной силы ниже определенного уровня недопустимо, т.к. это…ГРАФИКИ, ОПИСЫВАЮЩИЕ ЭТОТ ПРОЦЕСС
механическая характеристика равна сумме сил, противодействующих движению якоря.
Только в некоторых областях якорь будет притягиваться (заштрихованные области). В остальных промежутках якорь отпадает.
5-7