Elektromagnetski uređaji: namjena, vrste, zahtjevi, izvedba

Namjena elektromagnetskih uređaja

Proizvodnja, transformacija, prijenos, distribucija ili potrošnja električne energije obavlja se pomoću električnih uređaja. Iz sve njihove raznolikosti izdvajamo elektromagnetske uređaje na čijem se radu temelji o fenomenu elektromagnetske indukcijepraćeno pojavom magnetskih tokova.

Statički elektromagnetski uređaji uključuju prigušnice, magnetska pojačala, transformatore, releje, startere, kontaktore i druge uređaje. Rotirajući — elektromotori i generatori, elektromagnetske spojke.

Skup feromagnetskih dijelova elektromagnetskih uređaja dizajniranih za provođenje glavnog dijela magnetskog toka, pod nazivom magnetski sustav elektromagnetskog uređaja… Posebna strukturna jedinica takvog sustava je magnetski krug… Magnetski fluksevi koji prolaze kroz magnetske krugove mogu biti djelomično ograničeni u nemagnetskom mediju, tvoreći zalutale magnetske tokove.

Magnetski tokovi koji prolaze kroz magnetski krug mogu se stvoriti pomoću istosmjernih ili izmjeničnih električnih struja koje teku u jednom ili više induktivni svici… Takav svitak je element električnog kruga dizajniran za korištenje vlastitog induktiviteta i/ili vlastitog magnetskog polja.

Formira se jedna ili više zavojnica likvidacija… Dio magnetskog kruga na kojem ili oko kojeg se nalazi zavojnica zove se jezgra, naziva se dio na kojem ili oko kojeg se ne nalazi zavojnica jaram.

Proračun glavnih električnih parametara elektromagnetskih uređaja temelji se na zakonu ukupne struje i zakonu elektromagnetske indukcije. Pojava međusobne indukcije koristi se za prijenos energije iz jednog električnog kruga u drugi.

Više detalja pogledajte ovdje: Magnetski krugovi električnih uređaja i ovdje: Čemu služi proračun magnetskog kruga?

Zahtjevi za magnetske krugove elektromagnetskih uređaja

Zahtjevi za magnetske jezgre ovise o funkcijskoj namjeni elektromagnetskih uređaja u kojima se koriste.

U elektromagnetskim uređajima mogu se koristiti i stalni i/ili izmjenični magnetski tokovi. Trajni magnetski tok ne uzrokuje gubitke energije u magnetskim krugovima.

Magnetske jezgre koje rade u uvjetima izloženosti stalni magnetski tok (npr. kreveti za istosmjerne strojeve) mogu se izraditi od lijevanih proizvoda uz naknadnu strojnu obradu. Uz složenu konfiguraciju magnetskih krugova, ekonomičnije ih je izraditi iz nekoliko elemenata.

Prolazak kroz magnetske krugove izmjeničnog magnetskog toka praćen je gubicima energije, koji se nazivaju magnetski gubici… Oni uzrokuju zagrijavanje magnetskih krugova. Moguće je smanjiti zagrijavanje magnetskih jezgri posebnim mjerama za njihovo hlađenje (na primjer, rad u ulju). Takva rješenja kompliciraju njihov dizajn, povećavaju troškove njihove proizvodnje i rada.

Magnetski gubici se sastoje od:

• gubitak histereze;

• gubici vrtložnih struja;

• dodatni gubici.

Gubici zbog histereze mogu se smanjiti upotrebom mekih magnetskih feromagneta s uskim krug histereze.

Gubici vrtložnih struja obično se smanjuju za:

• korištenje materijala niže specifične električne vodljivosti;

• proizvodnja magnetskih jezgri od električki izoliranih traka ili ploča.

Raspodjela vrtložnih struja u različitim magnetskim krugovima: a — u lijevanju; b — u skupu dijelova od pločastih materijala.

Srednji dio magnetskog kruga je u većoj mjeri pokriven vrtložnim strujama u odnosu na njegovu površinu, što dovodi do «pomaka» glavnog magnetskog toka prema površini magnetskog kruga, odnosno dolazi do površinskog efekta.

To dovodi do činjenice da će pri određenoj frekvenciji karakterističnoj za materijal ovog magnetskog kruga, magnetski tok biti potpuno koncentriran u tankom površinskom sloju magnetskog kruga, čija je debljina određena dubinom prodiranja na danoj frekvenciji. .

Prisutnost vrtložnih struja koje teku u magnetskoj jezgri izrađenoj od materijala s malim električnim otporom dovodi do odgovarajućih gubitaka (gubici vrtložnih struja).

Zadatak smanjenja gubitaka vrtložnih struja i maksimalnog očuvanja magnetskog toka rješava se izradom magnetskih krugova od pojedinačnih dijelova (ili njihovih dijelova), koji su međusobno električno izolirani. U tom slučaju površina poprečnog presjeka magnetskog kruga ostaje nepromijenjena.

Ploče ili trake utisnute od pločastih materijala i namotane na jezgru široko se koriste. Za izolaciju površina ploča (ili traka) mogu se koristiti različite tehnološke metode, od kojih se najčešće primjenjuje nanošenje izolacijskih lakova ili emajla.

Magnetski krug sastavljen od zasebnih dijelova (ili njihovih dijelova) omogućuje:

• smanjenje gubitaka vrtložnih struja zbog okomitog rasporeda ploča u odnosu na smjer njihove cirkulacije (u ovom slučaju smanjuje se duljina krugova duž kojih mogu cirkulirati vrtložne struje);

• kako bi se dobila zanemariva nejednolika raspodjela magnetskog toka, budući da je pri maloj debljini lima, razmjernoj dubini prodiranja, zaštitni učinak vrtložnih struja mali.

Za materijale magnetskih jezgri mogu se postaviti i drugi zahtjevi: otpornost na temperaturu i vibracije, niska cijena itd. Prilikom projektiranja određenog uređaja odabire se meki magnetski materijal čiji parametri najbolje zadovoljavaju navedene zahtjeve.

Projektiranje magnetskih jezgri

Ovisno o tehnologiji proizvodnje, magnetske jezgre elektromagnetskih uređaja mogu se podijeliti u 3 glavne skupine:

• lamelarni;

• traka;

• ukalupljen.

Lamelarni magnetski krugovi regrutirani su iz odvojenih, električno izoliranih ploča jedna od druge, što omogućuje smanjenje gubitaka vrtložnih struja. Trakaste magnetske jezgre dobivaju se namotavanjem trake određene debljine. U takvim magnetskim krugovima, učinak vrtložnih struja je značajno smanjen, budući da su ravnine trake prekrivene izolacijskim lakom.

Formirane magnetske jezgre proizvode se lijevanjem (elektročelik), keramičkom tehnologijom (feriti), miješanjem komponenti nakon čega slijedi prešanje (magneto-dielektrici) i drugim metodama.

U proizvodnji magnetskog kruga elektromagnetskog uređaja potrebno je osigurati njegov specifičan dizajn, koji je određen mnogim čimbenicima (snaga uređaja, radna frekvencija itd.), uključujući prisutnost ili odsutnost izravne ili obrnute pretvorbe elektromagnetskog energije u mehaničku energiju u uređaju.

Dizajni uređaja u kojima se događa takva transformacija (elektromotori, generatori, releji itd.) uključuju dijelove koji se kreću pod utjecajem elektromagnetskog međudjelovanja.

Uređaji kod kojih elektromagnetska indukcija ne uzrokuje pretvorbu elektromagnetske energije u mehaničku (transformatori, prigušnice, magnetska pojačala i dr.) nazivaju se statičkim elektromagnetskim uređajima.

U statičkim elektromagnetskim uređajima, ovisno o izvedbi, najčešće se koriste oklopni, štapni i prstenasti magnetski krugovi.

Oblikovane magnetske jezgre mogu imati složeniji dizajn od listova i traka.

Formirane magnetske jezgre: a — okrugle; b — d — oklopni; d - šalica; f, g — rotacija; h — mnogo otvora

Oklopljene magnetske jezgre odlikuju se jednostavnošću dizajna i, kao rezultat toga, proizvodljivošću. Osim toga, ovaj dizajn pruža bolju (u usporedbi s drugima) zaštitu svitka od mehaničkih utjecaja i elektromagnetskih smetnji.

Magnetski krugovi jezgre razlikuju se:

• dobro hlađenje;

• niska osjetljivost na smetnje (budući da je EMF smetnji induciranih u susjednim zavojnicama suprotnog predznaka i djelomično ili potpuno kompenziran);

• manja (u odnosu na oklop) težina s istom snagom;

• manje (u odnosu na oklop) rasipanje magnetskog toka.

Nedostaci uređaja koji se temelje na šipkastim magnetskim krugovima (u odnosu na uređaje koji se temelje na oklopljenim) uključuju zahtjevnost izrade zavojnica (osobito kada se postavljaju na različite šipke) i njihovu slabiju zaštitu od mehaničkih utjecaja.

Zbog niskih struja curenja, prstenasti magnetski krugovi odlikuju se, s jedne strane, dobrom izolacijom buke, as druge strane, malim učinkom na obližnje elemente elektroničke opreme (REE). Zbog toga se naširoko koriste u proizvodima radiotehnike.

Nedostaci kružnih magnetskih krugova povezani su s njihovom niskom tehnologijom (poteškoće u namatanju zavojnica i instaliranju elektromagnetskih uređaja na mjestu uporabe) i ograničenom snagom - do stotina vata (potonje se objašnjava zagrijavanjem magnetskog kruga, koji nema izravno hlađenje zbog na njemu smještenih zavoja zavojnice).

Izbor vrste i tipa magnetskog kruga vrši se uzimajući u obzir mogućnost dobivanja najmanjih vrijednosti njegove mase, volumena i cijene.

Dovoljno složene strukture imaju magnetske krugove uređaja u kojima postoji izravna ili obrnuta pretvorba elektromagnetske energije u mehaničku energiju (na primjer, magnetski krugovi rotirajućih električnih strojeva). Takvi uređaji koriste lijevane ili pločaste magnetske krugove.

Vrste elektromagnetskih uređaja

gas — uređaj koji se koristi kao induktivni otpor u krugovima izmjenične ili pulsirajuće struje.

Magnetske jezgre s nemagnetskim razmakom koriste se u izmjeničnim prigušnicama koje se koriste za pohranu energije i u prigušnicama za izglađivanje dizajnirane za izglađivanje valovitosti ispravljene struje. Istodobno, postoje prigušnice u kojima se može podešavati veličina nemagnetskog raspora, što je potrebno za promjenu induktiviteta prigušnice tijekom njezina rada.

Uređaj i princip rada električnog prigušnika

Magnetsko pojačalo — uređaj koji se sastoji od jednog ili više magnetskih krugova sa zavojnicama pomoću kojih se može mijenjati veličina struje ili napona u električnom krugu napajanom izmjeničnim naponom ili izvorom izmjenične struje, na temelju upotrebe fenomena zasićenja feromagneta pod djelovanjem trajnog prednaponskog polja.

Načelo rada magnetskog pojačala temelji se na promjeni diferencijalne magnetske permeabilnosti (mjerene na izmjeničnoj struji) s promjenom istosmjerne prednaponske struje, stoga je najjednostavnije magnetsko pojačalo zasićena prigušnica koja sadrži radnu zavojnicu i upravljačku zavojnica.

Transformator naziva se statički elektromagnetski uređaj koji ima dvije (ili više) induktivno spregnute zavojnice i dizajniran je za pretvaranje elektromagnetskom indukcijom jednog ili više izmjeničnih sustava u jedan ili više drugih izmjeničnih sustava.

Snaga transformatora određena je maksimalnom mogućom indukcijom materijala magnetske jezgre i njezinim dimenzijama. Stoga se magnetske jezgre (obično štapnog tipa) snažnih energetskih transformatora sastavljaju od limova električnog čelika debljine 0,35 ili 0,5 mm.

Uređaj i princip rada transformatora

Elektromagnetski relej naziva se elektromehanički relej, čiji se rad temelji na učinku magnetskog polja nepomične zavojnice na pokretni feromagnetski element.

Svaki elektromagnetski relej sadrži dva električna kruga: ulazni (kontrolni) signalni krug i izlazni (kontrolirani) signalni krug. Prema principu uređaja upravljanog kruga razlikuju se nepolarizirani i polarizirani releji. Rad nepolariziranih releja, za razliku od polariziranih releja, ne ovisi o smjeru struje u upravljačkom krugu.

Kako radi i radi elektromagnetski relej

Razlike između istosmjernih i izmjeničnih elektromagnetskih releja

Rotirajući električni stroj — uređaj dizajniran za pretvorbu energije na temelju elektromagnetske indukcije i međudjelovanja magnetskog polja s električnom strujom, koji sadrži najmanje dva dijela uključena u glavni proces pretvorbe i koji se mogu okretati ili rotirati jedan u odnosu na drugi.

Dio električnih strojeva koji uključuje nepomični magnetski krug sa zavojnicom naziva se stator, a rotirajući dio naziva se rotor.

Električni stroj namijenjen pretvaranju mehaničke energije u električnu energiju naziva se električni stroj generator. Električni stroj namijenjen pretvaranju električne energije u mehaničku energiju naziva se rotacijski elektromotor.

Princip rada i uređaj elektromotora

Princip rada i uređaj generatora

Gore navedeni primjeri korištenja mekih materijala za izradu elektromagnetskih uređaja nisu iscrpni. Sva ova načela također se primjenjuju na projektiranje magnetskih krugova i drugih električnih proizvoda koji koriste induktore, kao što su električni sklopni uređaji, magnetske brave itd.