Области применения различных конструкций магнитной системы

Конструкция	Г, Н0,5/м	d, мм	Питающее напряжение
Втягивающийся сердечник без стопа Втягивающийся сердечник и стоп с плоскими торцами Втягивающийся сердечник и стоп с коническими торцами: 2a=60о 2a=90о Втягивающийся сердечник, ненасыщенный магнитный шунт Внешний притягивающийся якорь (дисковый) 2a – угол при вершине конуса	<125 (1-3).104   (3-4).103 (8-10).103 (1-20).103 >2.104	1,2-10 <0,6 ас     >50   <2	Переменное Переменное постоянное Постоянное   Постоянное   Постоянное

На четвертом месте – конструкция с Е- образным ярмом и Т- образным якорем (рис.10.1,г). Наименьшей эффективностью обладает электромагнит с Ш- образным ярмом и плоским якорем (рис.10.1д). При этом лучшая относительная тяговая характеристика имела место при и при Для получения максимальной величины электромагнитной силы рекомендуется средний стержень Ш- образной магнитной системы выполнять квадратного сечения, с размером 55-60% от внешнего размера катушки. Отношение высоты катушки к ее ширине должно быть 0,8-1,2, соответственно

По сравнению с электромагнитом (рис.10.1,б) конструкция с внедряющимся поворотным П- образным якорем (рис.10.1,е) имеет более пологую и ниже расположенную тяговую характеристику [224], конструкция с внешним поворотным плоским якорем и П- образным ярмом (рис.10.1,ж) имеет еще более низкую характеристику, но и более крутую (жесткую), чем предыдущие две. Конструкция с внедряющимся прямоходовым якорем и плоским стопом (рис.10.1,з) имеет самую пологую характеристику, которая в зоне больших зазоров лежит выше, а в зоне малых зазоров – ниже трех описанных выше характеристик.

По данным [243] наиболее “высокую” и жесткую тяговую характеристику имеет электромагнит (рис.10.1,к), ниже ее располагаются характеристики электромагнитов (рис.10.1б,к), еще ниже – характеристика электромагнита (рис.10.1,ж). “Высокая”, но пологая характеристика свойственна электромагниту (рис.10.1,и). Для качественного сравнения различных электромагнитов переменного тока можно использовать тяговые характеристики (рис.10.2), построенные по [18,224,243].

Аналогичная информация существует и по электромагнитам постоянного тока. Так, для конструкций (рис.10.3) автор [244] делает вывод: при большом ходе якоря – до 100 мм применяются системы а)- в), при малом ходе (до10 мм) – системы г) и д).

Сравнивая поворотные системы с прямоходовыми, авторы [242] говорят, что на переменном токе при большом растворе контактов и токе, напряжении 380 и 500 В поворотные системы предпочтительнее прямоходовых.

Большое число работ посвящено исследованию оптимальных соотношений размеров различных электромагнитов. Так, по данным [142] у малогабаритных реле отношение длины сердечника к его диаметру (рис.10.3, г), равно 3,7-6, а у телефонных – 6-8. Диаметр полюсного наконечника составляет 1,6-2 диаметра сердечника [142,243]. Для нормальных и замедленных реле применение “коротких” сердечников нерационально, т.к. при этом увеличивается диаметр катушки и средняя длина витка, растет расход меди, но уменьшаются времена срабатывания и отпускания реле. Для быстродействующих реле и электромагнитов, работающих кратковременно, отношение длины сердечника к его диаметру должно быть 3-6. При постоянном значении наружного диаметра обмотки мощность, потребляемая при срабатывании реле, имеет минимальную величину при отношении диаметра сердечника (2 r) к наружному диаметру обмотки 0,535, следовательно, оптимальная толщина обмотки (d) равна 0,217 r. При отклонении d от номинальной в пределах (0,125-0,38) r мощность (N) увеличивается на 10%. Поэтому у малогабаритных и миниатюрных реле d/ (2 r)=(0,5-1), а у реле больших габаритов d/ (2 r) =(0,25-0,5).

Этот вывод подтверждается и исследованиями [243], согласно которым при минимизации N оптимальное d/ (2 r) =0,306. При минимизации стоимости для электромагнитов (рис.10.3, а-в)оптимальные d/ (2 r) =0,4-0,6; l/ (2 r)=3-4,5. Для различных типов электромагнитов рекомендуются значения l/d:

Системы постоянного тока:

1) с полюсным наконечником (рис.10.3, г) 4-6;

2) без полюсного наконечника (рис.10.3, г) 5-7;

а) б) в)

г) д) е)

ж) з) и)

к) л)

Рис. 10.1. Эскизы электромагнитов переменного тока

3) при малых силах и большом ходе (рис.10.3, е):

с полюсными наконечниками 5-7;

без полюсных наконечников 6-8;

4) то же при больших силах и малом ходе 2-4;

5) рис. 10.3, а-в 7-8;

Системы переменного тока d/ (2 r)=(0,5-0,8); l/d= 1,5-2,5.

В [14] дан подробный анализ влияния размеров магнитных шунтов на форму тяговой характеристики броневых электромагнитов. Для электромагнитов (рис.10.3, а-г)рекомендуются следующие соотношения размеров:

1) системы с внешним якорем:

малогабаритные d/ (2 r)=0,5-0,8; l/d =6-8; r _н/ r =1,1-1,2;

крупногабаритные d/ (2 r)=0,25-0,5; l/c =4-6; r _н/ r =1,4-1,5;

2) системы с втяжным якорем:

короткоходовые d/ (2 r)=0,4-0,5; l/c =3-5; 0,2-0,25; 0,3-0,5;

длинноходовые d/ (2 r)=0,3-0,4; l/c =6-8; 0,1-0,2; 0,0-0,2.

Для систем переменного тока с прямоходовым и поворотным якорем:

d/a =0,4-0,8; l/a =1,2-2,5; l/d =2-4; b/a =0,8-1,2; a ₁ /a =0,6-0,8.

Рис. 10.2. Тяговые характеристики электромагнитов переменного тока

б

в

д

е

Рис. 10.3. Тяговые характеристики и эскизы электромагнитов постоянного тока

Для электромагнита (рис.10.3, е) при заданных значениях электромагнитной энергии и плотности тока минимум стоимости достигается при d/ (2 r)=0,46; l/c =3,15; l/ (2 r)=1,45; для системы (рис.10.1, и) при заданных значениях температуры обмотки, потребляемой мощности и габаритного объема максимум магнитного потока в рабочем воздушном зазоре наблюдается при d/a =0,14, если при тех же условиях дополнительно задана величина тягового усилия, то отношение d/a должно быть равно 0,31.

Наиболее обширные рекомендации по выбору оптимальных соотношений размеров для конкретных электромагнитных систем постоянного тока даны в работах А.Г. Никитенко [1,3,4,6-11,19,79,238]. В качестве критериев оптимальности выступают минимумы относительных значений габаритного объема (V _Г ^*), массы (m^*), стоимости (С^*) электромагнита, потребляемой им мощности (N^*), а также временных параметров: времени трогания (t_тр^*) и других.

Полученные при оптимизации по указанным критериям зависимости основных соотношений размеров от логарифма тягового усилия (lnF₃^*) и коэффициента заполнения обмотки (к₃) при различных режимах и условиях эксплуатации позволяют выбрать оптимальные соотношения для электромагнитов клапанного и броневого типа. Так, при минимизации V _г ^* x _опт= d / r_c =1,8-1,88 при b=0,9 (где b- коэффициент, характеризующий условия теплоотдачи с внутренней боковой поверхности катушки магнитопроводу); x _опт=1,74-1,8 при b=1,7 и x _опт=1,72-1,75 при b=2,4.

Оптимальными по t_тр ^* для броневых электромагнитов следует считать отношения: x _опт=3 и Минимумы t_тр ^* для клапанного электромагнита наблюдаются при (независимо от изменения других параметров.

Представленные выше рекомендации обобщены в виде табл.10.2, в которой в качестве столбцов представлены типы (конструкции) электромагнитов, а в качестве строк параметры и показатели, определяющие выбор той или иной конструкции. Цифры, стоящие в клетках таблицы говорят о том, что данный тип электромагнита рекомендуется к использованию, причем, чем больше значение этой цифры, тем вероятнее его использование. “Нулевые” клетки табл.10.2 говорят о том, что применение данной конструкции либо не рекомендовано, либо отсутствует информация о возможности применения.

В качестве примера рассмотрим задачу выбора конструкции привода контактора постоянного тока, имеющего ход якоря 10 мм, конструктивный фактор 9000 Н^0,5/м, среднюю по жесткости механическую характеристику, габаритный объем >30 см³, небыстродействующий, с малой потребляемой мощностью. В результате поиска рекомендуется для применения электромагнит клапанного типа.

Кинематические схемы Таблица 9.1

Выбор конструкции электромагнита Таблица 10.2