Résistance électromagnétique de 380 volts. Comment fabriquer un électro-aimant puissant

Chapitre 21

ACTIONNEURS ÉLECTROMAGNÉTIQUES

§ 21.1. Objectif des actionneurs électromagnétiques

Les actionneurs dans les systèmes d'automatisation sont conçus pour actionner (c'est-à-dire piloter) divers organismes de réglementation qui ont un impact direct sur l'objet de contrôle afin d'atteindre la valeur requise de la valeur de sortie de cet objet. Il existe une grande variété d'organismes de réglementation : pour modifier l'approvisionnement en liquides et en gaz, des registres, des vannes, des vannes et des robinets sont installés dans les canalisations ; dans les appareils de levage et de transport, il s'agit de divers contacteurs, accouplements, freins, variateurs de vitesse ; dans les installations électriques d'éclairage et de chauffage, il s'agit de divers appareils de commutation.

Pour influencer les organismes de réglementation, il est nécessaire d'effectuer des travaux mécaniques : tourner la vanne ou la vanne, connecter les deux moitiés de l'accouplement, déplacer l'engrenage sur l'arbre de la boîte de vitesses, fermer les contacts, etc. Le signal d'entrée de l'actionneur dans systèmes électriques l'automatisation est courant électrique ou tension, et le signal de sortie - mouvement mécanique.

Pour convertir énergie électrique La partie mécanique est constituée d'électro-aimants et de moteurs électriques. Dans ce chapitre, seuls les actionneurs électromagnétiques seront considérés. Les moteurs électriques sont des machines électriques et sont étudiés dans le cours approprié. Il est à noter que presque toujours, lorsque se pose la question du développement d'un entraînement pour un organisme de régulation, il faut choisir entre deux options : un électro-aimant ou un moteur électrique. Le principal avantage d’un électro-aimant est sa simplicité de conception. U Le moteur électrique présente plus d'avantages : un rendement élevé, la capacité d'atteindre toutes les vitesses et tous les mouvements. Toutefois, ces avantages n’apparaissent que de manière relativement systèmes complexes automatisation et pendant le fonctionnement continu. S'il est nécessaire d'avoir de petits mouvements (quelques millimètres) et des forces (plusieurs dizaines à centaines de newtons), les électro-aimants sont plus rentables qu'un moteur électrique équipé d'une boîte de vitesses.

DANS chapitres précédentsélectro-aimants utilisés comme composant relais et contacteurs électromagnétiques. Ce chapitre couvrira questions générales classification des électro-aimants, leur calcul, leur conception, leur utilisation comme éléments d'actionnement des systèmes d'automatisation.

§ 21.2. Classification des électroaimants

Selon le type de courant dans l'enroulement, les électro-aimants sont divisés en électro-aimants à courant continu et alternatif, et selon la vitesse de fonctionnement - en électro-aimants à grande vitesse, à action normale et à action lente. Selon leur destination, les électro-aimants sont divisés en entraînement et maintien.

Entraînement des électro-aimants sont utilisés pour effectuer des travaux mécaniques. Lorsqu'ils sont sous tension, ils déplacent divers actionneurs : vannes, poussoirs, amortisseurs, tiroirs, appareils de voie ferrée. Ils déplacent les contacts des relais et des contacteurs, les dispositifs d'impression et de perforation. Pour effectuer ce travail, les électro-aimants doivent être conçus pour résister à une certaine force et à un certain mouvement.

Tenir les électro-aimants Ils ne servent pas à déplacer, mais uniquement à maintenir des pièces ferromagnétiques. Par exemple, l'électro-aimant utilisé pour soulever la ferraille ne fait que la retenir, et le mouvement est effectué par la grue de levage. Dans ce cas, l'électro-aimant sert uniquement de crochet de grue. Dans le travail des métaux, des plaques électromagnétiques sont utilisées pour fixer la pièce sur la machine. On connaît également des serrures électromagnétiques. Étant donné que les électro-aimants de maintien n'effectuent pas de travail, ils sont conçus uniquement pour une certaine force. Dans certains cas, l'électro-aimant comporte deux bobines : l'une, plus puissante, sert à déplacer l'armature, et l'autre sert uniquement à maintenir l'armature en position attirée.

Il existe une grande variété d'électro-aimants à usage spécial. Ils sont utilisés pour focaliser les faisceaux d'électrons dans les télévisions et les accélérateurs. particules élémentaires, dans une variété d'instruments de mesure, dans des équipements médicaux, etc.

Selon leur conception, il existe des vannes (rotatives), linéaires et des électro-aimants à mouvement transversal. Soupape les électro-aimants ont un faible mouvement d'induit (quelques millimètres) et développent une force de traction importante.

Direct les électroaimants ont une grande course d'induit et une plus grande vitesse ; ils sont plus petits que ceux à valve. Ils se présentent souvent sous la forme d'un solénoïde (une bobine cylindrique qui entraîne une tige ferromagnétique), c'est pourquoi ils sont parfois appelés électro-aimants solénoïdes.

Riz. 21.1. Options pour les schémas de conception des électro-aimants

Divers modèles les électro-aimants sont représentés sur la Fig. 21.1. Malgré leur grande variété (tous les modèles possibles ne sont pas représentés sur cette figure), ils sont tous constitués d'une bobine 1, induit (circuit magnétique en mouvement) 2, circuit magnétique fixe (noyau 3 et joug 4). De plus, ils disposent de divers ressorts, de pièces de fixation, de fixation et de transmission, ainsi que d'un boîtier. Selon la conception du circuit magnétique, on distingue les électro-aimants à circuit ouvert (Fig. 21.1, d, f) et un circuit magnétique fermé (Fig. 21.1, a, b, c, d, g, h). En fonction de la forme du noyau magnétique, on distingue les électro-aimants avec des noyaux magnétiques en forme de U, en forme de W et cylindriques.

Noyaux magnétiques des électro-aimants CC généralement fabriqués à partir de matériaux magnétiques doux : aciers de construction conventionnels et aciers électriques à faible teneur en carbone. Les électro-aimants très sensibles ont un noyau magnétique en permalloy (alliages de fer avec nickel et cobalt). Dans les électro-aimants à grande vitesse, ils ont tendance à réduire courants de Foucault, pour lesquels des aciers au silicium pour l'électrotechnique avec une augmentation résistance électrique et un circuit magnétique stratifié (composité).

Pour réduire les pertes sur courants de Foucault circuit magnétique des électro-aimants CA assemblés (mixtes) à partir de plaques isolées de 0,35 ou 0,5 mm d'épaisseur. Le matériau utilisé est de l’acier électrique laminé à chaud et à froid. Les parties individuelles du circuit magnétique, difficiles à feuilleter, sont constituées d'un matériau solide de 2 à 3 mm d'épaisseur.

Les bobines électromagnétiques peuvent être de conception encadrée ou sans cadre, et de forme transversale ronde ou rectangulaire. Le fil de la bobine de cadre est enroulé sur un cadre en matériau isolant (textolite, getinax, plastique). Le fil d'une bobine sans cadre est enroulé directement sur un noyau enveloppé de ruban isolant ou sur un gabarit spécial. Pour assurer la solidité de la bobine réalisée sur le gabarit, celle-ci est enveloppée de ruban adhésif (rembourré) et imprégnée de vernis composé. Les bobines sont généralement enroulées fil de cuivre avec isolation sélectionnée en fonction de la fonction et des conditions de fonctionnement de l'électro-aimant.

Selon la méthode de connexion, on distingue les bobines série et parallèle. Les bobines parallèles ont grand nombre tourne et est enroulé avec un fil fin. Ils sont généralement allumés à pleine tension secteur. Les bobines en série ont une résistance relativement faible, car elles sont constituées d'un fil épais et d'un petit nombre de spires. Le courant d'une telle bobine n'est pas déterminé par sa résistance, mais dépend des appareils avec lesquels la bobine est connectée en série.

Il existe également des électroaimants conçus pour un fonctionnement à long terme, à court terme et intermittent.

§ 21.3. La procédure de calcul de conception d'un électro-aimant

Les données initiales pour calculer l'électro-aimant sont généralement la force de traction requise F e, course de l'induit (ou angle de rotation) et tension d'alimentation U. De plus, les spécifications de conception indiquent le mode de fonctionnement de l'électro-aimant et les conditions de fonctionnement. La vitesse, les dimensions, le poids et le coût requis peuvent être spécifiés.

À la suite du calcul, il est nécessaire de sélectionner la conception de l'électro-aimant, le matériau du noyau magnétique, de déterminer les dimensions géométriques du noyau magnétique et de la bobine, ainsi que les données d'enroulement.

Lors de la première étape du calcul de conception, il est nécessaire de sélectionner la conception de l'électro-aimant en utilisant le concept facteur de conception UN. Cette valeur est déterminée en fonction de la force de traction et de la course de l'induit :

où - dans N ; - en cm

Lors de l'utilisation d'un électro-aimant de type solénoïde à flux direct ; avec - simple avec pied conique ; avec - simple avec butée plate ; à 2,6<<26 - с поворотным якорем клапанного типа.

La forme de l'électro-aimant est choisie en tenant compte des caractéristiques de traction requises. Sur la fig. 21.2 montre une traction typique

caractéristiques des électro-aimants. S'il est nécessaire d'avoir une caractéristique de traction plate 1, alors un électro-aimant à course avant doit être utilisé si le 2 -électrovanne. L'électro-aimant en forme de W (5) est principalement utilisé dans les circuits à courant alternatif.

Lors de la deuxième étape, l'induction est sélectionnée et la section du circuit magnétique est déterminée.

La force attractive de l’induit est principalement créée par le flux magnétique dans l’entrefer. Par conséquent, dans les calculs de conception, l’influence des écoulements parasites sur la force de traction n’est généralement pas prise en compte. Le flux magnétique et l'induction optimaux dans l'entrefer de travail peuvent se situer dans des limites très larges et dépendent de la relation entre la force de traction et la course, c'est-à-dire du facteur de conception UN. Sur la fig. La figure 21.3 montre les dépendances de l'induction sur le facteur de conception pour trois conceptions d'électro-aimants (avec butée plate, avec butée conique et type de vanne). Une fois sélectionnée, l'aire de la section transversale de la pièce polaire peut être déterminée à partir de ces courbes d'induction. Rappelons la formule (17.13), qui met en relation la force de traction par induction dans l'entrefer et la section de la pièce polaire. Lors de la détermination du diamètre du noyau, il faut au préalable préciser l'induction dans l'acier et la dissipation. coefficient du système magnétique. Pour les électroaimants puissants, il est pris à l'intérieur, pour les petits systèmes de relais magnétiques, à l'intérieur. Coefficient de dissipation Des valeurs plus petites sont prises pour les petites courses d'armature, des valeurs plus grandes pour des mouvements de plusieurs centimètres. La section transversale du noyau est déterminée par la formule

La section transversale de la culasse est généralement considérée égale à la section transversale du noyau, et la section transversale de l'armature est considérée comme plus petite :

Riz. 21.3. Dépendance de l'induction dans l'intervalle de l'électro-aimant et des dimensions de la bobine sur la valeur du facteur de conception

force de traction requise. Introduisons le coefficient, qui est le rapport du MMF non impliqué dans la création de la force de traction au MMF total de la bobine. Ensuite, en supposant la conductivité de l'entrefer, on détermine le MMF total de la bobine :

Cela peut être clarifié lors du calcul du circuit magnétique à l'aide des courbes de magnétisation pour le matériau du noyau magnétique sélectionné.

Le rapport entre la hauteur de l'espace d'enroulement de la bobine et son La largeur est généralement sélectionnée en fonction du facteur de conception (courbe inférieure sur la Fig. 21.3). Des tailles de serpentins spécifiques sont sélectionnées en fonction des conditions de chauffage du serpentin. Celui-ci prend en compte le mode de fonctionnement, le coefficient de transfert thermique, la méthode d'enroulement, qui affecte le facteur de remplissage, et l'isolation des fils, qui détermine la température admissible. De plus, il faut prendre en compte la possibilité de réduire la tension d'alimentation à

En tenant compte de ces facteurs, la largeur de l'espace d'enroulement de la bobine est déterminée par la formule

Connaissant les dimensions de la bobine, il est possible de déterminer toutes les dimensions du circuit magnétique de l'électro-aimant : la hauteur du noyau et de la culasse, la distance qui les sépare, etc.

§ 21.4. Caractéristiques du calcul des électroaimants AC

DANS Dans les électroaimants à courant alternatif, l'induction dans le circuit magnétique varie selon une loi sinusoïdale. Étant donné que la valeur maximale (amplitude) de l'induction est plusieurs fois supérieure à la valeur efficace et que l'amplitude de la force de traction est proportionnelle au carré de l'induction, un électroaimant à courant alternatif avec le même degré de saturation du circuit magnétique développe la moitié la valeur de la force de traction. Par conséquent, lors de la détermination du facteur de conception d’un électro-aimant à courant alternatif, on prend le double de la valeur de la force de traction. »

Rapports optimaux entre la hauteur et la largeur de l'espace d'enroulement de la bobine t =h/un s'avèrent plus petits que pour les électroaimants DC. Par conséquent, les bobines des électro-aimants AC seront plus courtes et plus épaisses. Une bobine plus courte réduit la longueur et le volume du noyau, ce qui entraîne une réduction des pertes d'acier causées par l'hystérésis et les courants de Foucault. Ces pertes n'existaient pas dans les électroaimants à courant continu. Là, ils ont cherché à réduire les pertes de cuivre, ce qui a été assuré en réduisant la longueur moyenne du tour de bobine en raison de sa faible épaisseur. Dans les électroaimants AC, il faut s'efforcer de réduire les pertes totales (aussi bien en cuivre qu'en acier).

Lors d'un calcul plus précis des électroaimants, il est nécessaire de prendre en compte les flux de fuite et la baisse du MMF dans les interstices non fonctionnels et dans l'acier. De plus, dans les électroaimants AC, il est nécessaire de prendre en compte les pertes dues à l'hystérésis et aux courants de Foucault dans le noyau magnétique.

Ces pertes sont proportionnelles à la fréquence d'alimentation, à la masse du circuit magnétique et au carré de l'induction. Pour les matériaux utilisés dans le circuit magnétique d'un électro-aimant, les pertes spécifiques (en fonction de l'épaisseur de la tôle et de la fréquence) par unité de masse sont indiquées dans les ouvrages de référence.

Nombre de tours de l'enroulement de l'électro-aimant AC

(21.7)

Le diamètre du fil est déterminé par la densité de courant admissible du point de vue du chauffage. Dans ce cas, le courant est déterminé en tenant compte des pertes dans l'acier :

où est le courant de perte dans l'acier ; -courant magnétisant.

Les valeurs de et peuvent être déterminées à l'aide du circuit électrique équivalent de l'électro-aimant (Fig. 21.4). Les désignations suivantes sont utilisées dans le schéma : - résistance active du bobinage ;

Réactance inductive correspondant au flux de travail ; - réactance inductive correspondant au flux de fuite ; -résistance active causée par les pertes dans le circuit magnétique dues à l'hystérésis et aux courants de Foucault.

Si l'on néglige la chute de tension aux bornes de la résistance active de l'enroulement et le flux de fuite, alors le courant de perte

(21.9)

Le courant magnétisant qui crée le flux magnétique de travail est déterminé par MMF (). Si l'on néglige la baisse du MMF dans l'acier et les écarts non fonctionnels, alors

où-agissant la valeur du flux magnétique alternatif dans l'entrefer de travail ; -conductivité magnétique de l'espace de travail.

Un calcul préliminaire d'un électro-aimant à spire en court-circuit est réalisé sans tenir compte de l'effet de blindage de cette spire. Le calcul précis des paramètres d'un virage en court-circuit est assez compliqué. En pratique, il est réalisé en cuivre ou en laiton de telle sorte qu'il recouvre approximativement les pôles de l'électro-aimant. Avec un circuit magnétique en forme de W, un tour en court-circuit 3 situé au milieu (Fig. 21.5, UN) ou sur les tiges les plus extérieures (Fig. 21.5, b). Les électro-aimants largement utilisés de la série MIS sont fabriqués avec une bobine sur la tige centrale. Pour réduire la baisse de MMF dans l'espace non fonctionnel entre les armatures et le noyau 2 il y a un soi-disant collier 5. La force de traction nominale des électro-aimants de la série MIS varie de 15 à 120 N avec une course d'induit de 15 à 30 mm. La résistance mécanique à l'usure est d'environ 10 6 cycles marche-arrêt.

Avec des tours sur les tiges extérieures (Fig. 21.5, b) Des électroaimants à longue course de la série ED ont été fabriqués. Ils ont une ancre en forme de T 1. Force de traction cos est donné dans les trois tiges, c'est-à-dire que le circuit magnétique contient trois entrefers de travail. La force de traction des électro-aimants de la série ED atteint 250 N avec un mouvement maximum de l'armature jusqu'à 40 mm. Les électroaimants se déclenchent lorsque le courant est appliqué à l'enroulement 4.

§ 21.5. Accouplements électromagnétiques

L'embrayage électromagnétique est conçu pour transmettre le couple moteur au mécanisme de commande. L'accouplement se compose de deux parties : motrice et entraînée, qui forment un système magnétique fermé. Le couplage est constitué de matériaux ferromagnétiques et comporte un ou plusieurs enroulements de champ.

Distinguer friction accouplements et asynchrone(induction) accouplements. Dans les embrayages à friction, la rotation est transmise grâce à la force de frottement entre la partie motrice, montée sur l'arbre du moteur électrique, et la partie menée, qui peut se déplacer le long de l'arbre du mécanisme de commande sur des cannelures ou une clavette. Lorsque le courant est fourni à l'enroulement d'excitation, une force magnétomotrice est créée et la partie mobile de l'accouplement est pressée contre la partie fixe. Cet embrayage fonctionne comme un électro-aimant. Pour transmettre des couples importants, des conceptions multidisques d'accouplements électromagnétiques sont utilisées. Tant sur les arbres d'entraînement que sur les arbres menés, il y a plusieurs disques en acier qui, sous l'action du MMF, sont attirés les uns vers les autres et, en raison du frottement de leurs surfaces, la rotation est transmise. Les surfaces de contact des embrayages à friction sont constituées d'un matériau spécial - l'alliage Ferrado, qui a un coefficient de frottement 3 à 4 fois supérieur à celui de l'acier.

Il existe des modèles d'embrayages à friction électromagnétiques avec une bobine électromagnétique fixe et avec une bobine rotative.

Dans les couplages de faible puissance (Fig. 21.6, UN) maître 1 et esclave 2 les moitiés d'accouplement n'ont pas d'enroulements, mais l'un d'eux (généralement celui entraîné) peut se déplacer le long de l'arbre le long d'une clavette ou d'une cannelure. Les deux embrayages sont entourés d'une bobine électromagnétique stationnaire 3, qui, lorsqu'il est connecté à la tension, crée un flux magnétique. Les forces électromagnétiques qui en résultent pressent la moitié d'accouplement menée contre la moitié d'entraînement. Le moment de friction entre les moitiés d'accouplement doit être supérieur au moment de charge sur l'arbre mené. Lorsque la bobine d'embrayage est déconnectée, la moitié d'accouplement fixe est écartée de la moitié mobile à l'aide d'un ressort (non représenté sur la figure). Habituellement, le même ressort presse la moitié d'embrayage contre les surfaces de freinage, ce qui

assure un arrêt rapide de l’arbre mené. Dans les accouplements puissants (Fig. 21.6, b), plusieurs disques en acier sont utilisés dans la partie mobile de l'accouplement pour augmenter la quantité de couple transmis. 2, ayant une liberté de mouvement le long de l'axe de rotation des arbres d'entraînement et mené. Nombre correspondant de disques en acier 1 rigidement fixé à l'arbre d'entraînement. Une bobine électromagnétique est fixée au même arbre. 3, le courant est fourni et s'effectue à l'aide de bagues collectrices et de balais. Les forces électromagnétiques attirent les disques mobiles vers les disques fixes. Une grande surface de contact fournit un moment de friction important.

Dans les couplages électromagnétiques avec charge ferromagnétique (Fig. 21.6, V) la rotation est transmise du fait que l'écart entre l'entraînement 1 et l'entraînement 2 moitiés d'accouplement remplies de mélange 4 à partir de grains de matériau ferromagnétique et de charge. Lorsque le courant passe à travers la bobine 3 Lors du couplage, un flux magnétique est créé, amenant les grains ferromagnétiques à s'orienter le long des lignes de force et à former des ponts reliant les moitiés d'accouplement motrice et entraînée. Les grains de matériau ferromagnétique ont des tailles allant de 4 à 50 microns. La charge peut être sèche (talc, graphite) ou liquide (huiles de transformateur et de silicone, composés fluorés).

Les embrayages électromagnétiques avec charge ferromagnétique sont plus fiables que les embrayages à friction et ont un temps de réponse plus court (jusqu'à 20 ms). Un changement régulier de mastic est nécessaire.

Dans les embrayages à induction électromagnétique, le couple est transmis grâce aux courants d'induction, c'est-à-dire sans contact mécanique direct des deux parties de l'embrayage. L'une des parties de l'accouplement (Fig. 21.7) comporte des pôles électromagnétiques 1 avec un enroulement d'excitation alimenté en courant continu. C'est ce qu'on appelle un inducteur et sa structure est similaire au rotor d'un générateur synchrone. L'autre partie de l'embrayage est en court-circuit. enroulement 2, similaire à l'enroulement du rotor d'un moteur asynchrone. Cette partie s'appelle l'ancre. Lorsque l'inducteur tourne, une force électromotrice est induite dans l'enroulement d'induit et le courant circule. L'interaction de ce courant avec le flux magnétique d'excitation

créera un moment électromagnétique qui fera tourner l’armature. Les mêmes processus physiques se produisent dans l'accouplement que dans un moteur électrique asynchrone. La différence est que la rotation du champ magnétique dans le moteur se produit lorsqu'un courant alternatif triphasé est fourni à l'enroulement d'un stator fixe, et dans l'embrayage, la rotation du champ magnétique se produit en raison de la rotation mécanique de l'inducteur excité par courant continu. Comme dans un moteur asynchrone, le couple ne se produit que lorsque les vitesses de l'inducteur et de l'induit sont inégales. La partie entraînée de l'accouplement tourne avec une fréquence où

Vitesse de rotation de l'arbre d'entraînement, glissement. Le montant du glissement est généralement

Si le couple de charge du mécanisme d'entraînement est supérieur au couple maximum de l'accouplement, un renversement se produit et la rotation de la pièce entraînée s'arrête. Grâce à sa capacité d'inclinaison, l'accouplement peut protéger le moteur d'entraînement des fortes surcharges. La quantité de couple transmise par l'embrayage dépend du champ magnétique d'excitation. En modifiant le courant d'excitation, vous pouvez ajuster la valeur du couple critique de l'embrayage. La différence des vitesses de rotation des parties menée et menée d'un embrayage asynchrone est fondamentalement nécessaire pour créer du couple sur la partie menée. C’est pourquoi les embrayages asynchrones sont également appelés embrayages à glissement électromagnétique. Ils sont le plus largement utilisés comme élément d'un entraînement électrique à courant alternatif automatisé contrôlé, qui, en plus de l'embrayage, comprend un moteur électrique non régulé et un système de contrôle automatique du courant d'excitation de l'embrayage. Les avantages d'un tel entraînement avec embrayage à friction incluent la simplicité de conception et de fonctionnement, un faible coût et une fiabilité élevée. Mais à mesure que le glissement augmente, les pertes de puissance augmentent et l’efficacité de la transmission diminue.

Le magnétisme est considéré comme le phénomène naturel le plus intéressant et le plus prometteur, pouvant se manifester à travers différents types de champs. Les champs électromagnétiques ne sont qu’un type de champ. Ils sont formés de deux types de champs, électrique et magnétique. Commençons par comprendre la nature et le principe de l'action des champs magnétiques. La façon la plus simple d'utiliser des aimants permanents et des électro-aimants comme source de champs magnétiques. Mais nous parlerons de leur fonctionnement.

Un électro-aimant est une structure électrique simple constituée d'un enroulement et d'un noyau. Depuis le cours de génie électrique, on sait que lorsqu'un courant électrique traverse un enroulement, des champs électromagnétiques apparaissent autour de celui-ci.

Autrement dit, lorsqu’une charge électrique se déplace, elle génère des champs magnétiques autour d’elle. Lorsqu’il ne bouge pas, il ne possède qu’un champ électrique. Mais les électrons et les ions ne seront jamais dans un état de repos complet. Il y a toujours un mouvement interne, donc les champs électriques et magnétiques sont présents simultanément, seulement dans le cas d'un repos relatif, les champs électriques sont plus perceptibles, et avec une augmentation du mouvement des particules élémentaires, le champ magnétique commence à prédominer.

Ainsi, pour créer un champ magnétique, il suffit de faire passer un courant à travers le conducteur, et pour augmenter le niveau d'intensité de ce champ, il faut augmenter l'intensité du courant ou la longueur du conducteur électrique. Mais il existe un autre facteur qui affecte la force du champ magnétique.

En plus de ce qui précède, les électro-aimants ont un noyau en matériau magnétique. Un tel matériau magnétique réalise son propre mouvement interne de particules élémentaires chargées. Mais ils sont disposés dans un ordre chaotique, ce qui provoque une annulation mutuelle des forces magnétiques.

Lorsqu'un tel matériau est exposé à un champ électromagnétique externe, l'effet suivant se produit, à savoir que tous les champs magnétiques internes de ce matériau tournent dans la même direction, ce qui entraîne une forte augmentation des propriétés magnétiques. Par conséquent, pour fabriquer un bon aimant, vous devez enrouler un grand nombre de tours de fil de cuivre autour d’un noyau magnétique, puis y faire passer du courant.

Mais rappelez-vous que lorsque la tension est coupée, l'électro-aimant perd toutes ses propriétés. Parce que toutes les particules chargées cessent de se déplacer dans le conducteur et que les champs magnétiques ordonnés à l’intérieur du noyau magnétique reviennent à leur état chaotique d’origine. Pour fabriquer un aimant permanent sans alimentation, il faut que les champs magnétiques internes restent dans un état unidirectionnel. Ceci peut être réalisé en utilisant des matériaux magnétiques spéciaux qui peuvent être magnétisés ou démagnétisés.

Au début, cette substance n'a pas de propriétés magnétiques aussi fortes. Pour le magnétiser, il faut le placer dans un champ magnétique puissant et constant. Après un certain temps et une certaine intensité d'exposition, ce matériau devient un aimant permanent. Pour démagnétiser un aimant permanent, il doit être soumis à des températures élevées, à de forts chocs ou à un fort champ magnétique alternatif.

Je pense que tout le monde a rencontré des aimants permanents ordinaires. Savez-vous quelle est la véritable raison de leur action spécifique ? Je pense que peu de gens le savent. Vous proposer de vous familiariser avec un cours théorique simple sur la structure d'un aimant permanent et le champ magnétique

En principe, leur calcul est un processus assez complexe, mais pour les radioamateurs, il est considérablement simplifié. Le circuit magnétique est décrit par la quantité - DANS, qui est influencé par l'intensité du champ et la perméabilité magnétique de la substance. Par conséquent, les noyaux des électro-aimants sont constitués d'un alliage de fer spécial avec une perméabilité magnétique élevée. Le flux de puissance dépend de l'induction magnétique, F.

Où S est la section transversale du circuit magnétique. La force magnétomotrice influence également le flux de puissance (Em), qui est calculé par la formule :

Ф = (E m) × R m, d'où E m = 1,3 × I × N

Où, où N- le nombre de tours de la bobine, et je- l'intensité du courant circulant dans la bobine en ampères.

La résistance magnétique est déterminée par la formule :

où L est la longueur moyenne du trajet des lignes de force magnétique, M est la perméabilité magnétique et S est la section transversale du circuit magnétique.

Lors de la fabrication d'électro-aimants faits maison, ils essaient d'obtenir le flux de puissance maximal. Ceci est réalisé en réduisant la résistance magnétique. Pourquoi choisir un noyau magnétique avec une longueur de trajet minimale des lignes électriques et avec la section transversale maximale possible, et le matériau est un alliage d'acier avec une excellente perméabilité magnétique. Une autre méthode pour augmenter le flux de puissance consiste à augmenter le nombre d'ampères-tours, ce qui n'est pas très pratique, car pour économiser le fil et la tension d'alimentation, il faut s'efforcer de réduire le nombre d'ampères-tours. Supposons que nous devions déterminer l'ampère-tours et le flux de puissance d'un circuit magnétique en acier fermé, illustré dans la figure a ci-dessous, et fabriqué à partir d'acier de mauvaise qualité.

Pour enrouler des bobines avec un nombre minimum de tours, pour des calculs simplifiés, nous supposerons une valeur d'induction magnétique de 10 000 lignes de force par 1 cm 2 avec deux ampères-tours par centimètre de longueur. Dans cet exemple de radioamateur, le calcul peut être effectué comme suit. Donc, avec la longueur du circuit magnétique L=L1+L2égal à 20 cm + 10 cm = 30 cm, il faudra 2 × 30 = 60 tours d'ampères.

Si le diamètre du noyau D(Figure c) est de 2 cm, alors son aire est : S = 3,14xD2/4 = 3,14 cm2, d'ici

Ф = B × S = 10 000 × 3,14 = 31 400 lignes électriques

Il est possible de déterminer approximativement la force de levage d'un électro-aimant P.:

P = B2 × S/25 × 1 000 000 = 12,4 kg.

Pour un aimant bipolaire, le résultat obtenu doit être doublé. Lors du calcul de la force de levage d'un aimant, il ne faut pas oublier qu'elle dépend non seulement de la longueur du circuit magnétique, mais également de la zone de contact de l'armature et du noyau. Par conséquent, l'ancre doit bien s'adapter aux pièces polaires de l'EM, sinon une forte diminution de la portance se produira. Ensuite, vous pouvez calculer la bobine de l'électro-aimant. Dans le cas d'un aimant bipolaire, une force de levage de 25 kg est donnée par 60 ampères tours, soit N×J = 60 ampères tours.

Bien entendu, vous pouvez définir un autre rapport, par exemple 2 A et 30 tours, ou en augmentant le nombre de tours de la bobine 0,25 A et 240 tours. Cependant, dans la pratique, il n'est pas toujours possible de modifier le courant nominal sur une large plage, car un très grand diamètre de fil utilisé peut être nécessaire. Dans notre exemple, le fil de cuivre doit avoir la section suivante : pour un courant de 2A - 0,4 mm 2, et pour un courant de 0,25 A - 0,05 mm 2, le diamètre du fil sera respectivement de 0,7 mm et 0,2 mm. Lequel de ces fils est le meilleur pour le bobinage ? Connaissant le diamètre du fil et sa longueur, vous pourrez facilement trouver la résistance. La longueur du fil L est calculée comme le produit du nombre total de tours et de la longueur de l'un d'eux (moyenne) : L = N × L1 où L1 est la longueur d'un tour, égale à 3,14 × D. Dans notre exemple, D = 6,3 cm. Par conséquent, pour la première bobine, la longueur du fil de cuivre sera de 190 cm et la résistance de l'enroulement au courant continu sera de 190 cm. être d'environ 0,1 Ohm, et pour le second est de 512 cm, avec une résistance de 8,7 Ohms. Connaissant la loi d'Ohm, il est facile de trouver la tension souhaitée. Ainsi, pour créer un courant dans les enroulements d'une valeur nominale de 2A, il faudra une tension de 0,2V, et pour un courant de 0,25A - 2,2V.

Un électro-aimant est un aimant qui fonctionne (crée un champ magnétique) uniquement lorsque le courant électrique traverse une bobine. Pour fabriquer un électro-aimant puissant, vous devez prendre un noyau magnétique et l'envelopper de fil de cuivre et simplement faire passer le courant à travers ce fil. Le noyau magnétique commencera à être magnétisé par la bobine et commencera à attirer les objets en fer. Si vous voulez un aimant puissant, augmentez la tension et le courant, expérimentez. Et pour ne pas avoir à vous soucier du montage de l'aimant vous-même, vous pouvez simplement retirer la bobine du démarreur magnétique (il en existe de différents types, 220V/380V). Vous retirez cette bobine et insérez un morceau de n'importe quel morceau de fer à l'intérieur (par exemple, un clou épais ordinaire) et vous le branchez au réseau. Ce sera un très bon aimant. Et si vous n'avez pas la possibilité d'obtenir une bobine d'un démarreur magnétique, voyons maintenant comment fabriquer vous-même un électro-aimant.

Pour assembler un électro-aimant, vous aurez besoin d'un fil, d'une source CC et d'un noyau. Maintenant, nous prenons notre âme et enroulons du fil de cuivre autour (il est préférable de tourner un tour à la fois, pas en vrac - l'efficacité augmentera). Si nous voulons fabriquer un électro-aimant puissant, nous l'enroulons en plusieurs couches, c'est-à-dire Lorsque vous avez enroulé la première couche, passez à la deuxième couche, puis enroulez la troisième couche. Lors du bobinage, gardez à l'esprit que ce que vous enroulez, cette bobine a une réactance, et lorsqu'elle circule à travers cette bobine, moins de courant circulera avec plus de réactance. Mais gardez également à l’esprit que nous avons besoin d’un courant important, car nous allons utiliser du courant pour magnétiser le noyau, qui sert d’électro-aimant. Mais un courant important chauffera considérablement la bobine à travers laquelle le courant circule, alors corrélez ces trois concepts : résistance de la bobine, courant et température.

D'accord, la bobine a été enroulée et le noyau a été inséré à l'intérieur, vous pouvez maintenant commencer à appliquer une tension à la bobine. Appliquez la tension et commencez à l'augmenter (si vous disposez d'une alimentation avec régulation de tension, augmentez progressivement la tension). En même temps, nous veillons à ce que notre serpentin ne chauffe pas. Nous sélectionnons la tension de manière à ce que pendant le fonctionnement la bobine soit légèrement chaude ou juste chaude - ce sera le mode de fonctionnement nominal, et vous pouvez également connaître le courant et la tension nominaux en mesurant sur la bobine et connaître la consommation électrique de l'électro-aimant en multipliant le courant et la tension.

Si vous envisagez d'allumer un électro-aimant à partir d'une prise de 220 volts, assurez-vous d'abord de mesurer la résistance de la bobine. Lorsqu'un courant de 1 ampère traverse la bobine, la résistance de la bobine doit être de 220 ohms. Si 2 ampères, alors 110 Ohms. C'est ainsi que nous calculons COURANT = tension/résistance = 220/110 = 2 A.

Voilà, allumez l'appareil. Essayez de tenir un clou ou un trombone – il devrait attirer. S'il est mal attiré ou tient très mal, alors enroulez cinq couches de fil de cuivre : le champ magnétique augmentera et la résistance augmentera, et si la résistance augmente, alors les données nominales de l'électro-aimant changeront et il faudra pour le reconfigurer.

Si vous souhaitez augmenter la puissance de l'aimant, prenez un noyau en forme de fer à cheval et enroulez le fil sur deux côtés, vous obtenez ainsi un leurre en fer à cheval composé d'un noyau et de deux bobines. Les champs magnétiques des deux bobines s'additionneront, ce qui signifie que l'aimant fonctionnera 2 fois plus puissant. Le diamètre et la composition du noyau jouent un rôle important. Avec une petite section, nous obtiendrons un électro-aimant faible, même si nous appliquons une haute tension, mais si nous augmentons la section du cœur, nous obtiendrons alors un électro-aimant pas mal. Oui, si le noyau est également constitué d'un alliage de fer et de cobalt (cet alliage se caractérise par une bonne conductivité magnétique), alors la conductivité augmentera et de ce fait le noyau sera mieux magnétisé par le champ de la bobine.

Un jour, encore une fois, en feuilletant un livre que j'avais trouvé près d'une poubelle, j'ai remarqué un calcul simple et approximatif des électro-aimants. La page de titre du livre est présentée sur la photo 1.

En général, leur calcul est un processus complexe, mais pour les radioamateurs, le calcul donné dans ce livre est tout à fait adapté. Les électroaimants sont utilisés dans de nombreux appareils électriques. Il s’agit d’une bobine de fil enroulé sur une âme de fer dont la forme peut être différente. Le noyau de fer est une partie du circuit magnétique et l'autre partie, à l'aide de laquelle le chemin des lignes de force magnétiques est fermé, est l'armature. Le circuit magnétique est caractérisé par l'amplitude de l'induction magnétique - B, qui dépend de l'intensité du champ et de la perméabilité magnétique du matériau. C'est pourquoi les noyaux des électro-aimants sont en fer, qui possède une perméabilité magnétique élevée. À son tour, le flux de puissance, désigné dans les formules par la lettre F, dépend de l'induction magnétique F = B S - induction magnétique - B multipliée par la section transversale du circuit magnétique - S. Le flux de puissance dépend également. sur la force dite magnétomotrice (Em), qui est déterminée par le nombre d'ampères-tours pour 1 cm de longueur de trajet des lignes électriques et peut être exprimée par la formule :
Ф = force magnétomotrice (Em) résistance magnétique (Rm)
Ici Em = 1,3 I N, où N est le nombre de tours de la bobine et I est l'intensité du courant circulant à travers la bobine en ampères. Autre composant :
Rм = L/M S, où L est la longueur moyenne du trajet des lignes électriques magnétiques, M est la perméabilité magnétique et S est la section transversale du circuit magnétique. Lors de la conception d’électro-aimants, il est hautement souhaitable d’obtenir un flux de puissance important. Ceci peut être réalisé en réduisant la résistance magnétique. Pour ce faire, vous devez sélectionner un noyau magnétique avec la longueur de trajet la plus courte des lignes électriques et la plus grande section transversale, et le matériau doit être un matériau en fer à haute perméabilité magnétique. Une autre façon d'augmenter le flux de puissance en augmentant les ampères-tours n'est pas acceptable, car pour économiser du fil et de l'énergie, il faut s'efforcer de réduire les ampères-tours. Habituellement, les calculs des électro-aimants sont effectués selon des calendriers spéciaux. Pour simplifier les calculs, nous utiliserons également certaines conclusions des graphiques. Supposons qu'il soit nécessaire de déterminer l'ampère-tours et le flux de puissance d'un circuit magnétique en fer fermé, illustré à la figure 1a et constitué de fer de la plus basse qualité.

En regardant le graphique (malheureusement, je ne l'ai pas trouvé en annexe) de l'aimantation du fer, il est facile de voir que l'induction magnétique la plus avantageuse se situe dans la plage de 10 000 à 14 000 lignes de force pour 1 cm2, ce qui correspond à de 2 à 7 ampères tours par 1 cm. Pour les bobines de bobinage avec le plus petit nombre de tours et plus économiques en termes d'alimentation électrique, pour les calculs il faut prendre exactement cette valeur (10 000 lignes électriques par 1 cm2 à 2 ampères). tours par 1 cm de longueur). Dans ce cas, le calcul peut être effectué comme suit. Ainsi, avec une longueur du circuit magnétique L = L1 + L2 égale à 20 cm + 10 cm = 30 cm, il faudra 2 × 30 = 60 tours d'ampères.
Si l'on prend le diamètre D du noyau (Fig. 1, c) égal à 2 cm, alors son aire sera égale à : S = 3,14xD2/4 = 3,14 cm2. Ici, le flux magnétique excité sera égal à : Ф = B x S = 10 000 x 3,14 = 31 400 lignes de force. La force de levage de l'électro-aimant (P) peut également être calculée approximativement. P = B2 S/25 1 000 000 = 12,4 kg. Pour un aimant bipolaire, ce résultat devrait être doublé. Donc P = 24,8 kg = 25 kg. Lors de la détermination de la force de levage, il ne faut pas oublier qu'elle dépend non seulement de la longueur du circuit magnétique, mais également de la zone de contact entre l'armature et le noyau. Par conséquent, l’armature doit s’adapter exactement aux pièces polaires, sinon le moindre entrefer entraînera une forte réduction de la portance. Ensuite, la bobine électromagnétique est calculée. Dans notre exemple, une force de levage de 25 kg est fournie par des tours de 60 ampères. Considérons par quels moyens le produit N J = 60 ampères tours peut être obtenu.
Bien entendu, cela peut être obtenu soit en utilisant un courant élevé avec un petit nombre de tours de bobine, par exemple 2 A et 30 tours, soit en augmentant le nombre de tours de bobine tout en réduisant le courant, par exemple 0,25 A et 240 tours. Ainsi, pour qu'un électro-aimant ait une force de levage de 25 kg, 30 tours et 240 tours peuvent être enroulés sur son noyau, mais en même temps modifier la valeur du courant d'alimentation. Bien entendu, vous pouvez choisir un ratio différent. Cependant, modifier la valeur du courant dans de larges limites n'est pas toujours possible, car cela nécessitera nécessairement de modifier le diamètre du fil utilisé. Ainsi, lors d'un fonctionnement de courte durée (plusieurs minutes) pour des fils d'un diamètre allant jusqu'à 1 mm, la densité de courant admissible, à laquelle le fil ne surchauffe pas, peut être prise égale à 5 a/mm2. Dans notre exemple, le fil doit avoir la section suivante : pour un courant de 2 A - 0,4 mm2, et pour un courant de 0,25 A - 0,05 mm2, le diamètre du fil sera respectivement de 0,7 mm ou 0,2 mm. Lequel de ces fils doit être enroulé ? D'une part, le choix du diamètre du fil peut être déterminé par l'assortiment de fils disponible, d'autre part, par les capacités des sources d'alimentation, tant en courant qu'en tension. En effet, deux bobines, dont l'une est constituée d'un fil d'épaisseur de 0,7 mm et avec un petit nombre de tours - 30, et dont l'autre est constituée d'un fil de 0,2 mm et d'un nombre de tours de 240, auront des résultats très différents. résistance. Connaissant le diamètre du fil et sa longueur, vous pouvez facilement déterminer la résistance. La longueur du fil L est égale au produit du nombre total de tours et de la longueur de l'un d'eux (moyenne) : L = N x L1 où L1 est la longueur d'un tour, égale à 3,14 x D. Dans notre exemple, D = 2 cm, et L1 = 6, 3 cm. Donc, pour la première bobine la longueur du fil sera de 30 x 6,3 = 190 cm, la résistance du bobinage au courant continu sera approximativement égale à ? 0,1 Ohm, et pour le second - 240 x 6,3 = 1 512 cm, R ? 8,7 ohms. En utilisant la loi d'Ohm, il est facile de calculer la tension requise. Ainsi, pour créer un courant de 2A dans les enroulements, la tension requise est de 0,2V, et pour un courant de 0,25A - 2,2V.
C'est le calcul élémentaire des électro-aimants. Lors de la conception d'électro-aimants, il est nécessaire non seulement d'effectuer les calculs indiqués, mais également de pouvoir choisir le matériau du noyau, sa forme et de réfléchir à la technologie de fabrication. Les matériaux satisfaisants pour fabriquer des noyaux de tasses sont les barres de fer (rondes et en bandes) et divers. produits en fer : boulons, fils, clous, vis, etc. Pour éviter des pertes importantes sur les courants de Foucault, les noyaux des appareils à courant alternatif doivent être assemblés à partir de fines feuilles de fer ou de fils isolés les uns des autres. Pour rendre le fer « doux », il faut le recuit. Le choix correct de la forme du noyau est également d'une grande importance. Les plus rationnels d'entre eux sont en forme d'anneau et en forme de U. Certains des noyaux communs sont illustrés à la figure 1.

À la suite du calcul du circuit magnétique, le MMF requis de l'enroulement est déterminé. Le bobinage doit être conçu de manière à ce qu'il fournisse, d'une part, la FMM requise et, d'autre part, que sa température maximale ne dépasse pas celle admissible pour la classe d'isolation utilisée.

Selon la méthode de connexion, on distingue les enroulements de tension et les enroulements de courant. Dans le premier cas, la tension appliquée au bobinage est constante dans sa valeur efficace, dans le second — la résistance de l'enroulement de l'électro-aimant est bien inférieure à la résistance du reste du circuit, qui détermine la valeur constante du courant.

CalculEnroulements d'électro-aimants CC.

Sur la fig. La figure 4.8 montre le circuit magnétique et la bobine de l'électro-aimant. Enroulement 1 les bobines sont constituées de fil isolé enroulé sur le cadre 2.

Les bobines peuvent également être sans cadre. Dans ce cas, les tours d'enroulement sont fixés avec du ruban adhésif ou une feuille isolante ou un composé d'enrobage.

Pour calculer la tension de l'enroulement, la tension doit être spécifiée et MDS. Section du fil de bobinage on trouve, en fonction du MDS requis :

, (4.13)

d'où , (4.14)

Où — résistivité; — longueur moyenne de la bobine (Fig. 4.8) ; — résistance d'enroulement égale à .

De (4.13) il résulte que, avec une longueur moyenne de bobine constante et un MMF donné, elle est déterminée par le produit .

Si, à tension constante et à longueur moyenne de spire, il est nécessaire d'augmenter le MMF, alors il est nécessaire de prendre un fil de plus grande section. Dans ce cas, le bobinage aura moins de tours. Le courant dans l'enroulement augmentera, car sa résistance diminuera en raison d'une diminution du nombre de tours et d'une augmentation de la section du fil.

Sur la base de la section trouvée, à l'aide de tableaux de dimensionnement, le diamètre de fil standard le plus proche est trouvé.

La puissance dégagée dans le bobinage sous forme de chaleur est déterminée comme suit : .

Le nombre de tours de l'enroulement pour une section transversale de bobine donnée est déterminé par le facteur de remplissage en cuivre, où est la surface occupée par le cuivre de l'enroulement ; – section d'enroulement pour le cuivre. Nombre de tours. Ensuite, la puissance consommée par l'enroulement est déterminée par l'expression

.

Pour calculer le courant d'enroulement, les paramètres initiaux sont le MMF et le courant du circuit. Le nombre de tours du bobinage est obtenu à partir de l'expression. La section du fil peut être sélectionnée en fonction de la densité de courant recommandée, égale à 2...4 A/mm 2 pour une longue durée, 5...12 A/mm 2 pour une intermittence, 13...30 A/ mm 2 pour les modes de fonctionnement à court terme. Ces valeurs peuvent être augmentées d'environ 2 fois si la durée de vie du bobinage et de l'électro-aimant ne dépasse pas 500 heures. La surface de la fenêtre occupée par un bobinage ordinaire est déterminée par le nombre de tours et le diamètre du. fil

.

Connaissant , vous pouvez déterminer la longueur moyenne du tour, la résistance de l'enroulement et les pertes. Après cela, l'échauffement du bobinage peut être évalué.

CalculEnroulements d'électro-aimants AC.

Les données initiales pour calculer l'enroulement de tension sont les amplitudes du MMF, le flux magnétique et la tension du réseau. La tension du secteur est équilibrée par des chutes de tension actives et réactives

où et sont respectivement les valeurs efficaces de tension et de courant.

Le courant et la résistance ne pouvant être calculés qu'après avoir déterminé le nombre de tours, la formule (4.15) ne permet pas de retrouver immédiatement tous les paramètres du bobinage. Le problème est résolu par la méthode des approximations successives.

Étant donné que la chute de tension active est nettement inférieure à la chute de tension réactive, au début du calcul nous prenons .

Puis le nombre de tours du bobinage .

Si, après avoir remplacé les données obtenues dans (4.15), le côté gauche diffère du côté droit de plus de 10 %, alors il est nécessaire de faire varier le nombre de tours jusqu'à ce qu'une correspondance satisfaisante soit obtenue.

Après le calcul, le chauffage du bobinage est vérifié. Le calcul s'effectue de la même manière que pour les enroulements DC.

Une particularité est l'échauffement du circuit magnétique dû aux pertes dues aux courants de Foucault et à l'hystérésis. L'évacuation de la chaleur générée dans le bobinage à travers le noyau est difficile ; le point avec la température maximale se situe sur le rayon intérieur du bobinage. Pour améliorer le refroidissement, ils ont tendance à augmenter la surface des extrémités du serpentin tout en diminuant sa longueur.