Elektromagnetische Geräte: Zweck, Typen, Anforderungen, Design

Zweck elektromagnetischer Geräte

Die Erzeugung, Umwandlung, Übertragung, Verteilung oder der Verbrauch elektrischer Energie erfolgt mit elektrischen Geräten. Aus all ihrer Vielfalt heben wir elektromagnetische Geräte hervor, deren Arbeit darauf basiert über das Phänomen der elektromagnetischen Induktionbegleitet vom Auftreten magnetischer Flüsse.

Zu den statischen elektromagnetischen Geräten gehören Drosseln, magnetische Verstärker, Transformatoren, Relais, Starter, Schütze und andere Geräte. Rotierend – Elektromotoren und Generatoren, elektromagnetische Kupplungen.

Eine Reihe ferromagnetischer Teile elektromagnetischer Geräte, die den Hauptteil des magnetischen Flusses leiten sollen magnetisches System eines elektromagnetischen Geräts… Eine besondere Struktureinheit eines solchen Systems ist Magnetkreis… Magnetische Flüsse, die durch Magnetkreise fließen, können teilweise in einem nichtmagnetischen Medium eingeschlossen sein und magnetische Streuflüsse bilden.

Magnetische Flüsse, die durch einen Magnetkreis fließen, können mithilfe von Gleich- oder Wechselströmen erzeugt werden, die in einem oder mehreren fließen induktive Spulen… Eine solche Spule ist ein elektrisches Schaltungselement, das seine eigene Induktivität und/oder sein eigenes Magnetfeld nutzt.

Es bilden sich eine oder mehrere Spulen Liquidation… Der Teil des Magnetkreises, auf dem oder um den sich die Spule befindet, wird genannt Kernwird der Teil genannt, auf dem oder um den herum sich die Spule nicht befindet Joch.

Die Berechnung der wichtigsten elektrischen Parameter elektromagnetischer Geräte basiert auf dem Gesetz des Gesamtstroms und dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion. Das Phänomen der Gegeninduktion wird genutzt, um Energie von einem Stromkreis auf einen anderen zu übertragen.

Weitere Details finden Sie hier: Magnetkreise elektrischer Geräte und hier: Wozu dient die Magnetkreisberechnung?

Anforderungen an Magnetkreise elektromagnetischer Geräte

Die Anforderungen an Magnetkerne richten sich nach dem Funktionszweck der elektromagnetischen Geräte, in denen sie eingesetzt werden.

In elektromagnetischen Geräten können sowohl konstante als auch alternierende magnetische Flüsse verwendet werden. Permanenter magnetischer Fluss verursacht keine Energieverluste in magnetischen Kreisen.

Magnetkerne, die unter Expositionsbedingungen betrieben werden konstanter magnetischer Fluss (z. B. Betten für Gleichstrommaschinen) können aus Gussrohlingen mit anschließender Bearbeitung hergestellt werden. Bei einer komplexen Konfiguration von Magnetkreisen ist es wirtschaftlicher, diese aus mehreren Elementen herzustellen.

Der Durchgang eines magnetischen Wechselflusses durch die Magnetkreise geht mit Energieverlusten einher, die als Energieverluste bezeichnet werden magnetische Verluste… Sie führen zu einer Erwärmung der Magnetkreise. Durch besondere Maßnahmen zu deren Kühlung (z. B. Arbeiten in Öl) ist es möglich, die Erwärmung der Magnetkerne zu reduzieren. Solche Lösungen erschweren ihre Konstruktion und erhöhen die Kosten für ihre Herstellung und ihren Betrieb.

Magnetische Verluste bestehen aus:

• Verlust der Hysterese;

• Wirbelstromverluste;

• zusätzliche Verluste.

Hystereseverluste können durch den Einsatz weichmagnetischer Ferromagnete mit schmaler Bauform reduziert werden Hystereseschaltung.

Wirbelstromverluste werden normalerweise reduziert durch:

• Verwendung von Materialien mit geringerer spezifischer elektrischer Leitfähigkeit;

• die Herstellung von Magnetkernen aus elektrisch isolierten Bändern oder Platten.

Verteilung von Wirbelströmen in verschiedenen Magnetkreisen: a – im Guss; b – in einem Satz von Teilen aus Blechmaterialien.

Der mittlere Teil des Magnetkreises ist im Vergleich zu seiner Oberfläche stärker von Wirbelströmen bedeckt, was zu einer „Verschiebung“ des Hauptmagnetflusses in Richtung der Oberfläche des Magnetkreises führt, d. h. es entsteht ein Oberflächeneffekt.

Dies führt dazu, dass bei einer bestimmten Frequenzcharakteristik des Materials dieses Magnetkreises der Magnetfluss vollständig in einer dünnen Oberflächenschicht des Magnetkreises konzentriert wird, deren Dicke durch die Eindringtiefe bei einer bestimmten Frequenz bestimmt wird .

Das Vorhandensein von Wirbelströmen, die in einem Magnetkern aus einem Material mit geringem elektrischen Widerstand fließen, führt zu entsprechenden Verlusten (Wirbelstromverlusten).

Die Aufgabe, Wirbelstromverluste zu reduzieren und den Magnetfluss maximal zu erhalten, wird durch die Herstellung von Magnetkreisen aus Einzelteilen (oder deren Teilen) gelöst, die elektrisch voneinander isoliert sind. In diesem Fall bleibt die Querschnittsfläche des Magnetkreises unverändert.

Weit verbreitet sind Platten oder Streifen, die aus Blechmaterialien gestanzt und auf einen Kern gewickelt werden. Zur Isolierung der Oberflächen von Platten (oder Streifen) können verschiedene technologische Methoden eingesetzt werden, wobei am häufigsten die Anwendung von Isolierlacken oder Emails erfolgt.

Ein Magnetkreis aus separaten Teilen (oder deren Teilen) ermöglicht:

• Verringerung der Wirbelstromverluste aufgrund der senkrechten Anordnung der Platten relativ zur Richtung ihrer Zirkulation (in diesem Fall nimmt die Länge der Kreisläufe ab, entlang derer Wirbelströme zirkulieren können);

• um eine vernachlässigbare ungleichmäßige Verteilung des magnetischen Flusses zu erhalten, da bei einer geringen Dicke des Blechmaterials, entsprechend der Eindringtiefe, die Abschirmwirkung der Wirbelströme gering ist.

An die Materialien der Magnetkerne können weitere Anforderungen gestellt werden: Temperatur- und Vibrationsbeständigkeit, geringe Kosten usw. Bei der Konstruktion eines konkreten Gerätes wird das weichmagnetische Material ausgewählt, dessen Parameter die spezifizierten Anforderungen am besten erfüllen.

Design von Magnetkernen

Je nach Produktionstechnologie lassen sich die Magnetkerne elektromagnetischer Geräte in 3 Hauptgruppen einteilen:

• lamellar;

• Band;

• geformt.

Lamellenmagnetkreise bestehen aus separaten, elektrisch voneinander isolierten Platten, wodurch Wirbelstromverluste reduziert werden können. Bandmagnetkerne werden durch Aufwickeln eines Bandes einer bestimmten Dicke erhalten. In solchen Magnetkreisen wird die Wirkung von Wirbelströmen deutlich reduziert, da die Streifenebenen mit einem Isolierlack bedeckt sind.

Die geformten Magnetkerne werden durch Gießen (Elektroband), Keramiktechnologie (Ferrite), Mischen der Komponenten mit anschließendem Pressen (Magneto-Dielektrika) und andere Verfahren hergestellt.

Bei der Herstellung des Magnetkreises eines elektromagnetischen Geräts muss auf dessen spezifisches Design geachtet werden, das von vielen Faktoren (Geräteleistung, Betriebsfrequenz usw.) bestimmt wird, einschließlich des Vorhandenseins oder Fehlens einer direkten oder umgekehrten Umwandlung elektromagnetischer Strahlung Energie im Gerät in mechanische Energie um.

Die Konstruktionen von Geräten, in denen eine solche Transformation stattfindet (Elektromotoren, Generatoren, Relais usw.), umfassen Teile, die sich unter dem Einfluss elektromagnetischer Wechselwirkung bewegen.

Geräte, bei denen elektromagnetische Induktion keine Umwandlung elektromagnetischer Energie in mechanische Energie bewirkt (Transformatoren, Drosseln, magnetische Verstärker usw.), werden als statische elektromagnetische Geräte bezeichnet.

In statischen elektromagnetischen Geräten werden je nach Ausführung am häufigsten Panzer-, Stab- und Ringmagnetkreise verwendet.

Geformte Magnetkerne können ein komplexeres Design haben als Bleche und Bänder.

Geformte Magnetkerne: a – rund; b – d – gepanzert; d – Tasse; f, g – Rotation; h – viele Öffnungen

Gepanzerte Magnetkerne zeichnen sich durch ihre einfache Konstruktion und damit durch ihre Herstellbarkeit aus. Darüber hinaus bietet diese Konstruktion im Vergleich zu anderen einen besseren Spulenschutz vor mechanischen Einflüssen und elektromagnetischen Störungen.

Kernmagnetkreise sind unterschiedlich:

• gute Kühlung;

• geringe Empfindlichkeit gegenüber Störungen (da die EMF von in benachbarten Spulen induzierten Störungen ein entgegengesetztes Vorzeichen hat und teilweise oder vollständig kompensiert wird);

• weniger (im Verhältnis zur Panzerung) Gewicht bei gleicher Leistung;

• geringere (im Vergleich zur Panzerung) Verlustleistung des magnetischen Flusses.

Zu den Nachteilen von Geräten, die auf Stabmagnetkreisen basieren (im Vergleich zu Geräten, die auf gepanzerten Kreisen basieren), zählen die mühsame Herstellung von Spulen (insbesondere wenn sie auf verschiedenen Stäben angebracht sind) und ihr schwächerer Schutz vor mechanischen Einflüssen.

Aufgrund der geringen Leckströme zeichnen sich Ringmagnetkreise einerseits durch eine gute Geräuschisolierung und andererseits durch eine geringe Beeinflussung benachbarter Elemente elektronischer Geräte (REE) aus. Aus diesem Grund werden sie häufig in Produkten der Funktechnik eingesetzt.

Die Nachteile kreisförmiger Magnetkreise hängen mit ihrer geringen Technologie (Schwierigkeiten beim Wickeln der Spulen und der Installation elektromagnetischer Geräte am Einsatzort) und der begrenzten Leistung von bis zu Hunderten von Watt zusammen (letzteres wird durch die Erwärmung des Magnetkreises erklärt). der aufgrund der darauf befindlichen Windungen der Spule keine direkte Kühlung aufweist).

Die Wahl der Art und des Typs des Magnetkreises erfolgt unter Berücksichtigung der Möglichkeit, die kleinsten Werte für Masse, Volumen und Kosten zu erhalten.

Ausreichend komplexe Strukturen weisen Magnetkreise von Geräten auf, in denen elektromagnetische Energie direkt oder umgekehrt in mechanische Energie umgewandelt wird (z. B. Magnetkreise rotierender elektrischer Maschinen). Solche Geräte verwenden geformte oder plattenförmige Magnetkreise.

Arten elektromagnetischer Geräte

Gaspedal — ein Gerät, das als induktiver Widerstand in Wechsel- oder Pulsstromkreisen verwendet wird.

Magnetkerne mit einem nichtmagnetischen Spalt werden in Wechselstromdrosseln zur Energiespeicherung und in Glättungsdrosseln zur Glättung gleichgerichteter Stromwelligkeiten eingesetzt. Gleichzeitig gibt es Drosseln, bei denen die Größe des nichtmagnetischen Spalts eingestellt werden kann, was notwendig ist, um die Induktivität der Drossel während ihres Betriebs zu ändern.

Das Gerät und das Funktionsprinzip der elektrischen Drosselklappe

Magnetischer Verstärker — ein Gerät, das aus einem oder mehreren Magnetkreisen mit Spulen besteht, mit denen der Strom oder die Spannung in einem Stromkreis, der von einer Wechselspannungs- oder Wechselstromquelle gespeist wird, in seiner Größe geändert werden kann, basierend auf der Ausnutzung des Sättigungsphänomens des Ferromagneten unter der Wirkung eines permanenten Vorspannungsfeldes.

Das Funktionsprinzip des Magnetverstärkers basiert auf einer Änderung der differentiellen magnetischen Permeabilität (gemessen an einem Wechselstrom) bei einer Änderung des Gleichstroms. Daher ist der einfachste Magnetverstärker eine gesättigte Drossel, die eine Arbeitsspule und eine Steuerung enthält Spule.

Transformator wird als statisches elektromagnetisches Gerät bezeichnet, das über zwei (oder mehr) induktiv gekoppelte Spulen verfügt und dazu bestimmt ist, durch elektromagnetische Induktion ein oder mehrere Wechselstromsysteme in ein oder mehrere andere Wechselstromsysteme umzuwandeln.

Die Leistung des Transformators wird durch die maximal mögliche Induktion des Magnetkernmaterials und dessen Abmessungen bestimmt. Daher werden die Magnetkerne (normalerweise vom Stabtyp) leistungsstarker Leistungstransformatoren aus Elektroblechen mit einer Dicke von 0,35 oder 0,5 mm zusammengesetzt.

Das Gerät und das Funktionsprinzip des Transformators

Elektromagnetisches Relais wird als elektromechanisches Relais bezeichnet, dessen Funktionsweise auf der Wirkung eines Magnetfelds einer stationären Spule auf ein sich bewegendes ferromagnetisches Element basiert.

Jedes elektromagnetische Relais enthält zwei Stromkreise: einen Eingangssignalkreis (Steuersignal) und einen Ausgangssignalkreis (gesteuert). Nach dem Geräteprinzip des gesteuerten Stromkreises werden unpolarisierte und polarisierte Relais unterschieden. Der Betrieb nicht polarisierter Relais hängt im Gegensatz zu polarisierten Relais nicht von der Stromrichtung im Steuerkreis ab.

Wie ein elektromagnetisches Relais funktioniert und funktioniert

Unterschiede zwischen elektromagnetischen DC- und AC-Relais

Rotierende elektrische Maschine — ein Gerät zur Energieumwandlung auf der Grundlage elektromagnetischer Induktion und der Wechselwirkung eines Magnetfelds mit elektrischem Strom, das mindestens zwei Teile enthält, die am Hauptumwandlungsprozess beteiligt sind und sich relativ zueinander drehen oder drehen können.

Der Teil elektrischer Maschinen, der einen stationären Magnetkreis mit einer Spule umfasst, wird Stator genannt, der rotierende Teil wird Rotor genannt.

Eine elektrische Maschine, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln soll, wird als elektrische Generatormaschine bezeichnet. Eine elektrische Maschine, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln soll, wird als rotierender Elektromotor bezeichnet.

Das Funktionsprinzip und das Gerät von Elektromotoren

Das Funktionsprinzip und das Gerät von Generatoren

Die oben genannten Beispiele für die Verwendung weicher Materialien zur Herstellung elektromagnetischer Geräte erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Alle diese Prinzipien gelten auch für die Gestaltung von Magnetkreisen und anderen elektrischen Produkten, die Induktoren verwenden, wie z. B. elektrische Schaltgeräte, Magnetschlösser usw.