70835

Дослідження тягових електромагнітів

Лабораторная работа

Физика

Електромагніти є основою багатьох електротехнічних пристроїв. Вони дуже різноманітні за призначенням і конструктивним виконанням. Значна частина електромагнітів використовується для здійснення поступального або обертового переміщення, для створення утримуючої сили.

Украинкский

2014-10-28

886 KB

3 чел.

Робота 14. Дослідження тягових електромагнітів

14.1. Мета роботи

Вивчити будову, принцип дії та дослідити тягові характеристики електромагнітів постійного та змінного струмів.

14.2. Короткі теоретичні відомості

Електромагніти є основою багатьох електротехнічних пристроїв. Вони дуже різноманітні за призначенням і конструктивним виконанням. Значна частина електромагнітів використовується для здійснення поступального або обертового переміщення, для створення утримуючої сили. Дія таких електромагнітів зумовлена силою взаємодії феромагнітного тіла з зовнішнім магнітним полем. Тому їх називають тяговими електромагнітами.

На рис. 14.1 зображене магнітне коло тягового електромагніта. Воно складається з намагнічуючої котушки 1; нерухомої частини (ярма) 2; і рухомої частини (якоря) 3. Ярмо і якір розділяє повітряний проміжок .

Рис. 14.1

При протіканні струму в котушці з кількістю витків виникає намагнічуюча сила , яка збуджує магнітне поле (магнітний потік), магнітні силові лінії якого замикаються через нерухоме ярмо (магнітопровід), повітряний проміжок і якір.

При цьому звернені одна до одної поверхні нерухомого ярма і рухомого якоря намагнічуються різнополярно і притягуються з силою  яку називають тяговою електромагнітною силою, а пристрій -електромагнітом. Якір механічно зв’язаний з механізмом, який необхідно перемістити.

Другим прикладом електромагнітного механізму є реле струму (рис. 14.1,б), яке широко використовується в автоматиці. Реле складається з намагнічуючої котушки 1, ярма 2, якоря 3, протидіючої пружини 4 і електричних контактів 5. Електротягова сила , що діє на якір в напрямку зменшення повітряного проміжку , долаючи опір пружини 4, притягує якір до ярма. При цьому контакти 5 (група контактів) розмикаються, комутуючи відповідне електричне коло.

При зміні повітряного проміжку  змінюється магнітний опір магнітного кола , що призводить до зміни величини магнітного потоку

,

а значить і електротягової сили . Залежність сили ,           де g – узагальнена координата положення рухомої частини                  (, α тощо), які змінюються під дією цієї сили, називається тяговою характеристикою електромагніта. Електромагнітна тягова сила діє завжди в напрямку такої зміни координати g, при якій зменшується  довжина силових ліній, при  цьому одночасно зменшується магнітний опір  кола електромагніта і збільшуються магнітний потік Ф, індуктивність котушки збудження та енергія магнітного поля.

В загальному випадку електромагнітна тягова сила при  визначається за формулою

,

де W – енергія магнітного поля електромагніта.

Для електромагніта, наведеного на рис. 14.1,а, величина тягової сили

                   /14.1/

де  - магнітна індукція в повітряному проміжку, ;  - магнітна проникність повітря;  - площа взаємодії ярма і якоря, ; Ф – магнітний потік між ярмом і          якорем, .

Тягова сила, яка діє на якір реле струму (рис. 14.1,б),

,                       /14.2/

і тягова характеристика має вигляд, наведений на рис. 14.2.

Змінюючи геометрію (конфігурацію) електромагнітів, формують їх тягові характеристики відповідно до вимог конкретного електромагнітного механізму.

Котушки електромагнітів можуть живитись як від постійного струму (електромагніти постійного струму), так і від джерела змінного струму (електромагніти змінного струму). Тягові характеристики і конструктивне виконан-

              Рис. 14.2                 ня електромагнітів  змінного  і  постійного

                                              струму мають суттєві відмінності. Магнітний потік, який збуджується котушкою, по якій проходить неперіодичний змінний струм, теж періодично змінюється за величиною і напрямком. При синусоїдній формі напруги живлення котушки електромагніта струм в котушці також буде синусоїдним і магнітний потік

і згідно з формулою /14.1/ електромагнітна тягова сила

                        /14.3/

На рис. 14.3 зображені електромагніт і графіки зміни в часі магнітного потоку і тягової сили. Із наведених графіків видно, що тягова сила буде змінюватись (пульсувати) від нуля до максимального значення з подвійною частотою відносно частоти напруги живлення.

Зазвичай, переміщенню якоря електромагніта протидіє сила пружини . В момент часу, коли сила , якір притягується до ярма, а коли  пружина відтягує якір. В результаті якір рухається зворотно-поступально з подвійною частотою мережі і невеликою амплітудою, що супроводжується звуковим ефектом. Це явище використовують для створення електромагнітних вібраторів, електромолотів тощо.

Рис. 14.3

Для усунення вібрацій в тягових електромагнітах застосовують додаткові засоби, які унеможливлюють зменшення тягової сили нижче сили пружини. Одним із таких засобів є розчеплення одного з полюсів магнітопровода на дві частини і накладання на одну з них короткозамкнутого витка або декількох витків, як зображено на           рис. 14.4. Часто короткозамкнуту обмотку виконують у вигляді мідного кільця і називають її екраном.

                                                          Дія короткозамкнутого витка така:

             Рис. 14.4                        створений обмоткою збудження магніт-

ний потік  в розщепленому полюсі ділиться на потоки Ф1 і Ф2. Магнітний потік Ф1, пронизуючи короткозамкнутий виток, індукує в ньому електрорушійну силу взаємоіндукції , як у вторинній обмотці однофазного трансформатора в режимі короткого замикання. Ця е.р.с., зсунута в часі відносно потока Ф1 на кут , зумовлює протікання струму , де  - повний опір короткозамкнутого витка. Цей струм великий, бо опір  дуже малий. Протікання струму  супроводжується магнітним потоком , який направлений проти потоку Ф1 і співпадає з потоком Ф2. Магнітний потік ФК, зсунутий в часі відносно потоків Ф1 і Ф2, бо е.р.с. зсунута відносно Ф1 на кут . В результаті в розчепленій частині магнітного полюса створюються різні магнітні потоки як за амплітудою, так і за фазою. Зумовлені цими магнітними потоками тягові сили будуть пульсуючими, але їх нульові значення будуть зсунуті в часі. В результаті тягова сила електромагніта буде змінною, але мінімальні значення будуть більшими нуля. Підбором площ розщеплених частин полюса і параметрів короткозамкнутого витка добиваються того, що мінімальні значення результуючої тягової сили  більші за силу пружини, як зображено на рис. 14.5.

   Особливістю електромагні-

тів змінного струму на відміну від електромагнітів постійного струму є те, що струм в котушці збудження залежить від величини повітряного проміжку. Це зумовлено тим, що магнітний опір кола

                     Рис. 14.5

,

де  - магнітний опір магнітопроводу;  - магнітний опір повітряного проміжку,  - магнітна проникливість матеріалу, з якого виготовлений магнітопровід;  - магнітна проникливість повітря, яку приймають рівною магнітній проникливості вакууму;      - площа поперечного перерізу магнітопроводу.

Оскільки магнітна проникливість листової електротехнічної сталі, з якої виготовлений магніто провід, значно більша  , то можна вважати, що магнітний потік обернено-пропорційний величині повітряного проміжку згідно закону Ома для магнітного кола . Отже, великому (початковому) повітряному проміжку буде відповідати мінімальний магнітний потік, мінімальним буде індуктивний опір котушки  і максимальним буде струм

,                            /14.4/

де  - напруга живлення котушки.

По мірі зменшення повітряного проміжку магнітний потік і відповідно опір котушки будуть збільшуватись, а струм в котушці – зменшуватись. Відношення початкового струму () до усталеного

.                                  /14.5/

Співвідношення /14.5/ показує, що тривале живлення електромагнітів змінного струму при розімкнутому магнітопроводі  призведе до перегріву котушки. Перегріву котушок збудження електромагнітів постійного струму не буває, оскільки струм не залежить від повітряного проміжку.

14.3 Програма роботи

1. Ознайомитись з будовою Ш-подібного електромагніта і магніта соленоїдного типу

2. Зняти тягові характеристики  Ш-подібного електромагніта при живленні котушки збудження від джерела постійної і змінної напруги.

3. Зняти тягові характеристики  електромагніта з внутрішнім лінійним переміщенням при живленні котушки збудження від джерела постійної і змінної напруги.

4. Зробити порівняльний аналіз отриманих результатів.  

14.4. Опис лабораторної установки

 Лабораторна установка складається з Ш-подібного електромагніта з лінійним переміщенням якоря та електромагніта соленоїдного типу, пружинного динамометра, набору немагнітних каліброваних прокладок, джерел живлення постійного і змінного струмів та вимірювальних приладів.

Електрична схема підєднання Ш-подібного електромагніта до джерела живлення змінного струму наведена на рис. 14.6.

Рис. 14.6.

Частина схеми, виділена на рис. 14.6. пунктирними лініями, розміщена на лабораторному столі. Вона складається із вимикача SA1, лабораторного автотрансформатора TV, вольтметра PV1 і амперметра PA1. До клем 1-2 підєднують котушку досліджуваного електромагніта при живленні його змінним струмом. На переносному стенді розташовані два електромагніти з пристроями вимірювання сили тяги, перемикач SA2, випрямляч VD, набір немагнітних прокладок П, амперметр PA2 для вимірювання постійного струму та клеми 5-6 для під єднання котушок електромагнітів при живленні їх постійним струмом.

14.5. Порядок виконання роботи

1. Ознайомитись з конструкціями Ш-подібного і соленоїдного електромагнітів та з пристроями вимірювання сили тяги. Підєднати до клем 1-2, які розташовані на панелі лабораторного стола, вимикач SA2 і котушку Ш-подібного електромагніта. Після перевірки електричної схеми викладачем приступають до проведення експериментів.

2. Тягові характеристики Ш-подібного електромагніта при живленні котушки збудження змінним і постійним струмом знімають у такій послідовності:

- ручку автотрансформатора TV переводять в нульове (крайнє ліве) положення і вмикають вимикач SA1;

- плавно збільшують напругу на виході автотрансформатора TV до тих пір, поки якір не притягнеться до ярма, при цьому пружина динамометра не повинна натягуватись. Покази амперметра PA1 і вольтметра PV1 заносять в табл. 1. Потім за допомогою важеля плавно збільшують силу тяги пружинного динамометра доти доки якір не відірветься від ярма. В цей момент за шкалою визначають силу тяги динамометра Fд, яка буде дорівнювати силі тяги електромагніта FT. Силу Fд фіксують в кг, а потім перераховують її в ньютони за формулою , де . Ці дані заносять в табл. 1;

- потім ручку автотрансформатора знову переводять в нульове положення і вимикають вимикач SA1; котушку електромагніта відмикають від клем 1-2 і під’єднують до клем 5-6; вмикають вимикачі SA1 і SA2 і далі плавно збільшують напругу автотрансформатором доти, доки не притягнеться якір до ярма. Покази амперметра PA2 і вольтметра PV2 заносять в табл. 1. Після цього визначають силу відриву якоря від ярма, перераховують її у ньютони і ці дані заносять в табл. 1.

При цих експериментах повітряний проміжок .

Таблиця 1

№ п/п

δ, мм

Змінний струм

Постійний струм

хL Ом

U, В

І, А

Fд, кг

FТ, Н

Zк, Ом

U, В

І, А

Fд, кг

FТ, Н

rк, Ом

1

2

3

4

5

6

0

0,5

1,0

2,0

3,0

4,0

Крім того, вираховують повний опір котушки електромагніта , опір при постійному струму , а також індуктивний опір .

Наступну точку характеристик визначають для мм. Для цього калібровані пластини товщиною 0.5 мм встановлюють в проміжки між якорем і ярмом так, як зображено на рис. 14.6, і дослід повторюють за вищенаведеною методикою. Аналогічно знімають точки тягових характеристик для δ=1.0; 2.0; 3.0 і 4.0 мм.

За даними експериментів і розрахунків в  одних координатах будують залежності  при живленні котушок електромагнітів постійним і змінним струмом і характеристику . За видом цієї характеристики зробити висновок про зміну струму при спрацюванні електромагніта.

3. Тягові характеристики електромагніта соленоїдного типу знімають також при живленні котушки збудження постійним і змінним струмом за методикою, описаною вище. Натяг пружини динамометра здійснюють за допомогою гвинта і гайки. Дані вимірювань і обчислень заносять в табл. 2.

За даними табл. 2 в одних координатах будують характеристики  при живленні котушки електромагніта постійним і змінним струмом, а також залежність .

Таблиця 2

№ п/п

δ, мм

Змінний струм

Постійний струм

Ік, А

Fg, кг

FТ, Н

Ік, А

Fg, кг

FТ, Н

1

2

3

4

5

6

0

0,5

1,5

3

6

10

 

За даними досліджень роблять висновки про відмінності роботи електромагнітів при живленні їх котушок збудження постійним і змінним стумами.

14.6. Контрольні запитання

1. Яку залежність відображає тягова характеристика електромагніта?

2. Який вид має тягова характеристика електромагніта?

3. Для чого необхідно знати тягові характеристики електромагнітів?

4. Чому при живленні котушки електромагніта змінним струмом сила тяги не змінює свого напрямку?

5. З якою метою магнітопроводи електромагнітів змінного струму виконують з тонкої листової електротехнічної сталі?

6. Що може бути причиною виникнення вібрації якоря в електромагнітах змінного струму?

8. Від чого залежить струм в котушці електромагніта змінного струму?

9. Від чого залежить струм в котушці електромагніта постійного стуму?

10. Чому після виключення електромагніта його якір рухається зі змінним прискоренням?

6


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

1025. Построение защищенной информационной системы для учреждения 225.5 KB
  Технико-экономическое обоснование разработки вычислительной сети. Выбор конфигурации вычислительной сети. Проектирование структурной схемы вычислительной сети. Калькуляция затрат на построение сети.
1026. Общие вопросы практической философии 524.5 KB
  Проблема рождения философии. Космоцентризм и основные понятия античной философии. Бог, человек и мир в средневековой христианской философии. Антропоцентризм и гуманизм в философской мысли Возрождения. Система и метод философии Гегеля. П.Я. Чаадаев о российской истории и историософии.
1027. Исследование системы биометрической аутентификации пользователя ПК по клавиатурному почерку 422 KB
  Теоретические принципы построения биометрических систем динамической аутентификации личности по рукописному и клавиатурному почеркам. Получение вектора биометрических параметров при анализе рукописного почерка. Аутентификация пользователя на основе измерения близости образа к биометрическому эталону мерой Хэмминга. Биометрическая аутентификация на основе аддитивной модели сравнения биометрических характеристик пользователей.
1028. Создание и обработка изображений для печатной рекламы средствами программы Corel Draw 573.5 KB
  Краткое описание продукта Corel Draw. Особенности разработки элементов наружной рекламы в пакетах Corel Draw. Состав изображений. Графические объекты. Использование пиксельных изображений в Corel Draw и функция импорт. Перспектива, тени и экструзия. Цветовые палитры и модели цвета.
1029. Методика викладання математики та її зв'язок з іншими науками 453.5 KB
  Огляд програмного забезпечення навчального процесу у вищій школі. Математичні методи наукових досліджень і сучасне природознавство. Сучасні тенденції розвитку математичної освіти у середній і вищій школі. Філософські проблеми математики в історичному контексті. Формування наукового світогляду при вивченні математики. Методика формування математичних понять. Організація, зміст і перспективи дистанційної освіти.
1030. Технологический процесс при производстве ударопрочного полистирола 469.64 KB
  Разработка системы управления технологическими процессами. Описание алгоритмов сбора, первичной обработки информации и циклического опроса датчиков. Спецификация на приборы и средства автоматизации. Контроллер РСУ и ПАЗ.
1031. Теории организации и управление предприятием и персоналом 706 KB
  Виды социальных систем их особенности. Схемы отношений индивидов в организации. Особенности их применения. Отличия форм собственности хозяйственных операций. Особенности национальных моделей менеджмента (японская, американская, европейская, российская). Функции в организации. Их классификация и состав. Управление противоречиями в организации. Пути формирования организационной культуры.
1032. Учет в производственных подразделениях, учет денежных средств, расчетов и кредитных операций 477 KB
  Организационно-экономическая и правовая характеристика ООО Хлебозавод №5. Организация учета в производственных подразделениях ООО Хлебозавод №5. Учет на складах и других местах хранения готовой продукции и материальных производственных запасов. Учет кредитных операций
1033. Системы принятия решения и оптимизация в электронных таблицах, конструирование баз данных 469 KB
  Краткие сведения о системах принятия решения. Системы искусственного интеллекта, имитирующие на компьютере мышление человека при решении различных задач. Разработка системы принятия решения для аттестации знаний студентов по курсу Финансовая математика.