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

74867. Духовные стихи и песни (темы, образы, сюжеты, стиль) 109.26 KB
  Основа Духовных стихов –книжные повести церковного происхождения источник –Священное Писание. Функции Духовных стихов Назидательная Дидактическая Форма исполнения: песенная этим отличается от легенды. Духовные стихи в отношении формы и стиля делятся на Лирические Эпические более древние Общим для лирических эпических и лироэпических стихов является их несомненная зависимость от книжных источников...
74868. Предания. Бывальщины. Былички. Народная демонология 129.68 KB
  Определение жанра как устного повествования о событиях выпадающих из хода повседневной жизни: стихийные бедствия социальные аномалии в том числе войны экстремальные жизненные ситуации в быту на работе на промысле в дороге. Проблема обособления бывальщины как фольклорного жанра в ряду бытовых рассказов. Связь бывальщины с другими жанрами сказками и др. Тематический спектр жанра: рассказы о встречах взаимоотношениях с домовым банником водяным лешим русалкой чертом покойником; о колдунах проклятых; о кладах; о гаданиях и...
74869. Основные понятия финансового менеджмента 1.06 MB
  Основные понятия финансового менеджмента Понятие финансового менеджмента: принципы цели задачи и функции Обеспечение финансового менеджмента Базовые концепции финансового менеджмента Финансовый менеджмент представляет собой систему принципов и методов разработки и реализации управленческих решений связанных с формированием распределением и использованием финансовых ресурсов предприятия и организацией оборота его денежных средств. В какой бы сфере деятельности предприятия не принималось управленческое решение оно прямо или косвенно...
74870. Финансовая стратегия предприятия 969 KB
  Финансовая стратегия предприятия Понятие финансовой стратегии и методы ее разработки Стратегический финансовый анализ и методы его осуществления. Оценка разработанной стратегии Управление и контроль реализации финансовой стратегии. Понятие финансовой стратегии и методы ее разработки Финансовая стратегия представляет собой один из важнейших видов функциональной стратегии предприятия обеспечивающей все основные направления развития его финансовой деятельности и финансовых отношений путем формирования долгосрочных финансовых целей выбора...
74871. Управление капиталом предприятия 1.59 MB
  Управление капиталом предприятия Экономическая природа капитала. Понятие капитала и цены капитала. Оптимизация структуры капитала Оценка стоимости элементов капитала Управление эмиссией акций Управление формированием операционной прибыли Управление финансовым лизингом Управление облигационным займом Управление банковским кредитом Управление коммерческим кредитом Управление внутренней кредиторской задолженностью...
74872. Управление денежными потоками 231 KB
  Управление денежными потоками Сущность и классификация денежных потоков предприятия Особенности управления денежными потоками Направления оптимизации денежных потоков Сущность и классификация денежных потоков предприятия Денежный поток предприятия представляет собой совокупность распределенных по отдельным интервалам рассматриваемого периода времени поступлений и выплат денежных средств генерируемых его хозяйственной деятельностью. Классификация денежных потоков По видам хозяйственной деятельности в соответствии с международными...
74873. Управление финансовыми рисками 366.5 KB
  Управление финансовыми рисками Сущность и классификация финансовых рисков Финансовый риск представляет собой результат менеджерами предприятия альтернативного финансового решения направленного на достижение желаемого целевого результата финансовой деятельности при вероятности понесения финансовых потерь в силу неопределенности условий его реализации. Этот классификационный признак является основным параметром дифференциации финансовых рисков в процессе управления ими. Характеристика конкретного вида риска одновременно дает представление о...
74874. Управление активами предприятия 1.34 MB
  Управление активами предприятия Сущность и классификация активов предприятия Принципы формирования активов предприятия Состав внеоборотных активов и особенности управления. Управление обновлением внеоборотных активов Состав и особенности управления оборотными активами Управление запасами Управление текущей дебиторской задолженностью Управление денежными активами...
74875. Операционный и финансовый рычаг 1.05 MB
  Соотношение постоянных и переменных операционных затрат предприятия позволяющее включать механизм операционного левериджа с различной интенсивностью воздействия на операционную прибыль предприятия характеризуется коэффициентом операционного левериджа который рассчитывается по следующей формуле...