Dispositivi elettromagnetici: scopo, tipi, requisiti, design

Scopo dei dispositivi elettromagnetici

La produzione, la trasformazione, la trasmissione, la distribuzione o il consumo di energia elettrica è effettuata mediante dispositivi elettrici. Da tutta la loro varietà, individuiamo i dispositivi elettromagnetici, il cui lavoro si basa sul fenomeno dell'induzione elettromagneticaaccompagnato dalla comparsa di flussi magnetici.

I dispositivi elettromagnetici statici includono induttanze, amplificatori magnetici, trasformatori, relè, avviatori, contattori e altri dispositivi. Rotante: motori e generatori elettrici, frizioni elettromagnetiche.

Un insieme di parti ferromagnetiche di dispositivi elettromagnetici progettati per condurre la parte principale del flusso magnetico, denominato sistema magnetico di un dispositivo elettromagnetico… Un'unità strutturale speciale di un tale sistema è circuito magnetico… I flussi magnetici che passano attraverso i circuiti magnetici possono essere parzialmente confinati in un mezzo non magnetico, formando flussi magnetici vaganti.

I flussi magnetici che passano attraverso un circuito magnetico possono essere creati utilizzando correnti elettriche dirette o alternate che scorrono in uno o più bobine induttive… Tale bobina è un elemento del circuito elettrico progettato per utilizzare la propria induttanza e/o il proprio campo magnetico.

Si formano una o più bobine liquidazione… Viene chiamata la parte del circuito magnetico su cui o attorno al quale si trova la bobina nucleo, è chiamata la parte su cui o attorno alla quale non si trova la bobina giogo.

Il calcolo dei principali parametri elettrici dei dispositivi elettromagnetici si basa sulla legge della corrente totale e sulla legge dell'induzione elettromagnetica. Il fenomeno dell'induzione reciproca viene utilizzato per trasferire energia da un circuito elettrico a un altro.

Vedi maggiori dettagli qui: Circuiti magnetici di dispositivi elettrici e qui: A cosa serve il calcolo del circuito magnetico?

Requisiti per circuiti magnetici di dispositivi elettromagnetici

I requisiti per i nuclei magnetici dipendono dallo scopo funzionale dei dispositivi elettromagnetici in cui vengono utilizzati.

Nei dispositivi elettromagnetici possono essere utilizzati sia flussi magnetici costanti che/o alternati. Il flusso magnetico permanente non provoca perdite di energia nei circuiti magnetici.

Nuclei magnetici operanti in condizioni di esposizione flusso magnetico costante (ad es. bancali per macchine DC) possono essere realizzati da pezzi grezzi fusi con successiva lavorazione. Con una complessa configurazione di circuiti magnetici, è più economico fabbricarli da più elementi.

Il passaggio attraverso i circuiti magnetici di un flusso magnetico alternato è accompagnato da perdite di energia, che vengono chiamate perdite magnetiche… Provocano il riscaldamento dei circuiti magnetici. È possibile ridurre il riscaldamento dei nuclei magnetici mediante accorgimenti speciali per il loro raffreddamento (ad esempio, lavorando in olio). Tali soluzioni complicano il loro design, aumentano i costi di produzione e funzionamento.

Le perdite magnetiche sono costituite da:

• perdita di isteresi;

• perdite di corrente parassita;

• ulteriori perdite.

Le perdite di isteresi possono essere ridotte utilizzando ferromagneti a magnete morbido con una stretta circuito di isteresi.

Le perdite di corrente parassita sono generalmente ridotte da:

• utilizzo di materiali con conducibilità elettrica specifica inferiore;

• la produzione di nuclei magnetici da nastri o piastre elettricamente isolati.

Distribuzione di correnti parassite in diversi circuiti magnetici: a — in colata; b — in una serie di parti fatte di materiali in fogli.

La parte centrale del circuito magnetico è in misura maggiore coperta da correnti parassite rispetto alla sua superficie, il che porta a uno «spostamento» del flusso magnetico principale verso la superficie del circuito magnetico, cioè si verifica un effetto di superficie.

Ciò porta al fatto che ad una certa frequenza caratteristica del materiale di questo circuito magnetico, il flusso magnetico sarà completamente concentrato in un sottile strato superficiale del circuito magnetico, il cui spessore è determinato dalla profondità di penetrazione ad una data frequenza .

La presenza di correnti parassite che scorrono in un nucleo magnetico costituito da un materiale a bassa resistenza elettrica comporta perdite corrispondenti (perdite da correnti parassite).

Il compito di ridurre le perdite di correnti parassite e preservare al massimo il flusso magnetico viene risolto producendo circuiti magnetici da singole parti (o loro parti), che sono elettricamente isolate l'una dall'altra. In questo caso, l'area della sezione trasversale del circuito magnetico rimane invariata.

Sono ampiamente utilizzate lastre o nastri stampati da materiali in fogli e avvolti su un'anima. Diversi metodi tecnologici possono essere utilizzati per isolare le superfici di lastre (o nastri), di cui è più spesso applicata l'applicazione di vernici o smalti isolanti.

Un circuito magnetico composto da parti separate (o loro parti) permette di:

• riduzione delle perdite di correnti parassite dovute alla disposizione perpendicolare delle piastre rispetto alla direzione della loro circolazione (in questo caso diminuisce la lunghezza dei circuiti lungo i quali possono circolare le correnti parassite);

• ottenere una distribuzione disuniforme trascurabile del flusso magnetico, in quanto ad uno spessore ridotto del materiale in foglio, commisurato alla profondità di penetrazione, l'effetto schermante delle correnti parassite è ridotto.

Altri requisiti possono essere imposti sui materiali dei nuclei magnetici: resistenza alla temperatura e alle vibrazioni, basso costo, ecc. Quando si progetta un dispositivo specifico, viene selezionato il materiale magnetico morbido i cui parametri soddisfano meglio i requisiti specificati.

Progettazione di nuclei magnetici

A seconda della tecnologia di produzione, i nuclei magnetici dei dispositivi elettromagnetici possono essere suddivisi in 3 gruppi principali:

• lamellare;

• nastro;

• modellato.

I circuiti magnetici lamellari vengono reclutati da piastre separate, elettricamente isolate l'una dall'altra, il che consente di ridurre le perdite di correnti parassite. I nuclei magnetici a nastro si ottengono avvolgendo un nastro di un certo spessore. In tali circuiti magnetici, l'effetto delle correnti parassite è notevolmente ridotto, poiché i piani delle strisce sono ricoperti da una vernice isolante.

I nuclei magnetici formati sono prodotti mediante fusione (acciaio elettrico), tecnologia ceramica (ferriti), miscelazione di componenti seguita da pressatura (magneto-dielettrici) e altri metodi.

Nella fabbricazione del circuito magnetico di un dispositivo elettromagnetico, è necessario garantire il suo progetto specifico, che è determinato da molti fattori (potenza del dispositivo, frequenza operativa, ecc.), inclusa la presenza o l'assenza di conversione diretta o inversa di elettromagnetica energia in energia meccanica nel dispositivo.

I progetti di dispositivi in ​​\u200b\u200bcui avviene tale trasformazione (motori elettrici, generatori, relè, ecc.) includono parti che si muovono sotto l'influenza dell'interazione elettromagnetica.

I dispositivi in ​​cui l'induzione elettromagnetica non provoca la conversione dell'energia elettromagnetica in energia meccanica (trasformatori, induttanze, amplificatori magnetici, ecc.) sono chiamati dispositivi elettromagnetici statici.

Nei dispositivi elettromagnetici statici, a seconda del design, vengono spesso utilizzati circuiti magnetici corazzati, ad asta e ad anello.

I nuclei magnetici stampati possono avere un design più complesso rispetto a fogli e strisce.

Nuclei magnetici formati: a — rotondo; b - d - corazzato; d - coppa; f, g — rotazione; h: molte aperture

I nuclei magnetici corazzati si distinguono per la semplicità del design e, di conseguenza, la producibilità. Inoltre, questo design fornisce una migliore (rispetto ad altri) protezione della bobina da influenze meccaniche e interferenze elettromagnetiche.

I circuiti magnetici del nucleo sono diversi:

• buon raffreddamento;

• bassa sensibilità ai disturbi (poiché l'EMF dei disturbi indotti nelle bobine vicine è di segno opposto ed è parzialmente o completamente compensato);

• meno peso (rispetto all'armatura) a parità di potenza;

• minore (rispetto all'armatura) dissipazione del flusso magnetico.

Gli svantaggi dei dispositivi basati su circuiti magnetici ad asta (rispetto ai dispositivi basati su circuiti corazzati) includono la laboriosità della produzione di bobine (soprattutto quando sono posizionate su aste diverse) e la loro protezione più debole dalle influenze meccaniche.

A causa delle basse correnti di dispersione, i circuiti magnetici ad anello si distinguono, da un lato, per un buon isolamento acustico e, dall'altro, per un piccolo effetto sugli elementi vicini di apparecchiature elettroniche (REE). Per questo motivo sono ampiamente utilizzati nei prodotti di ingegneria radio.

Gli svantaggi dei circuiti magnetici circolari sono associati alla loro bassa tecnologia (difficoltà nell'avvolgimento delle bobine e nell'installazione di dispositivi elettromagnetici nel luogo di utilizzo) e potenza limitata - fino a centinaia di watt (quest'ultima è spiegata dal riscaldamento del circuito magnetico, che non ha raffreddamento diretto a causa delle spire situate su di esso della bobina).

La scelta del tipo e del tipo del circuito magnetico viene effettuata tenendo conto della possibilità di ottenere i valori più piccoli della sua massa, volume e costo.

Strutture sufficientemente complesse hanno circuiti magnetici di dispositivi in ​​\u200b\u200bcui vi è una conversione diretta o inversa di energia elettromagnetica in energia meccanica (ad esempio, circuiti magnetici di macchine elettriche rotanti). Tali dispositivi utilizzano circuiti magnetici stampati o a piastra.

Tipi di dispositivi elettromagnetici

Acceleratore — un dispositivo utilizzato come resistenza induttiva nei circuiti a corrente alternata o pulsante.

I nuclei magnetici con un gap non magnetico vengono utilizzati nelle bobine di arresto CA utilizzate per l'accumulo di energia e nelle bobine di livellamento progettate per attenuare l'ondulazione della corrente rettificata. Allo stesso tempo, ci sono strozzatori in cui è possibile regolare la dimensione del traferro non magnetico, necessario per modificare l'induttanza dello strozzatore durante il suo funzionamento.

Il dispositivo e il principio di funzionamento dell'acceleratore elettrico

Amplificatore magnetico — un dispositivo costituito da uno o più circuiti magnetici con bobine mediante i quali è possibile modificare l'intensità della corrente o della tensione in un circuito elettrico alimentato da una sorgente di tensione o corrente alternata, basato sull'utilizzo del fenomeno di saturazione del ferromagnete sotto l'azione di un campo di polarizzazione permanente.

Il principio di funzionamento dell'amplificatore magnetico si basa su una variazione della permeabilità magnetica differenziale (misurata su una corrente alternata) con una variazione della corrente di polarizzazione diretta, pertanto l'amplificatore magnetico più semplice è un'induttanza satura contenente una bobina di lavoro e un controllo bobina.

Trasformatore è chiamato un dispositivo elettromagnetico statico che ha due (o più) bobine accoppiate induttivamente ed è progettato per convertire mediante induzione elettromagnetica uno o più sistemi CA in uno o più altri sistemi CA.

La potenza del trasformatore è determinata dalla massima induzione possibile del materiale del nucleo magnetico e dalle sue dimensioni. Pertanto, i nuclei magnetici (solitamente del tipo ad asta) di potenti trasformatori di potenza sono assemblati da fogli di acciaio elettrico con uno spessore di 0,35 o 0,5 mm.

Il dispositivo e il principio di funzionamento del trasformatore

Relè elettromagnetico è chiamato relè elettromeccanico, il cui funzionamento si basa sull'effetto di un campo magnetico di una bobina fissa su un elemento ferromagnetico in movimento.

Qualsiasi relè elettromagnetico contiene due circuiti elettrici: un circuito di segnale di ingresso (controllo) e un circuito di segnale di uscita (controllato). Secondo il principio del dispositivo del circuito controllato, si distinguono relè non polarizzati e polarizzati. Il funzionamento dei relè non polarizzati, a differenza dei relè polarizzati, non dipende dalla direzione della corrente nel circuito di controllo.

Come funziona e funziona un relè elettromagnetico

Differenze tra relè elettromagnetici DC e AC

Macchina elettrica rotante — un dispositivo progettato per convertire l'energia in base all'induzione elettromagnetica e all'interazione di un campo magnetico con una corrente elettrica, contenente almeno due parti coinvolte nel processo di conversione principale e in grado di ruotare o ruotare l'una rispetto all'altra.

La parte delle macchine elettriche che include un circuito magnetico stazionario con una bobina è chiamata statore e la parte rotante è chiamata rotore.

Una macchina elettrica progettata per convertire l'energia meccanica in energia elettrica è chiamata generatore di macchina elettrica. Una macchina elettrica progettata per convertire l'energia elettrica in energia meccanica è chiamata motore elettrico rotativo.

Il principio di funzionamento e il dispositivo dei motori elettrici

Il principio di funzionamento e il dispositivo dei generatori

Gli esempi sopra riportati sull'utilizzo di materiali morbidi per creare dispositivi elettromagnetici non sono esaustivi. Tutti questi principi si applicano anche alla progettazione di circuiti magnetici e altri prodotti elettrici che utilizzano induttori, come dispositivi di commutazione elettrica, serrature magnetiche, ecc.