Dispositivos electromagnéticos: propósito, tipos, requisitos, diseño.
Propósito de los dispositivos electromagnéticos.
La producción, transformación, transmisión, distribución o consumo de energía eléctrica se realiza mediante dispositivos eléctricos. De toda su variedad, destacamos los dispositivos electromagnéticos, cuyo trabajo se basa sobre el fenómeno de la inducción electromagnéticaacompañada de la aparición de flujos magnéticos.
Los dispositivos electromagnéticos estáticos incluyen estranguladores, amplificadores magnéticos, transformadores, relés, arrancadores, contactores y otros dispositivos. Rotación: motores y generadores eléctricos, embragues electromagnéticos.
Un conjunto de partes ferromagnéticas de dispositivos electromagnéticos diseñados para conducir la parte principal del flujo magnético, denominado sistema magnético de un dispositivo electromagnético… Una unidad estructural especial de tal sistema es circuito magnético… Los flujos magnéticos que pasan a través de los circuitos magnéticos pueden quedar parcialmente confinados en un medio no magnético, formando flujos magnéticos dispersos.
Los flujos magnéticos que pasan a través de un circuito magnético se pueden crear usando corrientes eléctricas continuas o alternas que fluyen en uno o más bobinas inductivas… Tal bobina es un elemento de circuito eléctrico diseñado para usar su propia inductancia y/o su propio campo magnético.
Se forman una o más bobinas. liquidación… La parte del circuito magnético sobre la cual o alrededor de la cual se encuentra la bobina se llama centro, se llama la parte en la que o alrededor de la cual no se encuentra la bobina yugo.
El cálculo de los principales parámetros eléctricos de los dispositivos electromagnéticos se basa en la ley de la corriente total y la ley de la inducción electromagnética. El fenómeno de la inducción mutua se utiliza para transferir energía de un circuito eléctrico a otro.
Ver más detalles aquí: Circuitos magnéticos de dispositivos eléctricos. y aquí: ¿Para qué sirve el cálculo del circuito magnético?
Requisitos para circuitos magnéticos de dispositivos electromagnéticos.
Los requisitos para los núcleos magnéticos dependen del propósito funcional de los dispositivos electromagnéticos en los que se utilizan.
En los dispositivos electromagnéticos, se pueden utilizar flujos magnéticos tanto constantes como alternos. El flujo magnético permanente no provoca pérdidas de energía en los circuitos magnéticos.
Núcleos magnéticos que funcionan en condiciones de exposición flujo magnético constante (p. ej., bancadas para máquinas de corriente continua) se pueden fabricar a partir de piezas en bruto fundidas con un mecanizado posterior. Con una configuración compleja de circuitos magnéticos, es más económico fabricarlos a partir de varios elementos.
El paso por los circuitos magnéticos de un flujo magnético alterno va acompañado de pérdidas de energía, que se denominan pérdidas magnéticas… Hacen que los circuitos magnéticos se calienten. Es posible reducir el calentamiento de los núcleos magnéticos mediante medidas especiales para su enfriamiento (por ejemplo, trabajando en aceite). Tales soluciones complican su diseño, aumentan los costos de producción y operación.
Las pérdidas magnéticas consisten en:
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pérdida de histéresis;
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pérdidas por corrientes de Foucault;
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pérdidas adicionales.
Las pérdidas por histéresis se pueden reducir mediante el uso de ferroimanes magnéticos blandos con un estrecho circuito de histéresis.
Las pérdidas por corrientes de Foucault generalmente se reducen por:
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uso de materiales con menor conductividad eléctrica específica;
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la producción de núcleos magnéticos a partir de tiras o placas eléctricamente aisladas.
Distribución de corrientes de Foucault en diferentes circuitos magnéticos: a — en fundición; b — en un conjunto de piezas de materiales laminares.
La parte media del circuito magnético está en mayor medida cubierta por corrientes de Foucault en comparación con su superficie, lo que provoca un «desplazamiento» del flujo magnético principal hacia la superficie del circuito magnético, es decir, se produce un efecto de superficie.
Esto lleva al hecho de que a una cierta frecuencia característica del material de este circuito magnético, el flujo magnético se concentrará completamente en una capa superficial delgada del circuito magnético, cuyo espesor está determinado por la profundidad de penetración a una frecuencia dada. .
La presencia de corrientes de Foucault que fluyen en un núcleo magnético hecho de un material con baja resistencia eléctrica conduce a pérdidas correspondientes (pérdidas por corrientes de Foucault).
La tarea de reducir las pérdidas por corrientes de Foucault y preservar al máximo el flujo magnético se resuelve fabricando circuitos magnéticos a partir de partes individuales (o sus partes), que están aisladas eléctricamente entre sí. En este caso, el área de la sección transversal del circuito magnético permanece sin cambios.
Se utilizan ampliamente placas o tiras estampadas a partir de materiales laminares y enrolladas en un núcleo. Se pueden utilizar diferentes métodos tecnológicos para aislar las superficies de placas (o tiras), de las cuales se aplica con mayor frecuencia la aplicación de barnices o esmaltes aislantes.
Un circuito magnético hecho de partes separadas (o sus partes) permite:
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reducción de las pérdidas por corrientes de Foucault debido a la disposición perpendicular de las placas en relación con la dirección de su circulación (en este caso, la longitud de los circuitos a lo largo de los cuales pueden circular las corrientes de Foucault disminuye);
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para obtener una distribución no uniforme despreciable del flujo magnético, ya que con un espesor pequeño del material laminar, proporcional a la profundidad de penetración, el efecto de protección de las corrientes de Foucault es pequeño.
Se pueden imponer otros requisitos a los materiales de los núcleos magnéticos: resistencia a la temperatura y a las vibraciones, bajo costo, etc. Al diseñar un dispositivo específico, se selecciona el material magnético blando cuyos parámetros cumplen mejor con los requisitos especificados.
Diseño de núcleos magnéticos
Dependiendo de la tecnología de producción, los núcleos magnéticos de los dispositivos electromagnéticos se pueden dividir en 3 grupos principales:
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lamelar;
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cinta;
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moldeado
Los circuitos magnéticos lamelares se reclutan a partir de placas separadas eléctricamente aisladas entre sí, lo que permite reducir las pérdidas por corrientes de Foucault. Los núcleos magnéticos de cinta se obtienen enrollando una cinta de cierto grosor. En tales circuitos magnéticos, el efecto de las corrientes de Foucault se reduce significativamente, ya que los planos de la tira están cubiertos con un barniz aislante.
Los núcleos magnéticos formados se producen por fundición (acero eléctrico), tecnología cerámica (ferritas), mezcla de componentes seguida de prensado (magnetodieléctricos) y otros métodos.
En la fabricación del circuito magnético de un dispositivo electromagnético, es necesario asegurar su diseño específico, que está determinado por muchos factores (potencia del dispositivo, frecuencia de operación, etc.), incluida la presencia o ausencia de conversión directa o inversa de energía electromagnética. energía en energía mecánica en el dispositivo.
Los diseños de dispositivos en los que ocurre tal transformación (motores eléctricos, generadores, relés, etc.) incluyen partes que se mueven bajo la influencia de la interacción electromagnética.
Los dispositivos en los que la inducción electromagnética no provoca la conversión de energía electromagnética en energía mecánica (transformadores, estranguladores, amplificadores magnéticos, etc.) se denominan dispositivos electromagnéticos estáticos.
En los dispositivos electromagnéticos estáticos, según el diseño, los circuitos magnéticos blindados, de varilla y de anillo se utilizan con mayor frecuencia.
Los núcleos magnéticos moldeados pueden tener un diseño más complejo que las láminas y tiras.
Núcleos magnéticos formados: a — redondos; b — d — blindado; d - taza; f, g — rotación; h - muchas aberturas
Los núcleos magnéticos blindados se distinguen por su simplicidad de diseño y, como resultado, por su capacidad de fabricación. Además, este diseño proporciona una mejor protección de la bobina (en comparación con otros) contra influencias mecánicas e interferencias electromagnéticas.
Los circuitos magnéticos del núcleo son diferentes:
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buen enfriamiento;
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baja sensibilidad a las perturbaciones (ya que la FEM de las perturbaciones inducidas en bobinas vecinas es de signo opuesto y está parcial o totalmente compensada);
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menos peso (en relación con la armadura) con la misma potencia;
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menos (en relación con la armadura) disipación de flujo magnético.
Las desventajas de los dispositivos basados en circuitos magnéticos de varilla (en relación con los dispositivos basados en circuitos blindados) incluyen la laboriosidad de fabricar bobinas (especialmente cuando se colocan en diferentes varillas) y su protección más débil contra influencias mecánicas.
Debido a las bajas corrientes de fuga, los circuitos magnéticos anulares se distinguen, por un lado, por un buen aislamiento del ruido y, por otro lado, por un pequeño efecto en los elementos cercanos de equipos electrónicos (REE). Por esta razón, se utilizan ampliamente en productos de ingeniería de radio.
Las desventajas de los circuitos magnéticos circulares están asociadas a su baja tecnología (dificultades para enrollar las bobinas e instalar dispositivos electromagnéticos en el lugar de uso) y potencia limitada, hasta cientos de vatios (este último se explica por el calentamiento del circuito magnético, que no tiene enfriamiento directo debido a las vueltas del serpentín ubicadas en él).
La elección del tipo y tipo de circuito magnético se realiza teniendo en cuenta la posibilidad de obtener los valores más pequeños de su masa, volumen y costo.
Las estructuras suficientemente complejas tienen circuitos magnéticos de dispositivos en los que hay una conversión directa o inversa de energía electromagnética en energía mecánica (por ejemplo, circuitos magnéticos de máquinas eléctricas giratorias). Dichos dispositivos utilizan circuitos magnéticos moldeados o de placa.
Tipos de dispositivos electromagnéticos.
Acelerador — un dispositivo utilizado como resistencia inductiva en circuitos de corriente alterna o pulsante.
Los núcleos magnéticos con un espacio no magnético se utilizan en bobinas de choque de CA que se utilizan para el almacenamiento de energía y en bobinas de filtrado diseñadas para suavizar la ondulación de corriente rectificada. Al mismo tiempo, hay estranguladores en los que se puede ajustar el tamaño del espacio no magnético, que es necesario para cambiar la inductancia del estrangulador durante su funcionamiento.
El dispositivo y principio de funcionamiento del acelerador eléctrico.
amplificador magnético — un dispositivo que consiste en uno o más circuitos magnéticos con bobinas por medio de los cuales la corriente o el voltaje pueden cambiar en magnitud en un circuito eléctrico alimentado por un voltaje alterno o una fuente de corriente alterna, basado en el uso del fenómeno de saturación del ferromagnético bajo la acción de un campo de polarización permanente.
El principio de funcionamiento del amplificador magnético se basa en un cambio en la permeabilidad magnética diferencial (medida en una corriente alterna) con un cambio en la corriente de polarización directa, por lo tanto, el amplificador magnético más simple es un estrangulador saturado que contiene una bobina de trabajo y un control. bobina.
Transformador se denomina dispositivo electromagnético estático que tiene dos (o más) bobinas acopladas inductivamente y está diseñado para convertir por inducción electromagnética uno o más sistemas de CA en uno o más sistemas de CA.
La potencia del transformador está determinada por la máxima inducción posible del material del núcleo magnético y sus dimensiones. Por lo tanto, los núcleos magnéticos (generalmente del tipo varilla) de los transformadores de potencia potentes se ensamblan a partir de láminas de acero eléctrico con un espesor de 0,35 o 0,5 mm.
El dispositivo y el principio de funcionamiento del transformador.
Relé electromagnético Se denomina relé electromecánico, cuyo funcionamiento se basa en el efecto de un campo magnético de una bobina estacionaria sobre un elemento ferromagnético en movimiento.
Cualquier relé electromagnético contiene dos circuitos eléctricos: un circuito de señal de entrada (control) y un circuito de señal de salida (controlado). De acuerdo con el principio del dispositivo del circuito controlado, se distinguen los relés no polarizados y polarizados. El funcionamiento de los relés no polarizados, a diferencia de los polarizados, no depende de la dirección de la corriente en el circuito de control.
Cómo funciona y funciona un relé electromagnético.
Diferencias entre relés electromagnéticos de CC y CA
máquina eléctrica rotativa — un dispositivo diseñado para convertir energía basado en la inducción electromagnética y la interacción de un campo magnético con una corriente eléctrica, que contiene al menos dos partes involucradas en el proceso de conversión principal y capaces de girar o girar una con respecto a la otra.
La parte de las máquinas eléctricas que incluye un circuito magnético estacionario con una bobina se llama estator y la parte giratoria se llama rotor.
Una máquina eléctrica diseñada para convertir energía mecánica en energía eléctrica se llama máquina generadora eléctrica. Una máquina eléctrica diseñada para convertir energía eléctrica en energía mecánica se llama motor eléctrico rotativo.
El principio de funcionamiento y el dispositivo de los motores eléctricos.
El principio de funcionamiento y el dispositivo de los generadores.
Los ejemplos anteriores del uso de materiales blandos para crear dispositivos electromagnéticos no son exhaustivos. Todos estos principios también se aplican al diseño de circuitos magnéticos y otros productos eléctricos que utilizan inductores, como dispositivos de conmutación eléctrica, cerraduras magnéticas, etc.