Thiết bị điện từ: mục đích, chủng loại, yêu cầu, thiết kế

Mục đích của thiết bị điện từ

Việc sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối hoặc tiêu thụ năng lượng điện được thực hiện bằng các thiết bị điện. Từ tất cả sự đa dạng của chúng, chúng tôi chọn ra các thiết bị điện từ, hoạt động dựa trên về hiện tượng cảm ứng điện từkèm theo sự xuất hiện của từ thông.

Các thiết bị điện từ tĩnh bao gồm cuộn cảm, bộ khuếch đại từ tính, máy biến áp, rơle, bộ khởi động, công tắc tơ và các thiết bị khác. Quay - động cơ điện và máy phát điện, ly hợp điện từ.

Một tập hợp các bộ phận sắt từ của các thiết bị điện từ được thiết kế để dẫn phần chính của từ thông, Được đặt tên hệ thống từ tính của một thiết bị điện từ… Một đơn vị cấu trúc đặc biệt của một hệ thống như vậy là mạch từ… Từ thông đi qua các mạch từ có thể bị giới hạn một phần trong môi trường không có từ tính, tạo thành các từ thông đi lạc.

Từ thông đi qua một mạch từ có thể được tạo ra bằng cách sử dụng dòng điện một chiều hoặc xoay chiều chạy trong một hoặc nhiều cuộn dây cảm ứng… Cuộn dây như vậy là một phần tử mạch điện được thiết kế để sử dụng điện cảm riêng và/hoặc từ trường riêng của nó.

Một hoặc nhiều cuộn dây được hình thành thanh toán… Phần của mạch từ trên đó hoặc xung quanh cuộn dây được đặt được gọi là cốt lõi, được gọi là phần trên đó hoặc xung quanh cuộn dây không được đặt cái ách.

Việc tính toán các thông số điện chính của thiết bị điện từ dựa trên quy luật tổng dòng điện và quy luật cảm ứng điện từ. Hiện tượng cảm ứng lẫn nhau được sử dụng để truyền năng lượng từ mạch điện này sang mạch điện khác.

Xem thêm chi tiết tại đây: Mạch từ của các thiết bị điện và đây: Tính mạch từ để làm gì?

Yêu cầu đối với mạch từ của thiết bị điện từ

Các yêu cầu đối với lõi từ phụ thuộc vào mục đích chức năng của thiết bị điện từ mà chúng được sử dụng.

Trong các thiết bị điện từ, có thể sử dụng cả từ thông không đổi và/hoặc xen kẽ. Từ thông vĩnh cửu không gây tổn thất năng lượng trong mạch từ.

Lõi từ hoạt động trong điều kiện tiếp xúc từ thông không đổi (ví dụ: giường cho máy DC) có thể được chế tạo từ phôi đúc với quá trình gia công tiếp theo. Với cấu hình mạch từ phức tạp, việc sản xuất chúng từ một số phần tử sẽ kinh tế hơn.

Việc đi qua các mạch từ của một từ thông xen kẽ đi kèm với tổn thất năng lượng, được gọi là tổn thất từ ​​tính… Chúng làm cho mạch từ nóng lên. Có thể giảm sự nóng lên của lõi từ bằng các biện pháp đặc biệt để làm mát chúng (ví dụ, làm việc trong dầu). Các giải pháp như vậy làm phức tạp thiết kế của họ, tăng chi phí sản xuất và vận hành của họ.

Tổn thất từ ​​bao gồm:

• mất độ trễ;

• tổn thất dòng điện xoáy;

• tổn thất bổ sung.

Tổn thất từ ​​trễ có thể được giảm bằng cách sử dụng các nam châm sắt từ mềm với hẹp trễ mạch.

Tổn hao dòng điện xoáy thường được giảm bởi:

• sử dụng vật liệu có độ dẫn điện cụ thể thấp hơn;

• việc sản xuất lõi từ tính từ các dải hoặc tấm cách điện.

Phân bố dòng điện xoáy trong các mạch từ khác nhau: a — trong vật đúc; b — trong một tập hợp các bộ phận làm bằng vật liệu tấm.

Phần giữa của mạch từ bị bao phủ bởi các dòng điện xoáy nhiều hơn so với bề mặt của nó, dẫn đến sự «chuyển vị» của từ thông chính về phía bề mặt của mạch từ, tức là xảy ra hiệu ứng bề mặt.

Điều này dẫn đến thực tế là ở một đặc tính tần số nhất định của vật liệu của mạch từ này, từ thông sẽ tập trung hoàn toàn vào một lớp bề mặt mỏng của mạch từ, độ dày của lớp này được xác định bởi độ sâu thâm nhập ở một tần số nhất định .

Sự hiện diện của dòng điện xoáy chạy trong lõi từ làm bằng vật liệu có điện trở thấp dẫn đến tổn thất tương ứng (tổn thất dòng điện xoáy).

Nhiệm vụ giảm tổn thất dòng điện xoáy và bảo toàn tối đa từ thông được giải quyết bằng cách chế tạo các mạch từ từ các bộ phận riêng lẻ (hoặc các bộ phận của chúng), được cách ly về điện với nhau. Trong trường hợp này, diện tích mặt cắt ngang của mạch từ không đổi.

Các tấm hoặc dải được dập từ vật liệu tấm và quấn trên lõi được sử dụng rộng rãi. Các phương pháp công nghệ khác nhau có thể được sử dụng để cách nhiệt bề mặt của các tấm (hoặc dải), trong đó việc sử dụng vecni hoặc men cách điện thường được áp dụng nhất.

Một mạch từ làm bằng các bộ phận riêng biệt (hoặc các bộ phận của chúng) cho phép:

• giảm tổn thất dòng điện xoáy do sự sắp xếp vuông góc của các tấm so với hướng lưu thông của chúng (trong trường hợp này, chiều dài của các mạch dọc theo đó dòng điện xoáy có thể lưu thông giảm);

• để có được sự phân bố từ thông không đồng đều không đáng kể, vì ở độ dày nhỏ của vật liệu tấm, tương xứng với độ sâu thâm nhập, hiệu ứng che chắn của dòng điện xoáy là nhỏ.

Các yêu cầu khác có thể được đặt ra đối với vật liệu của lõi từ: nhiệt độ và khả năng chống rung, chi phí thấp, v.v. Khi thiết kế một thiết bị cụ thể, vật liệu từ mềm có các tham số đáp ứng tốt nhất các yêu cầu đã chỉ định được chọn.

Thiết kế lõi từ

Tùy thuộc vào công nghệ sản xuất, lõi từ của các thiết bị điện từ có thể được chia thành 3 nhóm chính:

• phiến;

• băng;

• đúc.

Các mạch từ lamellar được tuyển dụng từ các tấm riêng biệt, cách điện với nhau, giúp giảm tổn thất dòng điện xoáy. Lõi từ của băng thu được bằng cách cuộn một băng có độ dày nhất định. Trong các mạch từ như vậy, ảnh hưởng của dòng điện xoáy giảm đáng kể do các mặt phẳng dải được phủ một lớp vecni cách điện.

Các lõi từ tính đã hình thành được sản xuất bằng cách đúc (thép điện), công nghệ gốm (ferit), trộn các thành phần, sau đó là ép (điện môi từ) và các phương pháp khác.

Trong quá trình sản xuất mạch từ của thiết bị điện từ, cần đảm bảo thiết kế cụ thể của nó, được xác định bởi nhiều yếu tố (công suất thiết bị, tần số hoạt động, v.v.), bao gồm cả sự hiện diện hay vắng mặt của chuyển đổi điện từ trực tiếp hoặc ngược lại. năng lượng thành cơ năng trong thiết bị.

Thiết kế của các thiết bị trong đó xảy ra sự biến đổi như vậy (động cơ điện, máy phát điện, rơle, v.v.) bao gồm các bộ phận chuyển động dưới tác động của tương tác điện từ.

Các thiết bị trong đó cảm ứng điện từ không gây ra sự chuyển đổi năng lượng điện từ thành năng lượng cơ học (máy biến áp, cuộn cảm, bộ khuếch đại từ tính, v.v.) được gọi là thiết bị điện từ tĩnh.

Trong các thiết bị điện từ tĩnh, tùy thuộc vào thiết kế, các mạch từ tính bọc thép, thanh và vòng thường được sử dụng nhất.

Các lõi từ đúc có thể có thiết kế phức tạp hơn các tấm và dải.

Các lõi từ được hình thành: a — tròn; b—d—bọc thép; d — cốc; f, g — phép quay; h - nhiều lỗ

Các lõi từ bọc thép được phân biệt bởi sự đơn giản trong thiết kế và kết quả là khả năng sản xuất. Ngoài ra, thiết kế này cung cấp khả năng bảo vệ cuộn dây tốt hơn (so với các loại khác) khỏi các tác động cơ học và nhiễu điện từ.

Các mạch từ lõi là khác nhau:

• giải nhiệt tốt;

• độ nhạy thấp đối với nhiễu (vì EMF của nhiễu gây ra ở các cuộn dây lân cận ngược dấu và được bù một phần hoặc hoàn toàn);

• trọng lượng ít hơn (so với áo giáp) với cùng sức mạnh;

• sự tiêu tán từ thông ít hơn (so với áo giáp).

Nhược điểm của các thiết bị dựa trên mạch từ dạng thanh (so với thiết bị dựa trên thiết bị bọc thép) bao gồm việc sản xuất cuộn dây tốn nhiều công sức (đặc biệt là khi chúng được đặt trên các thanh khác nhau) và khả năng bảo vệ yếu hơn khỏi các tác động cơ học.

Do dòng rò thấp, một mặt, các mạch từ vòng được phân biệt bằng cách cách ly tiếng ồn tốt, mặt khác, bằng một tác động nhỏ lên các phần tử gần đó của thiết bị điện tử (REE). Vì lý do này, chúng được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm kỹ thuật vô tuyến.

Nhược điểm của mạch từ tròn có liên quan đến công nghệ thấp (khó quấn cuộn dây và lắp đặt thiết bị điện từ tại nơi sử dụng) và công suất hạn chế - lên đến hàng trăm watt (điều này được giải thích là do mạch từ nóng lên, không có khả năng làm mát trực tiếp do các vòng quay của cuộn dây nằm trên nó).

Việc lựa chọn loại và loại mạch từ được thực hiện có tính đến khả năng thu được các giá trị nhỏ nhất về khối lượng, thể tích và giá thành của nó.

Các cấu trúc khá phức tạp có mạch từ của các thiết bị trong đó có sự chuyển đổi trực tiếp hoặc ngược lại năng lượng điện từ thành năng lượng cơ học (ví dụ: mạch từ của máy điện quay). Các thiết bị như vậy sử dụng mạch từ đúc hoặc tấm.

Các loại thiết bị điện từ

ga - một thiết bị được sử dụng làm điện trở cảm ứng trong các mạch điện xoay chiều hoặc dao động.

Các lõi từ tính có khe hở không từ tính được sử dụng trong các cuộn cảm AC dùng để lưu trữ năng lượng và trong các cuộn cảm làm trơn được thiết kế để làm phẳng gợn dòng điện đã chỉnh lưu. Đồng thời, có các cuộn cảm trong đó có thể điều chỉnh kích thước của khe hở không từ tính, cần thiết để thay đổi độ tự cảm của cuộn cảm trong quá trình hoạt động.

Thiết bị và nguyên lý hoạt động của van tiết lưu điện

khuếch đại từ tính - một thiết bị bao gồm một hoặc nhiều mạch từ có cuộn dây mà dòng điện hoặc điện áp có thể thay đổi cường độ trong mạch điện được cung cấp bởi điện áp xoay chiều hoặc nguồn dòng điện xoay chiều, dựa trên việc sử dụng hiện tượng bão hòa của sắt từ. dưới tác động của một trường thiên vị vĩnh viễn.

Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại từ tính dựa trên sự thay đổi độ thấm từ vi sai (được đo trên dòng điện xoay chiều) với sự thay đổi dòng điện phân cực trực tiếp, do đó bộ khuếch đại từ tính đơn giản nhất là cuộn cảm bão hòa chứa cuộn dây làm việc và bộ điều khiển. xôn xao.

máy biến áp được gọi là thiết bị điện từ tĩnh có hai (hoặc nhiều) cuộn dây ghép theo kiểu cảm ứng và được thiết kế để chuyển đổi bằng cảm ứng điện từ một hoặc nhiều hệ thống AC thành một hoặc nhiều hệ thống AC khác.

Công suất của máy biến áp được xác định bởi cảm ứng tối đa có thể có của vật liệu lõi từ tính và kích thước của nó. Do đó, lõi từ (thường là loại thanh) của máy biến áp công suất mạnh được lắp ráp từ các tấm thép điện có độ dày 0,35 hoặc 0,5 mm.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy biến áp

Rơle điện từ được gọi là rơle điện cơ, hoạt động của nó dựa trên tác dụng của từ trường của cuộn dây đứng yên lên phần tử sắt từ đang chuyển động.

Bất kỳ rơle điện từ nào cũng chứa hai mạch điện: mạch tín hiệu đầu vào (điều khiển) và mạch tín hiệu đầu ra (điều khiển). Theo nguyên lý thiết bị của mạch điều khiển, rơle không phân cực và phân cực được phân biệt. Hoạt động của rơle không phân cực, không giống như rơle phân cực, không phụ thuộc vào chiều dòng điện trong mạch điều khiển.

Rơle điện từ hoạt động và hoạt động như thế nào

Sự khác biệt giữa rơle điện từ DC và AC

Máy điện quay — một thiết bị được thiết kế để chuyển đổi năng lượng dựa trên cảm ứng điện từ và tương tác của từ trường với dòng điện, chứa ít nhất hai phần tham gia vào quá trình chuyển đổi chính và có khả năng quay hoặc quay tương đối với nhau.

Bộ phận của máy điện bao gồm mạch từ trường cố định với cuộn dây được gọi là stato và bộ phận quay được gọi là rôto.

Máy điện được thiết kế để biến đổi cơ năng thành điện năng được gọi là máy phát điện. Một máy điện được thiết kế để chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học được gọi là động cơ điện quay.

Nguyên lý hoạt động và thiết bị của động cơ điện

Nguyên lý hoạt động và thiết bị của máy phát điện

Các ví dụ trên về việc sử dụng vật liệu mềm để tạo ra các thiết bị điện từ là không đầy đủ. Tất cả những nguyên tắc này cũng áp dụng cho việc thiết kế mạch từ và các sản phẩm điện khác sử dụng cuộn cảm, chẳng hạn như thiết bị chuyển mạch điện, khóa từ, v.v.