Электромагнит – это магнит, который работает (создаёт магнитное поле) только при протекании через катушку электрического тока. Чтобы сделать мощный электромагнит, нужно взять магнитопровод и обмотать его медной проволокой и просто пропустить ток по этой проволоке. Магнитопровод начнет намагничиваться катушкой и начнет притягивать железные предметы. Хотите мощный магнит – поднимайте напряжение и ток, экспериментируйте. А чтобы не мучится и не собирать магнит самому, можно просто достать катушку с магнитного пускателя (они бывают разные, на 220В/380В). Достаете эту катушку и внутрь вставляем кусок любой железяки (например, обычный толстый гвоздь) и включаем в сеть. Вот это будет по-настоящему не плохой магнит. А если у вас нет возможности достать катушку с магнитного пускателя, то сейчас рассмотрим, как сделать электромагнит самому.

Для сборки электромагнита вам понадобятся проволока, источник постоянного тока и сердечник. Теперь берем наш сердечник и мотаем медную проволоку на него (лучше виток витку, а не в навал – увеличится коэффициент полезного действия). Если хотим сделать мощный электро магнит, то мотаем в несколько слоев, т.е. когда намотали первый слой, переходим во второй слой, а потом мотаем третий слой. При намотке учитывайте, что то, что вы намотаете, эта катушка имеет реактивное сопротивление, и при протекании через эту катушку будет проходить меньший ток при большом реактивном сопротивлении. Но тоже учитывайте, нам нужен и важен ток, потому, что мы будем током намагничивать сердечник, который служит в качестве электро магнита. Но большой ток сильно будет нагревать катушку, по которой протекает ток, так что соотнесите эти три понятия: сопротивление катушки, ток и температура.

При намотке провода выберите оптимальную толщину медной проволоки (где-то 0,5 мм). А можете и поэкспериментировать, учитывая, что чем меньше сечение проволоки, тем больше будет реактивное сопротивление и соответственно ток протекать будет меньший. Но если вы будите мотать толстым проводом (примерно 1мм), было бы не плохо, т.к. чем толще проводник, тем сильнее магнитное поле вокруг проводника и плюс ко всему будет протекать больший ток, т.к. реактивное сопротивление будет меньше. Так же ток будет зависеть и от частоты напряжения (если от переменного тока). Так же стоит сказать пару слов о слоях: чем больше слоев, тем больше магнитное поле катушки и тем сильнее будет намагничивать сердечник, т.к. при наложении слоев магнитные поля складываются.

Хорошо, катушку намотали, и сердечник внутрь вставили, теперь можно приступить к подаче напряжения на катушку. Подаем напряжение и начинаем увеличивать его (если у вас блок питания с регулировкой напряжения, то плавно поднимайте напряжение). Следим при этом чтобы наша катушка не грелась. Подбираем напряжение такое, чтобы при работе катушка была слегка теплой или просто теплой – это будет номинальный режим работы, а так же можно будет узнать номинальный ток и напряжение, замерив на катушке и узнать потребляемую мощность электромагнита, перемножив ток и напряжение.

Если вы собираетесь включать от розетки 220 вольт электромагнит, то вначале обязательно измерьте сопротивление катушки. При протекании через катушку тока в 1 Ампер сопротивление катушки должно быть 220 ом. Если 2 Ампера, то 110 Ом. Вот как считаем ТОК=напряжение/сопротивление= 220/110= 2 А.

Все, включили устройство. Попробуйте поднести гвоздик или скрепку – она должна притянуться. Если плохо притягивается или очень плохо держится, то домотайте слоев пять медной проволки: магнитное поле увеличится и сопротивление увеличится, а если сопротивление увеличится, то номинальные данные электро магнита изменятся и нужно будет перенастроить его.

Если хотите увеличить мощность магнита, то возьмите подковообразный сердечник и намотайте провод на две стороны, таким образом получится манит-подкова состоящий из сердечника и 2-ух катушек. Магнитные поля двух катушек сложатся, а значит, магнит в 2 раза будет работать мощнее. Большую роль играет диаметр и состав сердечника. При малом сечении получится слабый электромагнит, хоть если мы и подадим высокое напряжение, а вот если увеличим сечение сердечка, то у нас выйдет не плохой электромагнит. Да если еще сердечник будет из сплава железа и кобальта (этот сплав характеризуется хорошей магнитной проводимостью), то проводимость увеличится и за счет этого сердечник будет лучше намагничиваться полем катушки.

Хорошие постоянные магниты находят себе важные научные и технические применения, например в электроизмерительных приборах. Но создаваемые ими поля не очень сильны, хотя в последнее время и изготовляют специальные сплавы, которые позволяют получать сильные постоянные магниты, хорошо сохраняющие свои магнитные свойства. К числу таких сплавов относится, например, кобальтовая сталь, содержащая около 50% железа, около 30% кобальта, а также некоторое количество вольфрама, хрома и углерода. Кроме того, большим неудобством постоянных магнитов является невозможность быстро изменять магнитную индукцию их поля. В этом отношении гораздо удобнее применение соленоидов с током (электромагнитов), поле которых можно легко изменять, изменяя силу тока в обмотке соленоида. Поле соленоида можно увеличить в сотни и тысячи раз, помещая внутрь него железный сердечник. Именно так и устроено большинство электромагнитов, применяемых в технике.

Простейший электромагнит каждый легко может приготовить себе сам. Достаточно намотать на какой-нибудь железный стержень – болт или кусок железного прута – несколько десятков витков изолированной проволоки и присоединить концы этой обмотки к источнику постоянного тока: аккумулятору или гальванической батарее (рис. 366). Нередко электромагниту придают подковообразную форму (рис. 367), более выгодную для удержания груза.

Рис. 366. Простейший самодельный электромагнит в виде стержня

Рис. 367. Самодельный подковообразный магнит

Поле катушки с железным сердечником значительно сильнее, чем поле катушки без сердечника, потому что железо внутри катушки сильно намагничивается и поле его складывается с полем катушки. Однако применение железных сердечников в электромагнитах для усиления поля может оказаться полезным только до известного предела. Действительно, поле электромагнита складывается из поля, создаваемого обмоткой с током, и поля намагниченного сердечника, причем при небольших токах это последнее значительно сильнее, чем первое. При увеличении тока в обмотке оба эти поля возрастают сначала в одинаковой степени, а именно пропорционально току, так что роль сердечника продолжает оставаться решающей. Однако при дальнейшем увеличении тока в обмотке намагничивание железа начинает замедляться и железо приближается к состоянию магнитного насыщения. Когда практически все молекулярные токи ориентированы параллельно, дальнейшее увеличение тока обмотки уже ничего не может добавить к намагничиванию железа, тогда как поле обмотки продолжает расти пропорционально току. При большом токе в обмотке (точнее, когда число ампер-витков на метр достигает значений порядка ) поле, создаваемое самой обмоткой, оказывается гораздо сильнее поля насыщенного железного сердечника, так что сердечник становится практически бесполезным и лишь усложняет конструкцию электромагнита. Поэтому самые мощные электромагниты делают без железного сердечника.

Нетрудно видеть, что создание весьма мощных электромагнитов представляет собой очень сложную техническую задачу. Действительно, чтобы иметь возможность применить большие токи, надо иметь обмотку из толстой проволоки, иначе она сильно разогреется и может даже расплавиться. Иногда вместо проволоки применяют медные трубки, в которых циркулирует сильная струя воды для интенсивного охлаждения стенок трубок, по которым течет электрический ток. Но при обмотке из толстой проволоки или трубки нельзя уложить много витков на единице длины. Применение же сравнительно тонкой проволоки, обеспечивающей значительное число витков на метр, не дает возможности применять большие токи.

Очень остроумный выход из этого положения нашел советский физик Петр Леонидович Капица (1894-1984). Он пропускал через соленоид токи огромной силы – десятки тысяч ампер, – но только в течение короткого времени, примерно 0,01 с. За это время обмотка соленоида не успевала чрезмерно нагреться и получались сильные, хотя и кратковременные магнитные поля. Однако специальные приборы успевали регистрировать результаты опытов, в которых изучалось влияние создаваемых в соленоиде мощных магнитных полей на различные вещества.

В большинстве технических электромагнитов применяются обмотки, у которых число ампер-витков на метр не превышает нескольких десятков тысяч, так что для их питания можно ограничиться током в несколько ампер и проволокой умеренной толщины. При наличии железного сердечника в таких электромагнитах могут быть получены довольно сильные магнитные поля (с индукцией несколько тесла).

В результате расчета магнитной цепи определяется необходимая МДС обмотки. Обмотка должна быть рассчитана таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить требуемую МДС, а с другой - чтобы ее максимальная температура не превышала допустимой для используемого класса изоляции.

В зависимости от способа включения различают обмотки напряжения и обмотки тока. В первом случае напряжение, приложенное к обмотке, постоянно по своему действующему значению, во втором — сопротивление обмотки электромагнита намного меньше сопротивления остальной части цепи, которым и определяется неизменное значение тока.

Расчет обмотки электромагнита постоянного тока .

На рис. 4.8 показаны магнитопровод и катушка электромагнита. Обмотка 1 катушки выполняется изолированным проводом, который наматывается на каркас 2.

Катушки могут быть и бескаркасными. В этом случае витки обмотки скрепляются ленточной или листовой изоляцией либо заливочным компаундом.

Для расчета обмотки напряжения должны быть заданы напряжение и МДС. Сечение обмоточного провода находим, исходя из потребной МДС:

, (4.13)

откуда , (4.14)

где — удельное сопротивление; — средняя длина витка (рис. 4.8); — сопротивление обмотки, равное .

Из (4.13) следует, что при неизменной средней длине витка и заданном МДС определяется произведением .

Если при неизменном напряжении и средней длине витка требуется увеличить МДС, то необходимо взять провод большего сечения. При этом обмотка будет иметь меньшее число витков. Ток в обмотке возрастет, так как сопротивление ее уменьшится за счет уменьшения числа витков и увеличения сечения провода.

По найденному сечению с помощью таблиц сортаментов находится ближайший стандартный диаметр провода.

Мощность, выделяющаяся в обмотке в виде тепла, определяется следующим образом: .

Число витков обмотки при заданном сечении катушки определяется коэффициентом заполнения по меди , где – площадь, занимаемая медью обмотки; – сечение обмотки по меди. Число витков . Тогда мощность, потребляемая обмоткой, определится выражением

Для расчета обмотки тока исходными параметрами являются МДС и ток цепи . Число витков обмотки находится из выражения . Сечение провода можно выбрать исходя из рекомендуемой плотности тока, равной 2…4 А/мм 2 для продолжительного, 5…12 А/мм 2 для повторно-кратковременного, 13…30 А/мм 2 для кратковременного режимов работы. Эти значения можно увеличить примерно в 2 раза, если срок службы обмотки и электромагнита не превышает 500 ч. Площадь окна, занимаемого рядовой обмоткой, определяется числом витков и диаметром провода

Зная , можно определить среднюю длину витка, сопротивление обмотки и потери в ней. После этого может быть проведена оценка нагрева обмотки.

Расчет обмотки электромагнитов переменного тока .

Исходными данными для расчета обмотки напряжения являются амплитуды МДС, магнитного потока и напряжение сети. Напряжение сети уравновешивается активным и реактивным падениями напряжения

где и – действующие значения напряжения и тока, соответственно.

Поскольку ток и сопротивление могут быть рассчитаны только после определения числа витков, то формула (4.15) не позволяет сразу найти все параметры обмотки. Задача решается методом последовательных приближений.

Так как активное падение напряжения значительно меньше реактивного, то в начале расчета принимают .

Тогда число витков обмотки .

Если после подстановки полученных данных в (4.15) левая часть отличается от правой более чем на 10 %, то необходимо варьировать число витков до получения удовлетворительного совпадения.

После расчета проводится проверка обмотки на нагрев. Расчет ведется так же, как и для обмоток постоянного тока.

Особенностью является нагрев магнитопровода за счет потерь от вихревых токов и гистерезиса. Отвод выделяемого в обмотке тепла через сердечник затруднен, точка с максимальной температурой лежит на внутреннем радиусе обмотки. Для улучшения охлаждения стремятся увеличивать поверхность торцов катушки при уменьшении ее длины.

Электромагниты в технических устройствах применяются для подъема грузов, переключения контактов реле магнитных пускателей, вентилей гидравлических систем, растормаживания механических тормозов и т. д.

На рис. 1.18 представлена схема магнитной цепи электромагнита.

Подвижная часть (якорь – 2, рис. 1.18) магнитопровода электромагнита отделена от его неподвижной части 1 рис. 1.18 воздушным зазором. При подключении намагничивающей обмотки к источнику электрической энергии возбуждается магнитное поле, возникает электромагнитная сила, действующая на якорь, и он, преодолевая силу тяжести, действие пружин и т. п., притягивается к неподвижной части магнитопровода.

Расчет силы притяжения электромагнита часто проводится приближенно, исходя из следующих соображений: 1. Ток I в обмотке имеет установившееся значение.

2. Сердечник 1 и якорь 2 не насыщены.

3. Потоком рассеяния Ф р и выпучиванием магнитного поля в зазорах пренебрегают.

4. При изменении воздушного зазора на dl 0 магнитная индукция В 0 остается постоянной.

В таком случае можно считать, что механическая работа по перемещению якоря в направлении действия сил F на расстояние dl 0 равна изменению энергии магнитного поля в воздушных зазорах, вследствие уменьшения их объемов.

С учетом двух воздушных зазоров имеем:

механическая работа

энергия магнитного поля в двух зазорах длиной dl 0 , где
– плотность электромагнитной энергии (энергия в единице объема зазора), S 0 – площадь одного воздушного зазора. Приравняв dW мех и dW эм , получим расчетную формулу силы притягивания электромагнита

1.16.

6.5.Об индуктивности намагничивающей обмотки.

Если катушка не имеет ферромагнитного сердечника, то зависимость потокосцепления y от тока катушки I линейная и индуктивность катушки
. Здесь индуктивность, как коэффициент пропорциональности между потокосцеплением и током катушки, является линейным параметром катушки. То же замечание относится и к намагничивающим обмоткам с ненасыщенным магнитопроводом (
).

Если поток Ф сцепляется со всеми w витками катушки (обмотки), то потокосцепление
, где
, тогда индуктивность

1.17

Здесь
– магнитное сопротивление на пути магнитного потока.

Абсолютная магнитная проницаемость ненасыщенных ферромагнитных материалов m а >> m 0 – магнитной проницаемости вакуума (4 p× 10 -7 Гн/м) . Поэтому размещение намагничивающей обмотки на ферромагнитном магнитопроводе резко увеличивает индуктивность катушки.

Физически последнее утверждение объясняется способностью ферромагнетиков усиливать внешнее магнитное поле, созданное током обмотки, за счет ориентации по направлению поля собственных областей самопроизвольного намагничивания. Эта ориентация выражена тем четче, чем больше ток обмотки. Когда все области самопроизвольного намагничивания ориентируются в направлении внешнего поля, наступает магнитное насыщение магнитопровода, его магнитная проницаемость и индуктивность обмотки резко снижаются, магнитопровод перестает выполнять функцию локализации магнитного поля.

В общем случае, когда приходится считаться с тем что
, используется понятие дифференциальной индуктивности
(индуктивность L становится нелинейным параметром обмотки).

Индуктивность, как элемент схемы замещения реальной электрической цепи, дает возможность учитывать при расчетах явление самоидукции (при переменных токах катушки) и явление накопления энергии в магнитном поле катушки.

Расчет электромагнита постоянного тока

Электромагниты нашли в аппаратостроении широкое применение и как элемент привода аппаратов (контакторы, пускатели, реле, автоматы, выключатели), и как устройство, создающее силы, например, в муфтах и тормозах.

При заданном потоке падение магнитного потенциала уменьшается с уменьшением магнитного сопротивления. Так как сопротивление обратно пропорционально магнитной проницаемости материала, при данном потоке магнитная проницаемость должна быть возможно выше. Это позволяет уменьшить м.д.с. обмотки и мощность, необходимую для срабатывания электромагнита; уменьшаются размеры обмоточного окна и всего электромагнита. Уменьшение м.д.с. при прочих неизменных параметрах уменьшает температуру обмотки.

Вторым важным параметром материала является индукция насыщения. Сила, развиваемая электромагнитом, пропорциональна квадрату индукции. Поэтому чем больше допустимая индукция, тем больше развиваемая сила при тех же размерах.

После того, как обмотка электромагнита обесточивается, в системе существует остаточный поток, который определяется коэрцитивной силой материала и проводимостью рабочего зазора. Остаточный поток может привести к залипанию якоря. Во избежание этого явления требуется, чтобы материал обладал низкой коэрцитивной силой.

Существенными требованиями являются низкая стоимость материала и его технологичность.

Наряду с указанными свойствами магнитные характеристики материалов должны быть стабильны (не изменяться от температуры, времени, механических ударов).

В результате расчета магнитной цепи определяется необходимая магнито-движущая сила (МДС) обмотки. Обмотка должна быть рассчитана таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить требуемую МДС, а с другой – чтобы ее максимальная температура не превышала допустимой для используемого класса изоляции.

В зависимости от способа включения различают обмотки напряжения и обмотки тока. В первом случае напряжение, приложенное к обмотке, постоянно по своему действующему значению, во втором - сопротивление обмотки электромагнита намного меньше сопротивления остальной части цепи, которым и определяется неизменное значение тока.

Расчет обмотки электромагнита постоянного тока .

На рисунке 72 показаны магнитопровод и катушка электромагнита. Обмотка 1 катушки выполняется изолированным проводом, который наматывается на каркас 2.

Для расчета обмотки напряжения должны быть заданы напряжение U и МДС. Сечение обмоточного провода q находим, исходя из потребной МДС: