Dispositivos eletromagnéticos: finalidade, tipos, requisitos, design

Finalidade dos dispositivos eletromagnéticos

A produção, transformação, transmissão, distribuição ou consumo de energia elétrica é realizada por meio de dispositivos elétricos. De toda a sua variedade, destacamos os dispositivos eletromagnéticos, cujo trabalho é baseado sobre o fenômeno da indução eletromagnéticaacompanhado pelo aparecimento de fluxos magnéticos.

Dispositivos eletromagnéticos estáticos incluem bobinas, amplificadores magnéticos, transformadores, relés, starters, contatores e outros dispositivos. Rotação — motores e geradores elétricos, embreagens eletromagnéticas.

Um conjunto de partes ferromagnéticas de dispositivos eletromagnéticos projetados para conduzir a parte principal do fluxo magnético, denominado sistema magnético de um dispositivo eletromagnético… Uma unidade estrutural especial de tal sistema é circuito magnético… Fluxos magnéticos que passam por circuitos magnéticos podem ser parcialmente confinados em um meio não magnético, formando fluxos magnéticos dispersos.

Os fluxos magnéticos que passam por um circuito magnético podem ser criados usando correntes elétricas contínuas ou alternadas fluindo em um ou mais bobinas indutivas… Essa bobina é um elemento de circuito elétrico projetado para usar sua própria indutância e/ou seu próprio campo magnético.

Uma ou mais bobinas são formadas liquidação… A parte do circuito magnético na qual ou ao redor da qual a bobina está localizada é chamada essencial, é chamada de parte na qual ou ao redor da qual a bobina não está localizada jugo.

O cálculo dos principais parâmetros elétricos dos dispositivos eletromagnéticos é baseado na lei da corrente total e na lei da indução eletromagnética. O fenômeno da indução mútua é usado para transferir energia de um circuito elétrico para outro.

Veja mais detalhes aqui: Circuitos magnéticos de dispositivos elétricos e aqui: Para que serve o cálculo do circuito magnético?

Requisitos para circuitos magnéticos de dispositivos eletromagnéticos

Os requisitos para núcleos magnéticos dependem da finalidade funcional dos dispositivos eletromagnéticos nos quais eles são usados.

Em dispositivos eletromagnéticos, podem ser usados ​​fluxos magnéticos constantes e/ou alternados. O fluxo magnético permanente não causa perdas de energia em circuitos magnéticos.

Núcleos magnéticos operando sob condições de exposição fluxo magnético constante (por exemplo, bases para máquinas DC) podem ser feitas a partir de blanks fundidos com usinagem subseqüente. Com uma configuração complexa de circuitos magnéticos, é mais econômico fabricá-los a partir de vários elementos.

A passagem pelos circuitos magnéticos de um fluxo magnético alternado é acompanhada de perdas de energia, que são denominadas perdas magnéticas… Eles causam o aquecimento dos circuitos magnéticos. É possível reduzir o aquecimento dos núcleos magnéticos por meio de medidas especiais para seu resfriamento (por exemplo, trabalhando em óleo). Tais soluções complicam seu projeto, aumentam os custos de produção e operação.

As perdas magnéticas consistem em:

• perda de histerese;

• perdas por correntes parasitas;

• perdas adicionais.

As perdas por histerese podem ser reduzidas usando ferromagnetos de ímã macio com um estreito circuito de histerese.

As perdas por correntes parasitas geralmente são reduzidas por:

• uso de materiais com menor condutividade elétrica específica;

• a produção de núcleos magnéticos a partir de tiras ou placas eletricamente isoladas.

Distribuição das correntes parasitas em diferentes circuitos magnéticos: a — na fundição; b — em um conjunto de peças feitas de materiais laminados.

A parte intermediária do circuito magnético é mais coberta por correntes parasitas em comparação com sua superfície, o que leva a um «deslocamento» do fluxo magnético principal em direção à superfície do circuito magnético, ou seja, ocorre um efeito de superfície.

Isso leva ao fato de que em uma determinada frequência característica do material deste circuito magnético, o fluxo magnético será completamente concentrado em uma fina camada superficial do circuito magnético, cuja espessura é determinada pela profundidade de penetração em uma determinada frequência .

A presença de correntes parasitas fluindo em um núcleo magnético feito de um material com baixa resistência elétrica leva a perdas correspondentes (perdas por correntes parasitas).

A tarefa de reduzir as perdas por correntes parasitas e preservar ao máximo o fluxo magnético é resolvida pela fabricação de circuitos magnéticos de partes individuais (ou de suas partes), que são isoladas eletricamente umas das outras. Nesse caso, a área da seção transversal do circuito magnético permanece inalterada.

Placas ou tiras estampadas de materiais de folha e enroladas em um núcleo são amplamente utilizadas. Diferentes métodos tecnológicos podem ser usados ​​para isolar as superfícies de placas (ou tiras), das quais a aplicação de vernizes ou esmaltes isolantes é mais frequentemente aplicada.

Um circuito magnético feito de partes separadas (ou suas partes) permite:

• redução das perdas por correntes parasitas devido ao arranjo perpendicular das placas em relação à direção de sua circulação (neste caso, o comprimento dos circuitos ao longo dos quais as correntes parasitas podem circular diminui);

• para obter uma distribuição não uniforme desprezível do fluxo magnético, uma vez que em uma pequena espessura do material da folha, compatível com a profundidade de penetração, o efeito de blindagem das correntes parasitas é pequeno.

Outros requisitos podem ser impostos aos materiais dos núcleos magnéticos: resistência à temperatura e vibração, baixo custo, etc. Ao projetar um dispositivo específico, o material magnético macio cujos parâmetros atendem melhor aos requisitos especificados é selecionado.

Projeto de núcleos magnéticos

Dependendo da tecnologia de produção, os núcleos magnéticos dos dispositivos eletromagnéticos podem ser divididos em 3 grupos principais:

• lamelar;

• fita;

• moldado.

Os circuitos magnéticos lamelares são recrutados a partir de placas separadas eletricamente isoladas umas das outras, o que torna possível reduzir as perdas por correntes parasitas. Os núcleos magnéticos da fita são obtidos enrolando uma fita de uma certa espessura. Em tais circuitos magnéticos, o efeito das correntes parasitas é significativamente reduzido, uma vez que os planos da tira são cobertos com um verniz isolante.

Os núcleos magnéticos formados são produzidos por fundição (aço elétrico), tecnologia cerâmica (ferritas), mistura de componentes seguida de prensagem (magneto-dielétricos) e outros métodos.

Na fabricação do circuito magnético de um dispositivo eletromagnético, é necessário garantir seu projeto específico, que é determinado por muitos fatores (potência do dispositivo, frequência operacional etc.), incluindo a presença ou ausência de conversão direta ou reversa de eletromagnéticos energia em energia mecânica no dispositivo.

Os projetos de dispositivos nos quais ocorre tal transformação (motores elétricos, geradores, relés, etc.) incluem peças que se movem sob a influência da interação eletromagnética.

Dispositivos nos quais a indução eletromagnética não causa a conversão de energia eletromagnética em energia mecânica (transformadores, bobinas, amplificadores magnéticos, etc.) são chamados de dispositivos eletromagnéticos estáticos.

Em dispositivos eletromagnéticos estáticos, dependendo do projeto, os circuitos magnéticos blindados, de haste e anel são os mais usados.

Núcleos magnéticos moldados podem ter um design mais complexo do que folhas e tiras.

Núcleos magnéticos formados: a — redondos; b — d — blindado; d — xícara; f, g — rotação; h — muitas aberturas

Núcleos magnéticos blindados se distinguem por sua simplicidade de design e, como resultado, capacidade de fabricação. Além disso, este projeto oferece melhor (em comparação com outros) proteção da bobina contra influências mecânicas e interferência eletromagnética.

Os circuitos magnéticos do núcleo são diferentes:

• boa refrigeração;

• baixa sensibilidade a distúrbios (uma vez que o EMF de distúrbios induzidos em bobinas vizinhas é oposto em sinal e é parcial ou totalmente compensado);

• menos (em relação à armadura) peso com o mesmo poder;

• menos (em relação à blindagem) dissipação do fluxo magnético.

As desvantagens dos dispositivos baseados em circuitos magnéticos de haste (em relação aos dispositivos baseados em blindados) incluem a complexidade da fabricação de bobinas (especialmente quando são colocadas em hastes diferentes) e sua proteção mais fraca contra influências mecânicas.

Devido às baixas correntes de fuga, os circuitos magnéticos de anel se distinguem, por um lado, pelo bom isolamento de ruído e, por outro lado, por um pequeno efeito nos elementos próximos do equipamento eletrônico (REE). Por esta razão, eles são amplamente utilizados em produtos de engenharia de rádio.

As desvantagens dos circuitos magnéticos circulares estão associadas à sua baixa tecnologia (dificuldades em enrolar as bobinas e instalar dispositivos eletromagnéticos no local de uso) e potência limitada - até centenas de watts (esta última é explicada pelo aquecimento do circuito magnético, que não tem resfriamento direto devido ao localizado nas espiras da bobina).

A escolha do tipo e tipo de circuito magnético é feita levando em consideração a possibilidade de obter os menores valores de sua massa, volume e custo.

Estruturas suficientemente complexas possuem circuitos magnéticos de dispositivos nos quais há uma conversão direta ou reversa de energia eletromagnética em energia mecânica (por exemplo, circuitos magnéticos de máquinas elétricas rotativas). Tais dispositivos usam circuitos magnéticos moldados ou de placas.

Tipos de dispositivos eletromagnéticos

Acelerador — um dispositivo usado como resistência indutiva em circuitos de corrente alternada ou pulsante.

Núcleos magnéticos com uma folga não magnética são usados ​​em indutores de CA que são usados ​​para armazenamento de energia e em indutores de suavização projetados para atenuar a ondulação de corrente retificada. Ao mesmo tempo, existem bobinas nas quais o tamanho do gap não magnético pode ser ajustado, o que é necessário para alterar a indutância da bobina durante sua operação.

O dispositivo e o princípio de operação do acelerador elétrico

amplificador magnético — um dispositivo constituído por um ou mais circuitos magnéticos com bobinas por meio do qual a corrente ou a tensão podem ser alteradas em magnitude em um circuito elétrico alimentado por uma fonte de tensão ou corrente alternada, com base no uso do fenômeno de saturação do ferroímã sob a ação de um campo de viés permanente.

O princípio de operação do amplificador magnético é baseado em uma mudança na permeabilidade magnética diferencial (medida em uma corrente alternada) com uma mudança na corrente de polarização direta, portanto, o amplificador magnético mais simples é um indutor saturado contendo uma bobina de trabalho e um controle bobina.

Transformador é chamado de dispositivo eletromagnético estático que possui duas (ou mais) bobinas indutivamente acopladas e é projetado para converter por indução eletromagnética um ou mais sistemas CA em um ou mais outros sistemas CA.

A potência do transformador é determinada pela indução máxima possível do material do núcleo magnético e suas dimensões. Portanto, os núcleos magnéticos (geralmente do tipo haste) de poderosos transformadores de potência são montados a partir de chapas de aço elétrico com espessura de 0,35 ou 0,5 mm.

O dispositivo e o princípio de operação do transformador

Relé eletromagnético é chamado de relé eletromecânico, cuja operação é baseada no efeito de um campo magnético de uma bobina estacionária em um elemento ferromagnético em movimento.

Qualquer relé eletromagnético contém dois circuitos elétricos: um circuito de sinal de entrada (controle) e um circuito de sinal de saída (controlado). De acordo com o princípio do dispositivo do circuito controlado, os relés não polarizados e polarizados são diferenciados. A operação de relés não polarizados, ao contrário dos relés polarizados, não depende da direção da corrente no circuito de controle.

Como um relé eletromagnético funciona e funciona

Diferenças entre relés eletromagnéticos DC e AC

máquina elétrica rotativa — um dispositivo projetado para converter energia com base na indução eletromagnética e na interação de um campo magnético com uma corrente elétrica, contendo pelo menos duas partes envolvidas no processo principal de conversão e capazes de girar ou girar uma em relação à outra.

A parte das máquinas elétricas que inclui um circuito magnético estacionário com uma bobina é chamada de estator, e a parte rotativa é chamada de rotor.

Uma máquina elétrica projetada para converter energia mecânica em energia elétrica é chamada de gerador de máquina elétrica. Uma máquina elétrica projetada para converter energia elétrica em energia mecânica é chamada de motor elétrico rotativo.

O princípio de operação e o dispositivo de motores elétricos

O princípio de operação e o dispositivo de geradores

Os exemplos acima de uso de materiais macios para criar dispositivos eletromagnéticos não são exaustivos. Todos esses princípios também se aplicam ao projeto de circuitos magnéticos e outros produtos elétricos que utilizam indutores, como dispositivos de comutação elétrica, fechaduras magnéticas, etc.