Utilizarea Electromagnetilor

Un electromagnet este un tip de magnet al cărui câmp magnetic este produs de un curent electric. Câmpul magnetic dispare când alimentarea este întreruptă. Electromagneții sunt constituiți dintr-un număr mare de spire care creează câmpul magnetic. Spirele sunt înfășurate în jurul unui miez magnetic construit dintr-un material ferimagnetic sau feromagnetic ca de exemplu fierul; miezul magnetic are rolul de a concentra fluxul magnetic astfel făcând magnetul să fie mai puternic, având dimensiuni mai mici.

Clasificarea electromagneților:

a) După tipul constructiv în:

– electromagneți de tip plonjor, la care armătura mobilă execută o mișcare de translație în axa bobinei de excitație;

– electromagneți la care armătura mobilă execută o mișcare de translație;

– electromagneți la care armătura mobilă execută o mișcare de rotație.

La aceste construcții armătura fixă poate avea formă de I, U sau E.

b) După felul curentului de excitație:

– electromagneți de curent continuu;

– electromagneți de curent alternativ monofazați;

– electromagneți de curent alternativ trifazați.

c) După modul de lucru:

– electromagneți de acționare;

– electromagneți elevatori.

d) După tipul de acționare:

– electromagneți cu acționare rapidă (3-4 ms);

– electromagneți cu acționare normală;

– electromagneți cu acționare întârziată (t>0.3 s).

Excitația electromagneților de curent continuu se realizează sub curent constant indiferent de poziția armăturii, abstracție făcând de fenomenele dinamice care apar la deplasarea rapidă a armăturii. Intensitatea curentului este determinată de tensiunea de alimentare si rezistența înfășurării de excitație.

Fig. 1.1 Principiul Inducției Electromagnetice

http://www.northeastern.edu/sunlab/mom/electromagnets.html

Marele avantaj al unui electromagnet asupra unui magnet permanent este câmpul magnetic care poate fi modificat rapid prin modificarea curentului din înfășurări. Dar totuși, spre deosebire de un magnet permanent care nu are nevoie de alimentare, un electromagnet are nevoie de energie electrică in mod continuu pentru a putea menține un câmp magnetic.

Electromagneții sunt folosiți în foarte multe aplicații ca și părți componente ale unui dispozitiv electric, dispozitiv precum motoare, generatoare, relee, difuzoare, hard disk-uri, mașini IRM, instrumente științifice și echipamente de separare magnetică. Electromagneții mai sunt folosiți în industrie și ca dispozitive de ridicat și manipulat obiecte grele din metal.

Sunt mai multe moduri în care electromagneții sunt folosiți. Probabil principala lor utilitate este ca și parte componentă a mașinilor electrice. Aceste mașini funcționează pe principiul științific numit “inducție electromagnetică”, fenomen descoperit de Michael Faraday. Electromagneții sunt deasemenea folosiți în cadrul releelor. Ei sunt folosiți pentru a controla contactele unui releu. Prin intermediul releelor funcționau primele computere construite. Releele sunt folosite și astăzi ca o alternativa a automatelor programabile în cadrul sistemelor electrice și electronice de acționare.

Inducția electromagnetică se manifestă prin producerea unei forțe electromotoare de-a lungul unui conductor când acesta este supus unui câmp magnetic variabil.

Legea inducției electromagnetice este exprimata in două forme, una globală și una locală.

Forma globală:

(tensiunea electromotoare de inducție) [1.1]

(fluxul magnetic prin suprafața ) [1.2]

[1.3]

Forma locală

[1.4]

Postulatele regimului static

Regimul static de funcționare al unui electromagnet este regimul în care sistemul se regăsește în stare de echilibru, adică variabilele au valori staționare sau cvasistaționare în timp.

1. “Starea staționară de echilibru este complet și univoc determinată de variabilele extensive (fluxuri)”.

Spre exemplu, fluxul înfășurării de excitație al electromagnetului determină o anumită stare energetică, caracterizată prin valorile inducției magnetice și intensității câmpului magnetic.

2. ”În absența legăturilor impuse variabilelor extensive, acestea iau o astfel de valoare încât energia sistemului să fie minima”.

Spre exemplu, funcționarea unui electromagnet se bazează pe principiul reluctanței minime, forța de atracție dezvoltată fiind un rezultat al principiului menținerii unei energii magnetice minime.

3. “Funcția de stare a energiei este o funcție continuă, monotonă și care permite diferențiale în raport cu variabilele extensive.”

Consecință a acestui postulat arată că pentru un electromagnet, derivatele energiei în raport cu variabilele extensive reprezintă chiar variabilele intensive, (curentul electric, viteza, etc.).

4.”Dacă funcția de stare a energiei tinde către un minim când o variabilă intensivă tinde spre zero, atunci și variabila extensivă analogă tinde spre un minim, care de multe ori este zero”.

1.2 Exemple practice

Fig. 1.2 Electromagnet de putere, folosit în general la transportul

metalelor grele în cimitirele de mașini

http://science.howstuffworks.com/electromagnet.htm

Fig. 1.3 Electromagnet folosit în difuzoare

http://www.school-for-champions.com/science/electromagnetic_devices.htm

Fig 1.4 Electromagnetul într-o mașină electrică CC

http://resource.rockyview.ab.ca/rvlc/physics30_BU/Unit_B/m4/p30_m4_l03_p4.html

Fig 1.5 Electromagnet folosit într-o mașină IRM

http://mri-q.com/types-of-magnets.html

Fig. 1.6 Cel mai simplu model de electromagnet

http://www.bbc.co.uk/bitesize/ks3/science/energy_electricity_forces/magnets_electric_effects/revision/4/

Fig. 1.7 Principiul de funcționare al unui tren Maglev

http://www.wou.edu/~rmiller09/superconductivity/

1.3 Noțiuni teoretice

Curentul electric printr-un conductor creează un câmp magnetic în jurul firului, fenomen datorat legii lui Ampere. Direcția unui câmp magnetic se poate găsi folosind regula burghiului sau regula mâinii drepte.

Fig. 1.8 Regula mâinii drepte

http://kids.britannica.com/comptons/art-53602/

Dacă degetul mare arată direcția trecerii curentului electric, atunci degetele care cuprind conductorul vor arăta sensul câmpului magnetic.

După cum am spus anterior, câmpuri magnetice mai puternice pot fi produse dacă introducem în bobinaj un “miez magnetic” sau un material fero sau ferimagnetic moale, material cum ar fi fierul. Un astfel de miez poate mări puterea câmpului magnetic de până la câteva mii de ori datorită permeabilității μ foarte ridicate a miezului. Nu toți electromagneții au miez, de exemplu electromagneții de putere foarte mare nu pot folosi miez datorită saturației.

Câmpul magnetic al electromagneților este dat de legea lui Ampere:

[1.5]

Legea spune că integrala câmpului H în jurul oricărei curbe închise a câmpului este egală cu suma curenților ce parcurg curba. O altă ecuație folosită este legea Biot-Savart.

Materialul miezului magnetic este compus din regiuni numite domenii magnetice care se comportă ca mici magneți. Înainte ca electromagnetul să fie parcurs de curent electric, micii magneți din miezul magnetic au un câmp magnetic unic, intr-o direcție aleatorie astfel încât câmpurile magneților se anulează între ele și astfel fierul nu are un câmp magnetic semnificativ. Când avem curent prin conductorul înfășurat în jurul miezului magnetic, câmpul magnetic al conductorului intră in miezul magnetic astfel aliniând câmpurile miezului la câmpul înfășurării, creând un câmp magnetic care se extinde în jurul electromagnetului. Efectul miezului este de a concentra câmpul, el putând să treacă prin miez mult mai ușor decât prin aer datorită permeabilității foarte mari a fierului față de aer.

Cu cât este mai mare curentul prin bobină, cu atât mai multe domenii se aliniază la câmpul bobinei, cu atât mai puternic devine câmpul. Acest lucru se întâmplă până când toate domeniile sunt aliniate, după care orice creștere a curentului nu va mai avea niciun efect, acest fenomen poartă numele de saturație.

Când se întrerupe alimentarea, în majoritatea materialelor folosite ca miez, domeniile își pierd alinierea și se întorc la acel stadiu aleatoriu iar câmpul dispare. Totuși, unele domenii rămân aliniate deoarece au o oarecare dificultate de a se întoarce la stadiul aleatoriu. Acest fenomen poartă numele de histerezis iar câmpul magnetic care rămâne după ce alimentarea a fost oprită poartă numele de câmp magnetic remanent. Magnetizația reziduală a miezului poate fi înlăturată prin operația de degauss. În electromagneții de curent alternativ magnetizarea miezului este inversată în mod constant iar câmpul magnetic remanent contribuie la pierderile prin motor.

Fig. 1.9 Câmpul magnetic printr-un electromagnet

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Electromagnet_with_gap.svg

B – câmpul magnetic in miez

BF – câmpul magnetic marginal < B

BL – fluxul de scăpări, linii de câmp care nu se închid prin miez

Principala caracteristică neliniară a materialelor feromagnetice este că există o saturație a câmpului la o anumită valoare, aproximativ 1.6 – 2 Tesla [T] pentru majoritatea miezurilor din oțel. Câmpul crește proporțional cu intensitatea curentului până la acea valoare de 2T, dar peste acea valoare câmpul devine aproape constant indiferent de cât de mult vom crește intensitatea curentului electric prin spire.

Câmpul magnetic dat de curent

Câmpul magnetic dat de un electromagnet este proporțional atât cu numărul de spire din înfășurare N, cât și cu intensitatea curentului din spire, I. Prin urmare, N*I este forța magnetomotoare. Legea lui Ampere pentru un electromagnet cu un singur circuit magnetic, cu o lungime a circuitului magnetic Lmiez și o lungime a întrefierului Lîntrefier se reduce la:

[1.6]

) [1.7]

Unde

este permeabilitatea magnetică a miezului.

este permeabilitatea în întrefier.

Aceasta este o ecuație neliniară deoarece permeabilitatea miezului, µ, variază în funcție de inducția B. Pentru o soluție cât mai precisă, valoarea lui µ la o anumită valoare a inducției B se obține din curba de histerezis pentru materialul din care este fabricat miezul respectiv.

Fig. 1.10 Caracteristica de histerezis

http://www.emie.ugal.ro/ee/cap.2_final_07.02.07.pdf

Dacă inducția nu se cunoaște, atunci ecuația se va rezolva prin metode numerice. Pentru un circuit magnetic închis majoritatea materialelor din care este fabricat miezul se vor satura pe la aproximativ 800A/spiră per metru de cale de flux. Pentru majoritatea materialelor din care este fabricat un miez magnetic:

Prin urmare, în circuitele magnetice cu întrefier din aer, inducția depinde foarte mult de dimensiunile întrefierului iar mărimea căii de flux prin miez nu influențează atât de mult.

Forța exercitată de un câmp magnetic

Forța exercitată de un electromagnet in secțiunea întrefierului este:

[1.8]

După cum am spus, limita este în jurul a 1.6T și de aici putem deduce puterea maximă pe unitatea de suprafață, adică:

[1.9]

1T 4 atm = 4kg/cm2 [1.10]

Efecte secundare

Singura energie consumată într-un electromagnet CC este datorată rezistenței înfășurărilor, și, este disipată ca și căldură. Electromagneții de mare putere au nevoie de răcire specială, pe apă care circulă prin țevi, printre înfășurări pentru a putea face față pierderilor Joule.

Din moment ce P=I2R, puterea crește exponențial cu intensitatea și liniar cu numărul de înfășurări. Pierderile prin înfășurări pot fi reduse prin reducerea curentului și creșterea numărului de spire N sau prin folosirea unor fire mai groase pentru a reduce rezistența totală. Totuși există un nivel minim de pierderi Joule care nu pot fi reduse în electromagneți, acest nivel crește cu pătratul inducției magnetice B2.

În electromagneții puternici, câmpul magnetic exercită o forță în fiecare spiră a înfășurării datorită forței Lorentz qv x B. Poate fi considerată ca fiind o forță care pune presiune asupra conductorilor, îndepărtându-i unii de ceilalți. Acest lucru cauzează o tensiune mecanică prin conductori. În electromagneții de mare putere înfășurările trebuiesc puternic strânse pentru a preveni vibrația în timpul pornirii sau opririi electromagneților și pentru a reduce uzura lor.

Fig.1.11 Forța Lorentz

http://science.howstuffworks.com/rail-gun1.htm

Pierderile prin miez

În electromagneții de curent alternativ, folosiți în transformatoare, inductoare și mașinile electrice, câmpul magnetic este dinamic. Acest lucru cauzează pierderi energetice în miezul lor magnetic, pierderi care sunt disipate în miez ca și căldură. Aceste pierderi apar datorită a două procese:

– Curenții turbionari: După cum spune legea inducției a lui Faraday, câmpul magnetic dinamic induce curenți electrici care circulă înăuntrul conductoarelor, curenți numiți curenți turbionari. Energia acestor curenți este disipată ca și căldură prin rezistența electrică a conductorului, cauzând pierderi de energie. Având în vedere faptul că miezul feromagnetic este conductiv, și mare parte a câmpului magnetic este concentrat acolo, curenții turbionari din miez reprezintă o mare problemă. Curenții turbionari sunt de fapt bucle închise de curent care circulă perpendicular pe câmpul magnetic. Energia disipată este proporțională cu zona dinăuntrul buclei.

Pentru a preveni acești curenți turbionari, miezul electromagneților de curent alternativ este lamelar, constituit din straturi de tablă de oțel subțire, sau laminații, orientate în paralel cu câmpul magnetic, cu un strat de izolație pe suprafața lamelelor. Straturile de izolație previn formarea curenților turbionari între straturi. Astfel, curenții turbionari sunt forțați să se formeze doar în interiorul unei laminații, astfel reducând considerabil pierderile. O altă alternativă este folosirea feritei ca miez.

– Pierderile histerezis: Schimbarea direcției magnetizației în miez cauzează pierderi energetice cu fiecare ciclu datorită coercivității materialului. Aceste pierderi se numesc pierderi histerezis. Energia pierdută pe fiecare ciclu este proporțională cu suprafața curbei histerezis al caracteristicii BH. Pentru a reduce pierderile, miezul magnetic folosit în curent alternativ este fabricat din materiale “moi” cu coercivitate redusă, cum ar fi oțelul laminat sau ferita moale. Pierderea energetică per ciclu este constantă, prin urmare pierderile cresc liniar cu frecvența.

Termeni

CAPITOLUL 2

DINAMICA ELECTROMAGNETULUI DE CURENT CONTINUU

Regimul dinamic de funcționare al electromagnetului este regimul în care mărimile magnetice, magnetice și mecanice variază simultan în timp. Regimul dinamic este cazul cel mai general de funcționare al unui electromagnet, corespunzând situației în care armătura mobilă se deplasează, realizându-se conversia energiei electrice în energie mecanică.

Ecuațiile generale care descriu comportarea electromagnetului sunt:

[2.1]

[2.2]

[2.3]

m – masa părților mobile, r – coeficientul de amortizare a oscilațiilor armăturii mobile

k – constanta resortului

Deoarece aceste ecuații sunt legate între ele, soluționarea lor analitică nu este posibilă decât în situații particulare, sau prin efectuarea unor aproximări. Metodele grafo-analitice pot conduce la soluționarea acestor ecuații dar determinările sunt foarte complexe. O metodă mai convenabilă este soluționarea acestor ecuații în regim dinamic pe calculator, folosind programe de specialitate cum ar fi Matlab cu toolkit-ul Simulink sau COMSOL.

2.1 Mărimile de stare caracteristice regimului dinamic

Mărimile de stare ce caracterizează regimul dinamic al unui electromagnet sunt: intensitatea, fluxul, forța de atracție, deplasarea armăturii mobile (sau întrefierul), accelerația și viteza deplasării întrefierului.

Pentru modelul de electromagnet din figura 2.1 vom considera un regim dinamic generat de alimentarea înfășurării de la o sursă tip tren de impulsuri de tensiune cu amplitudinea U și perioada T=t1+tp, unde t1 este durata impulsului iar tp durata pauzei de tensiune.

Figura 2.1 – Modelul fizic al unui electromagnet

Sursa: Aparate Electrice – G. Hortopan p150

1- Înfășurare, 2- armătură fixă, 3- armătură mobilă,

4- amortizor, 5- resort

2.1.1 Caracteristica i=f(t)

În figura 2.2 este prezentată variația în timp a curentului în regimul dinamic considerat anterior.

Se pot distinge în diagramă șase etape ce caracterizează regimul dinamic de funcționare al electromagnetului.

a) Etapa I, de la momentul 0 la t1; are loc conectarea înfășurării electromagnetului la sursa de tensiune, curentul crescând de la valoarea zero la i1, corespunzător căreia forța dezvoltată de electromagnet devine egală cu forțele care se opun mișcării armăturii mobile; în acest interval de timp armătura mobilă nu se deplasează, etapa I corespunzând unui regim tranzitoriu electric de conectare. Pentru medii liniare (miez nesaturat), inductivitatea este constantă.

[2.4]

Figura 2.2 – Caracteristica i=f(t) în regim dinamic

Sursa: Aparate Electrice – G. Hortopan p152

L1 este inductivitatea corespunzătoare întrefierului δmax de la care începe mișcarea.

b) Etapa a II-a, de la momentul t1 la t2, interval de timp marcat de începutul/încheierea deplasării armăturii mobile de la întrefierul δmax la δmin. Curba II de variație a curentului este o funcție complexă de forma i=f(t1 δ), nefiind deocamdată posibilă scrierea ei analitică exactă.

c) Etapa a III-a, de la t2 la t3, interval de timp în care curentul crește de la i2 la i3 iar armătura mobilă nu se mai mișcă. Curba III este redată de relația:

[2.5]