Dobór elektromagnesu
1. Dobór elektromagnesu do
układu wykonawczego
1.1. WPROWADZENIE
1.1.1. Elektromagnesy prądu stałego
Elektromagnesy są przetwornikami energii zamieniającymi energię elektryczną na
pracę mechaniczną, dzięki wytwarzanemu polu magnetycznemu. Elektromagnes składa się z
uzwojenia wzbudzającego strumień magnetyczny oraz magnetowodu, którego nieruchoma
część to rdzeń, a ruchoma  to zwora (rys. 1.1).
Rys. 1.1 Schemat elektromagnesu klapkowego: 1  zwora, 2  rdzeń magnetyczny, 3  uzwojenie
wzbudzające strumień magnetyczny [5];
F  siła przyciągania zwory, s  szczelina powietrzna, Ś  strumień magnetyczny, i  prąd
wzbudzający
Przy pewnych założeniach upraszczających wyprowadza się wzór na siłę przyciągania
Fm elektromagnesu [3]
1
d E
m Ś 2
0 A
l
F
2 , (1.1)
m d Y 2
l L0
E Y
A A
E 0
w którym: A  pole przekroju magnetowodu, Em  energia mechaniczna, Fm  siła przyciąga-
jąca, Y  przemieszczenie zwory, Ś  przepływ, lE  droga strumienia w rdzeniu, lL0  po-
czątkowa szczelina powietrzna, ź0  przenikalność magnetyczna próżni, źE  przenikalność
magnetyczna żelaza. Kształt mechanicznej charakterystyki elektromagnesu, czyli zależności
siły przyciągającej od szerokości szczeliny powietrznej lub przemieszczenia zwory, wynika-
jące z powyższej zależności przedstawiono na rys. 1.2.
Rys. 1.2. Statyczna charakterystyka elektromagnesu [3]
W zależności od realizowanej funkcji elektromagnesy dzielą się na następujące rodza-
je [ ]:
- elektromagnesy o ruchu dorywczym
- oddające pracę podczas ruchu zwory, nie przeznaczone do utrzymywania
zwory w stanie przyciągniętym.
- elektromagnesy wywierające siłę wzdłuż drogi zerowej
- służące tylko do utrzymywania zwory w stanie przyciągniętym.
- elektromagnesy oddające pracę na zewnątrz
i utrzymujące zworę w stanie przyciągniętym.
- elektromagnesy bez zwory
- służące do kierowania ruchem elementów zewnętrznych.
- elektromagnesy remanencyjne (impulsowe)
- utrzymujące przyciągniętą zworę w stanie bezprądowym.
Klasyfikację elektromagnesów ze względu na ich konstrukcję przedstawiono na rys.
1.3. Na rys. 1.4. pokazano typowe kształty magnetowodów elektromagnesów o ruchu linio-
wym.
Rys. 1.3. Klasyfikacja napędowych elektromagnesów prądu stałego wg [1]
Rys. 1.4. Typowe magnetowody elektromagnesów o ruchu liniowym [3]
Handlowa oferta elektromagnesów jest bogata i umożliwia dobór elektromagnesów do
większości zastosowań. Na rys. 1.5 przedstawiono ofertę jednego z producentów pozostawia-
jąc anglojęzyczne określenia poszczególnych odmian elektromagnesów ze względu na fakt,
że w Polsce elektromagnesy nie są wytwarzane seryjnie i konieczne jest korzystanie z katalo-
gów firm zagranicznych.
Rys. 1.5. Przykładowa katalogowa oferta napędowych elektromagnesów prądu stałego
Najczęściej stosowaną odmianą elektromagnesów są elektromagnesy nurnikowe z
walcową zworą. Budowę takiego elektromagnesu przedstawiono schematycznie na rys. 1.6.
Elektromagnesy są przetwornikami energii zasilanymi impulsowo. Na rysunku 1.7
zamieszczono schemat blokowy układu napędzanego elektromagnesem, a na rys. 1.8 trzy
możliwe warianty urządzenia sterującego wzmacniacz mocy.
Rys. 1.6. Schemat budowy elektromagnesu nurnikowego [5]:
1  panewka ślizgowa prowadnicy, 2  stopa nurnika (nieruchoma część
magnetowodu), 3  uzwojenie wzbudzające strumień magnetyczny, 4  prowadnica
nurnika, 5  płaszcz magnetowodu, 6  panewka ślizgowa nurnika, 7  zwora (nurnik);
F  siła przyciągania zwory
Rys. 1.7. Układ elektromechaniczny z urządzeniem sterującym i zasilaniem [5]
Rys. 1.8. Urządzenie sterujące wzmacniacz mocy [5]
W pracy elektromagnesu napędowego można wyróżnić kilka charakterystycznych faz,
które przedstawiono na rys. 1.9. W fazie rozruchu (I) prąd w uzwojeniu elektromagnesu nara-
sta do wartości, przy której siła przyciągająca zworę staje się większa od sumy sił obciążają-
cych elektromagnes, w tym sił tarcia i siły od sprężyny powrotnej. W fazie II zwora wykonuje
ruch roboczy aż do uderzenia w rdzeń, kiedy to nadmiar energii kinetycznej jest wytracany na
odbicia i hałas (III). W fazie IV zwora pozostaje przyciągnięta do rdzenia, a w uzwojeniu wy-
dzielają się straty cieplne. Po wyłączeniu napięcia zasilającego zwora wraca do położenia
początkowego pod działaniem sprężyny powrotnej (V). Uderzenie w ogranicznik ruchu koń-
czy się odbiciami i drganiami zwory (VI).
Rys. 1.9. Przykładowy przebieg drogi s zwory elektromagnesu przy zasilaniu uzwojenia dłużej niż
do końca ruchu roboczego [5];
I  rozruch, II  ruch roboczy, III  wytracanie energii kinetycznej, IV  spoczynek,
V  powrót, VI  drgania
Statyczna charakterystyka elektromagnesu nurnikowego może być modyfikowana
przez zmiany kształtu zakończenia nurnika i jego stopy. Na rys. 1.10 pokazano przykładowe
rozwiązania konstrukcyjne i ich wpływ na charakterystyki. Producenci elektromagnesów w
swojej ofercie często proponują różne wykonania swoich wyrobów dając użytkownikowi
możliwość wyboru najbardziej odpowiednich charakterystyk (rys. 1.11).
Rys. 1.10. Charakterystyki statyczne elektromagnesów przy różnych kształtach stopy nurnika [3]
Rys. 1.11. Katalogowe charakterystyki przykładowego elektromagnesu nurnikowego [6]
1.1.2. Cieplne warunki pracy elektromagnesów
Prąd wzbudzenia przepływający przez uzwojenie elektromagnesu powoduje wydzie-
lanie się w nim ciepła zgodnie z prawem Joule a. Ciepło to powoduje wzrost temperatury
uzwojenia, a w konsekwencji całego elektromagnesu. Ze zmianami temperatury zmienia się
też rezystancja uzwojenia zgodnie z przybliżoną, liniową zależnością
1 293 R 1 ,
R R (1.2)
293 R 293 R
w której: R�  chwilowa wartość rezystancji uzwojenia, R293  rezystancja uzwojenia w tem-
peraturze odniesienia �0 = 20 �C, ąR = 0,00393 1/K  temperaturowy współczynnik rezystyw-
ności miedzi, "�  przyrost temperatury uzwojenia.
W zależności od przyjętego rodzaju pracy elektromagnesu zarówno przebiegi jego na-
grzewania się, jak też maksymalne przyrosty temperatury są różne (rys. 1.12). W celu niedo-
puszczenia do przegrzania się elektromagnesu podczas jego pracy, co prowadzi do nieodwra-
calnego uszkodzenia izolacji uzwojenia, wprowadzono pojęcie względnego dopuszczalnego
czasu zasilania ED
okres zasilania w cyklu .
(1.3)
ED 100%
okres powtarzania cykli
Rys. 1.12. Przebieg nagrzewania się elektromagnesu
Współczynnik ED jest funkcją temperatury otoczenia