Masz pytania? Skontaktuj się!

+48 538 519 019

zapytania@hak.com.pl

Elektromagnesy – czy przyciągają Twoją uwagę?

Historia elektromagnesów

Pierwszy elektromagnes zbudował Wiliam Sturgeon (1783-1850), angielski inżynier elektryk. W 1823 roku Wiliam zawinął wokół żelaznej, polakierowanej sztabki nieizolowany drut miedziany, uzyskując tym samym układ, który podczas przepływu prądu przez drut stawał się silnym magnesem, [1].

Budowa i zasada działania

Należy przyjąć, że elektromagnes to urządzenie wytwarzające zjawiska magnetyczne pod wpływem przepływu prądu elektrycznego. Ma zwykle postać cewki osadzonej (nawiniętej) na rdzeniu z materiału silnie magnetycznie czynnego (rys.1a). Przepływ prądu elektrycznego przez cewkę wytwarza pole magnetyczne, które magnesuje rdzeń (rys.1b), ulegając tym samym znacznemu wzmocnieniu; gdy prąd przestaje płynąć, pole cewki znika, rdzeń rozmagnesowuje się i elektromagnes przestaje być źródłem pola magnetycznego.

Rys. 1a. Budowa elektromagnesu, wg [2]

(źródło: http://science.howstuffworks.com/electromagnet2.htm)

Rys. 1b. Pole elektromagnetyczne rdzenia, wg [2]

(źródło: http://science.howstuffworks.com/electromagnet2.htm)

Pole magnetyczne wytwarzane przez elektromagnes wzrasta po zwiększeniu liczby zwojów lub natężenia przepływającego prądu przy stałej długości zwojnicy. Im więcej cewka ma zwojów oraz im większy przepływa przez nią prąd, tym silniejsze jest pole magnetyczne elektromagnesu [1].

Elektromagnes – magnes tymczasowego działania

Magnesy wg zasady działania dzielimy na magnesy trwałe oraz elektromagnesy [3].

Te drugie stanowią grupę, na którą w szczególności należy zwrócić uwagę ze względu na zasadę ich działania. Jako jedyne umożliwiają włączenie i wyłączenie pola magnetycznego, a taka zaleta znacznie rozszerza ich spektrum zastosowania w stosunku do innych rodzajów magnesów.

Rys. 2. Podział magnesów, wg [3]
(źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/Magnes)

Opis typowych elektromagnesów

Elektromagnesy prądu stałego – w elektromagnesach tego typu strumień magnetyczny istnieje tylko wówczas, gdy przez cewkę przepływa prąd elektryczny. Jeżeli prąd nie płynie, to strumień magnetyczny wynosi 0 Wb (gdzie Wb – Weber jest jednostką strumienia indukcji magnetycznej w układzie SI).
Elektromagnes spolaryzowany – niezależnie od strumienia magnetycznego, powstającego pod wpływem przepływu prądu elektrycznego, istnieje stały strumień magnetyczny, wytwarzany przez magnes stały. Te elektromagnesy "rozróżniają" kierunek przepływu prądu zasilającego i dlatego stosowane są w przekaźnikach.
Elektromagnes prądu zmiennego – strumień magnetyczny zmienia się co do kierunku i wielkości, a w konsekwencji siła elektromagnesu pulsuje od zera do maksimum z częstotliwością dwukrotnie większą od częstotliwości prądu zasilającego.
Elektromagnes nadprzewodnikowy – uzwojenie takiego magnesu wykonane jest z materiałów nadprzewodzących, np. stopu niobu z tytanem (Nb-Ti) nie wykazujących żadnego oporu elektrycznego w bardzo niskich temperaturach (poniżej -200°C). Pozwala to uzyskiwać pola magnetyczne o natężeniu dochodzącym do 1000 A/m. Wymiary i ciężar elektromagnesów nadprzewodzących są znacznie mniejsze niż wymiary i ciężar w przypadkach elektromagnesów stałych.

Najnowsze technologie elektromagnesów

Obecnie najsilniejsze elektromagnesy buduje się przy użyciu cewek nadprzewodzących. Są one wykonane z materiałów zwanych nadprzewodnikami, nie wykazujących żadnego oporu elektrycznego w bardzo niskich temperaturach (bliskich zera bezwzględnego) [4].

Magnesy nadprzewodzące są istotną częścią tomografów komputerowych (rys. 1), które dzięki wykorzystaniu magnetycznego rezonansu jądrowego pozwalają uzyskać bezdotykowo obrazy wnętrza ludzkiego ciała. Pacjent umieszczony w nadprzewodzącej cewce jest poddawany działaniu silnego pola magnetycznego. Komputer zbiera słabe sygnały elektromagnetyczne wytworzone przez jądra atomów z obszaru ciała, na który kierowane jest pole magnetyczne i na ich podstawie tworzy obraz wnętrza organizmu.

Rys. 1. MAGNETOM Spectra (tomograf), wg [5]

Wykorzystanie nowoczesnych magnesów, poza wspomnianą powyżej medycyną, skupia się wokół dziedzin techniczno-naukowych.

Potężne elektromagnesy wykorzystane są w akceleratorach, czyli urządzeniach do przyspieszania naładowanych cząstek. Umożliwiają one badania naukowe nad budową i przemianą jąder atomowych oraz badanie zderzeń cząstek, wytwarzanie nowych cząstek elementarnych, poznawanie nowoodkrytych obiektów i testowanie nowych teorii.

Największym ośrodkiem badawczym fizyki cząstek elementarnych na świecie jest Europejskie Laboratorium Fizyki Cząstek Elementarnych, w którym największy akcelerator zbudowany z nadprzewodzących elektromagnesów ma obwód 27 kilometrów (rys. 2).

Rys. 2. Wielki Zderzacz Hadronów LHC, wg [6]

Elektromagnesy prądu zmiennego

Właściwości elektromagnesów wykorzystywane są również w najnowszej generacji pociągach, wykorzystujących lewitację magnetyczną i poruszających się nad torami (rys. 3). To właśnie dzięki polu magnetycznemu taki pociąg nie ma kontaktu z powierzchnią toru, gdyż cały czas unosi się (lewituje) nad nim. Działają tu więc potężne siły elektromagnetyczne (unoszące pociąg) zarówno w samym pojeździe, jak i torowisku. Pozwala to na rozwijanie dużych prędkości, ponieważ dzięki zastosowaniu magnesów wyeliminowane jest tarcie kół, znacznie ograniczające prędkość jazdy w tradycyjnych pociągach.

Elektromagnesy – czy przyciągają Twoją uwagę? Cz.II
Rys. 3. Pociąg TRANSRAPID poruszający się na poduszce magnetycznej, wg [7]

Elektromagnesy prądu stałego

Elektromagnesy tego typu znajdziemy w prądnicach elektrycznych, generujących prąd elektryczny oraz w powszechnie używanych silnikach elektrycznych, gdzie pole magnetyczne generuje ruch wirnika (rys. 4).

Rys. 4. Silnik prądu stałego, wg [8]

W najnowszych rozwiązaniach nie brakuje jednak przykładów innego wykorzystania elektromagnesów prądu stałego. The Bat, jak Maglev czy Transrapid (lewitujące pociągi) unosi się dzięki polu magnetycznemu (rys. 5). Silny elektromagnes w podkładce oddziałuje na mysz.

Rys. 5. The Bat – lewitująca mysz komputerowa, wg [9]

Zastosowanie elektromagnesów w przemyśle

W przemyśle elektromagnesy znalazły niezwykle szerokie zastosowanie, otwierając tym samym nowe możliwości bezpiecznego, szybkiego i prostego sposobu transportu elementów o różnym kształcie i wymiarach. Zazwyczaj zamocowane do trawersy lub zawiesi elektromagnesy w prosty sposób stają się elektromagnetycznym chwytakiem zdolnym transportować wszelkie ferromagnetyczne przedmioty.

Systemy transportu z zastosowaniem elektromagnesów zapewniają łatwe i precyzyjne pozycjonowanie elementów, oszczędzając jednocześnie miejsce i konieczność stosowania dodatkowych operacji, w tym zabezpieczania ładunku podczas przenoszenia. Aplikacje z ich udziałem coraz częściej opierają się na wykorzystaniu elektromagnesów permanentnych, choć nie brakuje również zastosowań dla standardowych elektromagnesów.

Zastosowanie magnesów elektro-permanentnych

Przyczepność elektro-permanentnego magnesu, czyli jego zdolność do przenoszenia określonych obciążeń ferromagnetycznych, jest całkowicie niezależna od doprowadzonej energii, także elektrycznej. Urządzenie zawsze dysponuje określoną przez producenta siłą przyciągania (w określonych warunkach eksploatacyjnych). Dopiero po przyłożeniu napięcia do zabudowanego w nim układu elektrycznego następuje wygenerowanie przez uzwojenie elektryczne przeciwpola magnetycznego, które powoduje utratę przyczepności, a tym samym umożliwia uwolnienie przenoszonego ładunku.

Właściwości:

system nie wymaga dodatkowych urządzeń zabezpieczających przed zanikiem napięcia gdyż podczas przerwy w zasilaniu nie dochodzi do odpadnięcia ładunku,
technologia ta oszczędza 95% energii elektrycznej w porównaniu z urządzeniem elektromagnetycznym,
zasilanie prądem trwa tylko kilka sekund w cyklach aktywacji i dezaktywacji pola magnetycznego,
nie ma zagrożenia zwarcia elektrycznego,
nie ma zagrożenia uszkodzenia kabla,
brak zjawiska nagrzewania się magnesu,
rozwiązanie gwarantuje stałą wydajność.

Rys. 1. Chwytak elektromagnetyczny do podłużnych elementów [10]

Zastosowanie elektromagnesów standardowych

W zależności od konkretnego zastosowania elektromagnes może mieć różną budowę, a tym samym wielkość, ilość zwojów, kształt i ilość biegunów.

Chwytaki elektromagnetyczne do cienkich arkuszy blachy mają zwykle okrągły kształt, dzięki czemu posiadają płytsze pole magnetyczne, co zapewnia doskonałe trzymanie blach.

Prostokątne chwytaki elektromagnetyczne są stosowane do podnoszenia ciężkich elementów o grubości 10mm i większej. Dzięki dużej głębokości pola magnetycznego siła przyciągania jest skuteczna nawet w przypadku niewielkiej przerwy między chwytakiem a podnoszonym obiektem. Należy wziąć pod uwagę, że 1mm przerwy może zmniejszyć siłę przyciągania nawet o połowę. Dobór magnesów jest uzależniony od rodzaju i konstrukcji żurawia lub suwnicy, a także kształtu i wielkości podnoszonych elementów.

Powszechnym rozwiązaniem jest zastosowanie prostokątnych elektromagnesów do przemieszczania blach i paczek wewnątrz hal produkcyjnych i magazynowych. Żurawie i suwnice wyposażone w elektromagnesy są tak projektowane, aby ułatwić gospodarkę magazynową, optymalnie wykorzystując dostępną powierzchnię, a przy tym zagwarantować odpowiednią szybkość transportu jednej lub kilku paczek równocześnie.

Bibliografia:

[1] http://pl.wikipedia.org/wiki/William_Sturgeon
[2] http://science.howstuffworks.com/electromagnet2.htm
[3] http://pl.wikipedia.org/wiki/Magnes [4] http://pl.wikipedia.org/wiki/Elektromagnes
[5] http://usa.healthcare.siemens.com/magnetic-resonance-imaging/3t-mri-scanner/magnetom-skyra
[6] http://fundir.org/gallery,wielki_zderzacz_hadronow_lhc,1080,0,0.html
[7] www.transrapid.de/cgi-tdb/en/basics.prg
[8] http://pl.wikipedia.org/wiki/Silnik_pr%C4%85du_sta%C5%82ego
[9]http://technowinki.onet.pl/aktualnosci/lewitujaca-mysz-dla-graczy/kjsqn
[10] http://www.magnesy.net/systemy-magnetyczne-dla-branzy-obrobki-metali.html