ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОМАГНИТА

Целью предварительного расчета является:

o анализ формы конструкции электромагнита, выбор материала магнитопровода и электромагнитных нагрузок с обоснованием приня­тых решений;

o определение размеров элементов магнитопровода и обмоточного пространства с обоснованием принятых размеров и параметров;

Рисунок 2 -Электромагнит: 1 - сердечник; 2 -ярмо; 3 - якорь; 4 - обмотка

o определение конструкционных размеров и обмоточных данных катушки с обоснованием принятых размеров и параметров;

o разработка эскиза электромагнитного механизма.

Электромагнитным механизмом называется электромагнитная система, в которой при изменении или перераспределении магнитного потока происходит перемещение подвижной части системы, совер­шающей полезную работу.

При всем разнообразии встречающих­ся на практике электромагнитов они со­держат основные элементы одинакового назначения (рисунок 2):

• 1 - сердечник (часть магнитной сис­темы, к которой притягивается якорь); магнитная система может иметь один или два сердечника;

• 2 - основание (ярмо) (неподвижная часть магнитной системы, соединяющая сердечник и якорь или оба сердечника);

• 3 - якорь (подвижная часть), кото­рый воспринимает электромагнитное уси­лие и передает его соответствующим деталям приводного механизма, совершая при перемещении полезную работу; якорь может совершать поступательное или вращательное движение;

• 4 - катушка электромагнита, которая служит для создания необ­ходимого магнитного потока, обеспечивающего перемещение подвиж­ной части магнитопровода - якоря.

Подвижная и неподвижная части магнитопровода, по которым замы­кается магнитный поток, выполняются из ферромагнитного материала.

3.1 Анализ формы конструкции электромагнита, выбор материала магнитопровода и электромагнитных нагрузок

Выбор материала магнитопровода во многом определяет эксплуа­тационные показатели электрического аппарата.

Для изготовления магнитопроводов электромагнитов постоянного тока применяют магнитомягкие низкоуглеродистые стали. Основной характеристикой магнитного материала является зависимость величи­ны магнитной индукции (В) от напряженности магнитного поля (Н).

Для маломощных электромагнитов, например реле, а в ряде конст­рукций и контакторов целесообразно применять магнитомягкие низко­углеродистые низкокоэрцитивные электротехнические стали марок Э, ЭЛ и ЭЛЛ . Помимо малой величины задерживающей (коэрци­тивной) силы эти стали имеют высокое значение максимальной отно­сительной магнитной проницаемости.

Выбрана для своего реле электротехническая листовая кремнистая марки Э41 с содержанием Si 3,8-4,8%.

Электромагнитными нагрузками, определяющими размеры эле­ментов электромагнитной системы и электрического аппарата в целом, являются магнитная индукция в рабочем воздушном зазоре (или зазо­рах, если их несколько) В _от, магнитная индукция в элементах магни­топровода В_ст, плотность тока в проводниках обмотки (или обмоток, если их несколько) j.

Оптимальная величина магнитной индукции в рабочем воздушном зазоре зависит от соотношения между начальным усилием притяжения и величиной хода, т.е. от конструктивного фактора электромагнита.

Для электромагнитов постоянного тока конструктивный фактор определен по формуле:

= =28 Н - начальное тяговое усилие, развиваемое электро­магнитом, принимается равным начальной противодействующей силе, приведенной к рабочему воздушному зазору _н = м= 0,7 см.

Практикой проектирования реле и контакторов выработаны рекомендации по выбору величины магнитной индукции в рабочем зазоре, по нашему

конструктивному фактору В _от = f ( , _н) = 0,36 Тл, при отпущенном якоре. Для этого воспользуемся рисунком П1 [1].

3.2 Определение размеров элементов магнитопровода и обмоточного пространства

3.2.1. Определение размеров элементов магнитопровода

Площадь сечения на основании уравнения электромагнитной силы Максвелла определится как

, Гн/м - магнитная проницаемость воздуха;

=28 Н, расчетная электромагнитная сила, при которой электромагнит сраба­тывает. Для электромагнитов клапанного типа ее принимают рав­ной начальной противодействующей силе, приведенной к рабочему воздушному зазору.

Площадь сечения торца сердечника без полюсного наконечника

= 1 - количество воздушных зазоров.

Диаметр круглого сердечника электромагнита постоянного тока

0,025 м, (3.4)

где - сечение сердечника принимают равным сечению торца сер­дечника .

Выбран КРУГ 25 по ГОСТ 2590-88 [4]

Размер выступающей из катушки части сердечника примем равным 0.4d_c =0.0103 м.

Определение намагничивающей силы обмотки электромагнита по­стоянного тока.

Величина н.с. обмотки электромагнита постоянного тока, необхо­димая для срабатывания электромагнита:

= (1,2...1,6) (3.5)

где - сумма зазоров, у однофазных электромагнитов зависит от конструктивной формы: клапанная система магнитопровода - два по­следовательных зазора - рабочий и нерабочий, = м - величина рабо­чего воздушного зазора при отпущенном якоре.

= 1,2

Для катушки параллельного включения н.с. обмотки

(3.6)

где –напряжение срабатывания, В (см. таблицу 1).

Намагничивающая сила, приходящаяся на один рабочий воздушный

зазор, при отпущенном якоре

3.2.2. Определение площади обмоточного пространства и сторон сечения обмотки

Определенна площадь поперечного сечения обмоточного про­странства катушки (в расчете на одну катушку)

где - коэффициент, характеризующий максимальное значение на­пряжения, при котором температура обмотки не должна превосходить допустимую; в наиболее распространенных случаях = 1,05, ;

- коэффициент перегрузки по току, характеризующий нагрузочную спо­собность токоведущей части аппарата, при кратковременном и повторно- кратковременном режимах > 1, определяется в соответствии с режи­мом работы аппарата; примем = 1,15;

j - плотность тока в проводниках обмотки, ограниченная температурой на­грева; допустимое значение плотности тока для длительного режима включе­ния обмотки: j = 2 10⁶ А/м² ; - коэффициент заполнения обмоточного пространства зависит от марки выбранного обмоточного провода, состоящего из трех коэффи­циентов

Здесь - коэффициент формы сечения проводника ( = 0,785 для круглого); - ко­эффициент неравномерности укладки (для проводов d > 0,3 мм - =0,95); - коэффициент изоляции проводника, принимаем = 1,06.

Высота и длина обмоточного пространства

где = 5 м - относительная длина обмоточного пространства (увеличение приводит к уменьшению массы обмотки, но увеличивает массу магнитопровода).

3.3. Определение конструкционных размеров и обмоточных данных катушки

Катушка должна обеспечивать необходимую н.с. срабатывания электромагнита, температура ее нагрева должна быть не выше пре­дельно допустимой для принятого класса нагревостойкости изоляции.

В электромагнитах постоянного тока применяют большей частью катушки цилиндрической формы. В зависимости от конструктивно-технологического исполнения различают бескаркасные и каркасные катушки.

Мы используем бескаркасную катушку - бандажированную.

Катушки, бандажированные, с намоткой на шаблон (шаблон представляет собой приспособление для намотки, центральная часть которой разрезается наискось на две части, что обеспечивает воз­можность снятия катушки с шаблона; на торцах катушки накладыва­ются изоляционные шайбы, катушка бандажируется тафтяной лентой с перекрытием; последующая пропитка обеспечивает жесткость ка­тушки).

Бескаркасные катушки благодаря своей простоте, технологичности, высокому заполнению обмоточного пространства предпочтительны при диаметре голого проводника d_г.п > 0,3 10^-3 м. Катушки, наматы­ваемые круглым проводом, как правило с эмалевой изоляцией, пропи­тываются лаками или компаундами, покрываются наружной изоляцией и лакируются. Хорошая механическая и химическая стойкость обеспе­чивается при инкапсуляции, создающей защитный слой вокруг обмот­ки. Имеют наибольшее распространение для электромагнитов посто­янного тока.

3.3.1. Определение размеров катушки электромагнита

Длина и высота обмотки бескаркасной катушки:

где = 2.5 10^-3 м - толщина изоляционной шайбы при бескаркасной намотке; = 0.4 10^-3 м - толщина корпусной (или покровной, на­ружной) изоляции катушки; = 0.4 10^-3 м - толщина внут­ренней изоляции стержня сердечника; , - технологические при­пуски по длине и по высоте обмотки соответственно. Припуск по длине для бескаркасных катушек может быть обусловлен выпучи­ванием на торцах покровной изоляции, наплывами пропиточного лака либо компаунда, а припуск по высоте учитывает выпучивание вит­ков обмотки в средней по длине части катушки и наплывы. Принимаем = 0,4 10^-3 м; = 0,6 10^-3 м.

3.3.2. Размеры, характеризующие пространство, занятое проводниками в поперечном сечении электромагнита

Внутренний и наружный диаметры круглой обмотки:

Внутренний и внешний диаметры цилиндрической катушки:

Площадь торцовой поверхности катушки цилиндрической формы:

S = м

S = 0,003 мм

Площадь наружной поверхности катушки цилиндрической формы:

S = , м

S =3,14 0,112=0,025 м

Площадь внутренней поверхности катушки цилиндрической формы:

S = , м

S =3,14 0,112=0,0091 м

3.3.3 Определение длины сердечника электромагнита с внешним притягиваемым якорем

В электромагнитах без полюсного наконечника

где =0.4d_c = 0.0103 м - высота выступающей части сердечника.

3.3.4. Определение площади и размеров сечения якоря

Площадь сечение якоря

.

При необходимости облегчения внешнего плоского якоря его сече­ние может быть принято равным

=0,7 =3,8 м² (3.12)

Ширина якоря сердечника без полюсного наконечника

1,25 0.0325 м. (3.13)

Ширина якоря должна соответствовать условию .

Толщина якоря

Длина внешнего плоского якоря электромагнита клапанного типа без полюсного наконечника

3.3.5. Определение сечения и размеров скобы

Сечение скобы s_ск принимается равной сечению сердечника s_с s_ск s_с Ширину скобы целесообразно принимать

Толщина скобы должна быть достаточной с точки зрения получе­ния оптимальной магнитной проводимости нерабочего воздушного зазора в месте сочленения сердечника и скобы:

3.3.6.Определение размеров и площади сечения ярма (основания скобы)

Ширину ярма (основания) скобы для цилиндрической катушкипринимаем:

Толщина ярма (основания) цилиндрического магнитопровода:

Длина внешнего плоского якоря _як и длина ярма (основания) _яр принимается при разработке эскиза для электромагнита клапанного типа:

Длина скобы электромагнита без полюсного наконечника:

3.4. Выбор величин рабочих и нерабочих воздушных зазоров и определение их расчетных площадей

К рабочим воздушным зазорам относят эквивалентный по магнит­ной проводимости расчетный воздушный зазор , обусловленный технологией обработки деталей, а именно при шлифовке поверхностей деталей из низкоуглеродистой стали марок Э, ЭА (армко) по 8-9 классу шероховатости при В_ст 0,5 Тл принимаем _т1 = 5,5 10^-6 м.

К нерабочим воздушным зазорам электромагнитов относится зазор в месте сочленения сердечника и скобы, который зависит от конструкции сочленения: при резьбовом сочленении цилиндрический зазор, длина которого при наличии гайки равна толщине скобы, величина зазора зависит от конструкции сочленения _{н з} = (0,01...0,2) 10^-3 = 0.08 10^-3 м

3.5. Разработка эскиза электромагнита

На основании проведенных расчетов выполнен эскиз общего вида электромагнита, который представлен на рисунке 3. Рисунок 3.Эскиз электромагнита

3.6. Определение параметров катушки

Между конструкционными размерами катушки (ее каркаса и изоляционных деталей внутренней, промежуточной и наружной изоляции) и обмоточными данными (диаметром провода, выбранной маркой провода, числом витков и омическим сопротивлением обмотки) существуют определенные соотношения, которыми определяется намагничивающая сила (н.с.) обмотки.

Под «обмоткой» понимается часть катушки, занятой проводом, а катушка рассматривается как узел электромагнита. Различают обмотки последовательного и параллельного включения. При разработке данного аппарата используем обмотки параллельного включения, так как они работают при заданном напряжении, имеют весьма большое число витков малого сечения. Величина тока, протекающего по обмотке параллельного включения, определяется только ее параметрами. В электромагнитах постоянного тока с обмоткой параллельного включения исходным данным параметром является сечение обмоточного провода, а число витков выбирается из условий нагрева.

Выбираем проводник марки ПЭВ (провод эмалированный высокопрочный).

Обмоточные данные катушки (диаметр провода , количество витков и сопротивление обмотки R ) обеспечивают необходимую намагничивающую силу, мощность потерь , ток .

3.6.1 Расчет обмотки постоянного тока параллельного включения

Сечение голого (неизолированного) проводника

(3.21)

где – минимальное возможное напряжение, В;

(3.22)

где

l_ср.в – средняя длина обмотки для круглых катушек:

(3.23)

Диаметр голого провода

Величина мм принята равной ближайшему из возможных для выбранной марки провода диаметру , согласно ГОСТ 6324-52. Эта величина равна 0,63 мм.

Вид намотки у катушки выбираем неравномерный, в которой витки располагаются слоями, но точной укладки их не производится ( применяется в катушках с большим количеством витков из проводника малого диаметра), так как .

Рассчитаны уточненные (реальные) значения:

· сечение голого провода

· коэффициент заполнения медью продольного сечения обмотки

(3.26)

где –диаметр изолированного провода, м;

(3.27)

здесь -толщина изоляции. Выбирается согласно ГОСТ 6324-52, 7262-54, 2773-51, 7919-60, 10288-62 для выбранной марки провода ПЭВ. Величина

.

– коэффициент укладки проводников; применен в зависимости от способа намотки и диаметра провода в пределах 0,90… 0,95 – для рядовой намотки. Примем ;

– высота слоя обмотки. Для рядовой намотки:

;

Обмотка из проводника круглого сечения по условию размещения в отведенном пространстве электромагнита для рядовой обмотки:

(3.28)

При питании катушки от источника напряжения величина тока зависит от сопротивления обмотки, а оно, в свою очередь, от количества витков и длины проводника. Поэтому необходимо провести итерационный расчет, целью которого является обеспечение приемлемого значения реальной намагничивающей силы с учетом размещения проводников в отведенном пространстве электромагнита. Для проведения такого расчета, исходя из w и размеров , определяются:

· сопротивление обмотки в нагретом состоянии

(3.29)

Найден номинальный ток

· реальная плотность тока

· реальная намагничивающая сила катушки

Для поверочного расчета катушки на нагрев определяем максимально возможные потери в меди катушки при длительном режиме работы аппарата

(3.30)

где I_max – максимальный ток, потребляемый обмоткой

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения расчетно-графической работы, были применены полученные теоретические знания для решения практической задачи, так же использованы навыки поиска дополнительной справочной информации из учебной и нормативной литературы.

В ходе выполнения работы более подробно изучена конструкция аппарата, его характеристики. В работе были использованы допущения, ввиду того что, многие расчетные формулы составлялись по приближенным зависимостям, рассчитанным опытным путем.

CПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1.Нейман Л.А., Порсев Е.Г. Электричесие и электронные аппараты. Методическое руководство к курсовому проектированию. [Текст] – Новосибирск: НГТУ, 2009.-[4-8] c.

2. Сахаров П.В. Проектированиеэлектрических аппаратов. [Текст] – М : Энергия, 1971.-[9-15] c.

3. Чунихин А.А. Электронные аппараты. [Текст] – М : Энергоатомиздат, 1998.-[12-23] c.

4. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. [Текст] – М : Машиностроение, 2001.-[7-9] c.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: