Обмотка электромагнитных катушек постоянного тока

Порядок расчета катушки электромагнитного аппарата при постоянном токе

А. При конструктивном расчете катушек электромагнита известны:

1) напряжение питающей сети (если обмотка электромагнита присоединена к сети параллельно) или питающий ток (в случае последовательного включения катушки в сеть);

2) размеры магнитопровода, а также величина воздушного зазора, соответствующая заданному рабочему ходу якоря;

3) величина необходимого для данного зазора магнитного потока.

В этом случае расчет сводится к определению обмоточных данных и размеров катушки электромагнита. Так как при заданной величине рабочего хода якоря электромагнит должен создавать определенное тяговое усилие, то на практике обычно бывает задан не магнитный поток, а непосредственная величина электромагнитного усилия.

Магнитный поток в рабочем воздушном зазоре при этом определяется из выражения

где индукция в рабочем зазоре .

Исходной величиной для расчета катушки электромагнита в данном случае является н.с., которая должна создать необходимый для заданных усилия и зазора магнитный поток. Поэтому, прежде всего, определяют величину н.с. по заданному магнитному потоку и геометрическим размерам цепи.

1. Магнитная цепь (рис. 9-5, а) содержит участки стального сердечника и якоря, а также воздушный зазор d, через который замыкается основная часть рабочего потока.

Сердечник магнитопровода имеет цилиндрическую форму; ярмо и якорь выполнены из стали одинакового прямоугольного сечения.

Намагничивающая сила равна:

где Н – напряженности поля на участках сечения сердечника, якоря и воздушного зазора, а / см.

Магнитная индукция в сердечнике ; индукция в якоре и ярме

Далее, по кривой намагничения для заданного материала (рис. 9-5, б) определяют значения напряженности поля в якоре и ярме и в сердечнике электромагнита (Н_я и Н_с), соответствующие полученным значениям В_я и В_с. Кривая 1, приведенная на рис. 9-5, б, представляет собой зависимость В = f (Н) для литой стали. Магнитная индукция и напряженность поля в воздушном зазоре связаны выражением В = m₀Н₀. Для пустоты

Радиальный размер катушки

Осевой размер катушки

3. Обмоточные данные катушки.

а) При заданном напряжении катушки (параллельное включение) геометрическое сечение катушки

Так как фактически часть окна магнитопровода занята изоляцией провода, в расчет вводится так называемый коэффициент заполнения медью окна электромагнита k₃.

Коэффициент заполнения зависит от формы сечения провода, толщины и рода изоляции и размера провода:

где q – сечение провода, мм 2 ;

w – число витков катушки.

Для круглого обмоточного провода с эмалевой изоляцией коэффициент заполнения изменяется в зависимости от диаметра провода следующим образом:

Средняя длина витка катушки

где r — электрическое удельное сопротивление меди для катушки в нагретом состоянии; при r₀ = 0,0175 для J = + 75 0 С;

a — температурный коэффициент меди (a = 0,004).

После того как сечение провода вычислено, выбирается ближайшее большее значение сечения в соответствии со стандартом на обмоточную медь.

Для выбранной марки провода 9при намотке катушек аппаратов наиболее употребителен провод марок ПЭ и ПЭЛ с эмалевой изоляцией) при известном диаметре провода находят соответствующее значение k₃ и определяют число витков катушки:

Проверка соответствия тока требуемой н.с. производится исходя из н.с. катушки равной Iw. Полученная величина сравнивается с величиной н.с. согласно п. 1. При расхождении этих величин производится повторный расчет при других величинах q, k₃, l_сред.

Затем по известному сечению провода определяют фактическую плотность тока j £ (2 – 3) а / мм 2 (при кратковременной нагрузке до 5 а / мм 2 ).

Проверка нагревания катушки электромагнита производится исходя из величины теплоотдающей поверхности катушки. Теплоотдача катушки происходит в разных случаях различно; в зависимости от того, имеется ли контакт катушки с изоляцией или стальными деталями магнитопровода, теплоотдача ее может иметь место на наружной или внутренней поверхности, целиком или частично.

Превышение температуры катушки над температурой окружающей среды при тепловых потерях в сопротивлении обмотки Q и величине теплоотдающей поверхности F_к равно:

где a — коэффициент теплоотдачи:

a » 0,08 ¸ 0,25 вт / дм 2 × 0 С для разных случаев положения катушки в пространстве, формы и контакта ее с другими деталями аппарата.

Например, для пропитанных катушек, намотанных на изоляционном каркасе и забандажированных изоляционной лентой,

a = 0,1 – 0,15 вт / дм 2 × 0 С.

б) При заданном токе катушки (последовательное включение) порядок определения обмоточных данных катушки следующий:

Падение напряжения в активном сопротивлении катушки .

Приведенный выше метод расчета катушки электромагнита является приближенным. При более точном методе расчета учитывается влияние магнитных потоков рассеяния, которые замыкаются по воздуху и стали вокруг катушки и несколько снижают величину индукции в рабочем зазоре.

Б. При поверочном расчете катушки известны напряжение питающей сети, размеры и обмоточные данные катушки и размеры магнитопровода.

Поэтому в данном случае исходят из определения н.с. катушки, с помощью которой находят магнитный поток, и проверки требуемых величин В и F в соответствии с заданными размерами.

Расчет сводится к проверке величины электромагнитного усилия и производится в следующем порядке:

1. Определяют сопротивление катушки по известным обмоточным данным:

2. Находят величину тока ; проверяют плотность тока: .

3. Определяют н.с., так как число витков катушки известно (Нl = Iw).

4. Величину магнитного потока, соответствующего полученной н.с., можно наиболее просто определить следующим образом:

где R – магнитное сопротивление в стали магнитопровода;

R₀ – то же для воздушного зазора.

Для определения этого слагаемого находят Н_с, так как длина l_с известна.

Для этого задаются рядом значений индукций в диапазоне допустимых для электроаппаратов величин (В £ 15000 гс). Далее, по кривой намагничивания для заданного материала магнитопровода определяют ряд значений для напряженности поля Н_с.

Для выбранных значений индукций подсчитывают также величину ФR₀ = 0,8Вd.

Складывая полученные величины ФR_с и ФR₀, находят Iw.

Строят кривую зависимости Ф = f (I w).

На построенной кривой находят искомый магнитный поток, соответствующий заданной н.с.

5. По известной величине магнитного потока определяют индукцию В:

6. Проверяют величину электромагнитного усилия F:

7. Подсчитывают конечную температуру катушки.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Отличие электромагнита постоянного тока от электромагнита переменного тока, назначение и принцип работы короткозамкнутого витка

Магнитная система электромагнитов постоянного и переменного тока различная. У электромагнита постоянного тока относительно небольшой зазор d, а сам магнитопровод может быть выполнен из сплошного цельного куска электротехнической стали.

У магнитов переменного тока система шихтованная, набранная из тонких листов электротехнической стали.

Так как через катушку протекает переменный ток, то и магнитный поток Ф изменяет свое направление и в какие то моменты времени становится равным нулю. В этом случае противодействующая пружина будет отрывать якорь от полюсного наконечника и возникнет дребезг якоря. Для устранения этого явления используются либо многофазовые электромагниты, либо короткозамкнутое кольцо, которое устанавливается на расщепленной части полюсного наконечника. Так как у катушек переменного тока определяющим является индуктивное сопротивление, а оно зависит от индуктивности, то в первоначальный момент , когда рабочий зазор d максимален и индуктивность минимальна, ток якоря максимален, то есть имеется бросок тока через катушку. При минимальном зазоре, когда якорь соприкоснется с полюсным наконечником, индуктивность возрастет и ток возрастет.

В электромагнитах переменного тока магнитное сопротивление зависит не только от , l, S сердечника, но и от потерь в стали и наличия короткозамкнутых обмоток, расположенных на сердечнике.

Катушка электромагнита постоянного тока выполняется достаточно высокой и тонкой, для улучшения условий охлаждения (потери мощности на постоянном токе только на чисто активном сопротивлении проводника).

Катушка электромагнита переменного тока выполняется более низкой, т.к. кроме потерь мощности в активном и индуктивном сопротивлении катушки имеются потери мощности на перемагничивание сердечника.

Как известно в электромагнитах переменного тока ток в обмотке сильно зависит от положения якоря. В клапанных элек­тромагнитах ток в притянутом состоянии в десятки раз меньше, чем при отпущенном якоре. Это затрудняет создание максимальных реле напряжения на базе клапанной системы, так как при напря­жениях, близких к напряжению срабатывания, через обмотку про­текает большой ток, выделяется мощность, в сотни раз превышаю­щая мощность в обмотке при притянутом якоре. Приходится сильно увеличивать габариты катушки, чтобы рассеивать большую мощ­ность, выделяемую при отпущенном якоре. Большим преимуществом реле серии ЭН является относительно небольшое изменение маг­нитной проводимости, в результате чего ток в обмотках мало ме­няется при повороте якоря. Это дает возможность иметь малые га­бариты обмоток.

Если отрывное усилие электромагнита будет Р_ОТР, то дважды за период в точке А (рис. 6, в) якорь электромагнита будет от­падать, а в точке В — снова притягиваться, т. е. будет вибрировать с двойной частотой. Вибрация приводит к износу магнитной сис­темы и сопровождается гудением.

­

Рис.6. Кривая изменения силы притяжения электромагнита

переменного тока без короткозамкнутого витка.

Для устранения вибрации электромагни­ты переменного тока снабжаются короткозамкнутыми витками (рис.7, а) из проводниковых материалов (медь, латунь), охватывающими часть полюса электромагнита (70 — 80%).

Принцип работы витка заключается в следующем. Общий поток электро­магнита Ф разветвляется на поток Ф₁, который проходит по не охваченной витком части полюса, и на поток Ф₂, который проходит через часть, охва­тываемую короткозамкнутым витком. При этом в витке индуцируется ЭДС е_К.З, и возникает ток i_К.З., сдвинутый по отношению к е_К.З. на угол

Рис.7. Принцип работы короткозамкнутого витка

в электромагнитных системах переменного тока.

и опре­деляемый весьма незначительной индуктивностью витка. Для упрощения принимаем = 0. Ток i_К.З , возбуждает магнитный поток Ф_К.З., который охватывает короткозамкнутый виток и вместе с частью основного потока образует поток Ф₂,проходящий через часть полюса, охваченную витком, и сдвинутый во вре­мени по отношению к потоку Ф₁ на угол (рис.7, б и в).

Сила притяжения электромагнита Р складывается из двух пульсирующих, но сдвинутых во времени сил Р± и Р₂ (рис.7, г). Благодаря сдвигу их во времени общая сила Р пульсирует много меньше и минимальное значение ее остается выше Р_ОТР, чем и исключается вибрация якоря.

Источник

Обмотка электромагнитных катушек постоянного тока

Выбор провода. В первую очередь следует ориентировочно выбрать диаметр провода марки ПЭЛ или какой-либо другой марки. Так как расчет несложный, его можно выполнить для проводов различного сечения и выбрать тот, который дает наилучшие результаты по напряженности магнитного поля при минимальной мощности потребляемой электромагнитом.

Выбрав диаметр провода, необходимо вычислить для него площадь поперечного сечения 5пр и допустимую для него силу тока/, исходя из минимального ее значения плотности, равной 2 а /_{мм 2} ,

Для проводов марки ПЭЛ эти данные приведены в справочнике [21].

Определение длины провода в обмотке электромагнита. Общая длина провода l_пр будет равна

где U — напряжение источника питания, в;

R — сопротивление обмотки, ом;

S_np — площадь поперечного сечения провода, м 2 ;

ρ — удельное сопротивление меди, равное 1,7*10 -8 ом*м 2 /_м;

I — допустимая сила тока, а.

Вычисление глубины выемки в сердечнике и расчет количества слоев (рядов) провода, умещающегося в ней. Зная глубину а [уравнение (15)] выемки в сердечнике электромагнита и отняв от нее толщину изоляции δ_и, находят активную глубину выемки

Эта величина позволяет вычислить количество слоев провода, умещающегося в этом пространстве. Так как каждый слой провода должен быть покрыт трансформаторной или конденсаторной бумагой слоем δ_ми = 0,02 мм, то толщина каждого слоя обмотки будет составлять

Количество слоев n_сл провода можно получить, разделив активную глубину а_ак выемки сердечника на толщину слоя, т. е.

Определение длины среднего витка обмотки. Для нахождение общего числа витков обмотки электромагнита требуется знать длину среднего витка. Для этого необходимо предварительно вычислить радиусы наименьшего и наибольшего витков обмотки. Радиус наименьшего витка r_ним, очевидно, будет равен сумме

где r_с — радиус сердечника электромагнита, равный половине диаметра d_п, мм;

δ_и — толщина слоя изоляции между сердечником и обмоткой, мм;

r_пр — радиус провода с изоляцией, равный половине диаметра d_пр, мм.

Радиус наибольшего витка r_макс будет равен

Зная радиусы наименьшего и наибольшего витков, не трудно вычислить радиус среднего витка как среднее арифметическое

Длина среднего витка l_ср будет равна

Определение общего числа витков провода и количества их в одном слое. Разделив длину провода l_пр, найденную ранее, на длину Среднего витка l_cр, получают общее количество витков w в обмотке

Число витков w_сл провода в одном слое можно найти, разделив общее число витков w на количество слоев n_сл

Определение высоты выемки в сердечнике электромагнита. Эту величину h_п вычисляют по уравнению

где w_сл — число витков провода в одном слое;

d_пp — диаметр провода с изоляцией, мм;

δ_и — толщина изоляции между полюсным наконечником и обмоткой, мм;

α — коэффициент неплотности намотки, который практически можно принять равным 0,98-0,99 * .

* ( При малых размерах катушки коэффициент α можно принять равным 1.)

Определение напряженности магнитного поля в зазоре электромагнита. Выше были определены размеры сердечника электромагнита, количество витков провода в нем и величина зазора между полюсными наконечниками и корпусом прибора. Теперь следует проверить соответствие габаритов и обмотки электромагнита с магнитными свойствами его. Для этого необходимо вычислить напряженность магнитного поля в зазоре, пользуясь уравнением закона полного тока

где I — сила тока в обмотке, а;

w — количество витков провода в обмотке;

Н₀ — напряженность магнитного поля в зазоре, а/м;

l₀ — величина зазора, м;

Н_с — напряженность магнитного поля в сердечнике, а/м;

l_с — величина средней линии сердечника, равная длине магнитного потока в нем, м;

Н_т — напряженность магнитного поля в корпусе электромагнита, а/м;

l_т — длина магнитного потока в корпусе прибора, м.

Величинами Н_cl_c и H_тl_т можно пренебречь, так как они малы по сравнению с величиной H₀l₀. Тогда уравнение закона полного тока в упрощенном виде будет иметь вид

Такие магнитные системы обычно имеют коэффициент полезного действия Э_ф в пределах 0,8-0,9, поэтому расчет электромагнитной системы можно считать выполненным, если напряженность магнитного поля с учетом Э_ф, равного 0,8, будет не менее 130000-150 000 а/м, т. е.

Определение количества провода, необходимо для изготовления обмотки. В справочной литературе [18] приведен вес, m 100 м провода с изоляцией, выраженный в граммах. Общий вес тпр провода, необходимого для изготовления обмотки электромагнита, равен величине

Определение общей длины прибора. Ранее из уравнений (13) и (26) были найдены высота полюсных наконечников l_п и высота выемки h_п под обмотку электромагнита. По этим величинам можно определить длину сердечника L_с в миллиметрах

К этой величине следует добавить L_к на крышку и днище с патрубками прибора и L_B для свободного пропуска потока воды и размещения кожуха электромагнита в корпусе. Таким образом, общая длина прибора L выразится суммой L = L_C + L_к + L_B мм.

Пример. Расчет прибора для магнитной обработки воды на двигателе ЗИЛ-130. Расстояние между патрубками, находящимися на радиаторе, до патрубка на водяном насосе составляет 0,24 м (240 мм). Ориентировочно размер всего прибора можно принять равным 0,2 м (200 мм).

Площадь поперечного сечения S_з кольцевого зазора следует взять равной площади поперечного сечения шланга с внутренним ∅ 0,045 м (45 мм) и с площадью поперечного сечения 0,0016 м 2 (1600 мм 2 ).

Исходя из свободного пространства, имеющегося на двигателе, ?Дружный диаметр корпуса D_к прибора можно взять равным 120 мм.

При толщине стенок корпуса 4 мм внутренний диаметр корпуса прибора должен быть

Диаметр кожуха электромагнита D_к0 будет равен согласно уравнению (11)

Диаметр D_п полюсного наконечника равен [по уравнению (12)]

Высота полюсного наконечника l_п составит [см. уравнение (13)]

Диаметр сердечника электромагнита d_п согласно уравнению (14)

Конструктивно можно эту величину сократить до 40 мм, т. е. d_п = 40 мм. Глубина а выемки под обмотку электромагнита согласно уравнению (15)

Величина зазора l₀ между корпусом электромагнита и полюсным наконечником равна

Пример. Расчет обмотки электромагнита. Пусть для изготовления обмотки выбран провод ПЭЛ с диаметром 0,9 мм и с площадью поперечного сечения 0,6362*10 -6 мг (0,6362 мм 2 ). Допустимая сила тока для данного сечения провода [18] равна 1,27 а.

Сопротивление всей обмотки электромагнита составляет

* ( Напряжение источника питания — аккумуляторной батареи.)

Длина провода l_пр для намотки электромагнита

Активная глубина выемки по уравнению (18) равна

Количество слоев провода п_сл, умещающегося в этом пространстве, согласно уравнению (19) равно

Радиус r_мин наименьшего витка [по уравнению (20)] равен

Радиус максимального витка [по уравнению (21)] равен

Радиус среднего витка r_ср [см. уравнение (22)]

Длина среднего витка составит по уравнению ,(23)

Общее количество витков провода в обмотке электромагнита со гласно уравнению (24) равно

Количество витков провода в одном слое [ом. уравнение (26)]

Для данного количества витков провода необходимо пространство, равное величине h_п [по уравнению (26)] при а = 1

Общая высота сердечника L_c электромагнита по уравнению (29)

Напряженность магнитного поля в зазоре магнитной системы, вычисленная по упрощенному уравнению закона полного тока, будет равна [см. уравнение (27)]

При коэффициенте полезного действия магнитной системы, равном Э_ф = 0,8, напряженность магнитного поля будет равна 133 440 а/м (1668 э) и близка к рекомендуемой 120 тыс. а/м (1500 э).

Для изготовления обмотки электромагнита потребуются провода [21] см. уравнение (28)

Мощность Р, потребляемая электромагнитом,

где m_к — число катушек электромагнита.

Если высота сердечника L_c по расчету равна 104 мм, то к этой величине следует прибавить L_K = 90 мм и L_B = 25 мм. Тогда общая длина прибора L составит

Для более свободного размещения прибора необходимо укоротить нижний патрубок, идущий от радиатора, на 30-35 мм. Это увеличит расстояние между патрубками до 275 мм. Если прибор прикрепить на резьбе к нижнему патрубку, то расстояние между прибором и патрубком на водяном насосе будет равно 70-75 мм, что будет вполне достаточным для размещения резинового шланга. Для того чтобы прибор не висел на отрезке шланга на двигателе, на блоке цилиндров следует установить кронштейн и к нему прикрепить прибор при помощи хомута.

Источник



Расчет обмоток электромагнитов

В результате расчета магнитной цепи определяется не­обходимая МДС обмотки. Обмотка должна быть рассчитана таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить требуе­мую МДС, а с другой — чтобы ее максимальная темпера­тура не превышала допустимой для используемого класса изоляции.

В зависимости от способа включения различают обмот­ки напряжения и обмотки тока. В первом случае напряже­ние, приложенное к обмотке, постоянно по своему действу­ющему значению, во втором — сопротивление обмотки электромагнита намного меньше сопротивления остальной части цепи, которым и определяется неизменное значение тока.

Расчет обмотки электромагнита постоянного тока.

На рис. 4.8 показаны магнитопровод и катушка электро­магнита. Обмотка 1 катушки выполняется изолированным проводом, который наматывается на каркас 2.

Катушки могут быть и бескаркасными. В этом случае витки обмотки скрепляются ленточной или листовой изоляцией либо заливочным компаундом.

Для расчета обмотки напряжения должны быть заданы напряжение и МДС.

Сечение обмоточного провода находим, исходя из потребной МДС:

где — удельное сопротивление; — сред­няя длина витка (рис. 4.8); — сопротивление обмотки, равное .

Из (4.13) следует, что при неизменной средней длине витка и заданном МДС определяется произведением .

Если при неизменном напряжении и средней дли­не витка требуется увеличить МДС, то необходимо взять провод большего сечения. При этом обмотка будет иметь меньшее число вит­ков. Ток в обмотке возрас­тет, так как сопротивление ее уменьшится за счет уменьшения числа витков и увели­чения сечения провода.

Мощность, выделяющаяся в обмотке в виде тепла, определяется следующим образом: .

Число витков обмотки при заданном сечении катушки определяется коэффициентом заполнения по меди , где – площадь, зани­маемая медью обмотки; – сечение обмотки по меди. Число витков . Тогда мощность, потребляемая обмоткой, определится выражением

Для расчета обмотки тока исходными параметрами яв­ляются МДС и ток цепи .

Число витков обмотки нахо­дится из выражения . Сечение провода можно выбрать исходя из рекоменду­емой плотности тока, равной 2…4 А/мм 2 для продолжитель­ного, 5…12 А/мм 2 для повторно-кратковременного, 13…30 А/мм 2 для кратковременного режимов работы.

Эти значения можно увеличить примерно в 2 раза, если срок службы обмотки и электромагнита не превышает 500 ч. Площадь окна, занимаемого рядовой обмоткой, определяется числом витков и диаметром провода

Зная , можно определить среднюю длину витка, сопротивление обмотки и потери в ней. После этого может быть проведена оценка нагрева обмотки.

Расчет обмотки электромагнитов переменного тока.

Исходными данными для расчета обмотки напряжения являются амплитуды МДС, магнитного потока и напряжение сети. Напряжение сети уравновешивается активным и реактивным падениями напряжения

где и – действующие значения напряжения и тока, соответственно.

Поскольку ток и сопротивление могут быть рассчитаны только после определения числа витков, то формула (4.15) не позво­ляет сразу найти все параметры обмотки. Задача решает­ся методом последовательных приближений.

Так как активное падение напряжения значительно меньше реактивного, то в начале расчета принимают .

Тогда число витков обмотки .

Сечение провода определяют, задавшись плотностью тока в зависимости от режима работы. Выбрав стандартный диаметр и способ ук­ладки провода, находим коэффициент заполнения и пло­щадь окна обмотки .

После этого определяем среднюю длину витка и активное сопротивление обмотки .

Если после подстановки полученных данных в (4.15) ле­вая часть отличается от правой более чем на 10 %, то не­обходимо варьировать число витков до получения удовле­творительного совпадения.

После расчета проводится проверка обмотки на на­грев. Расчет ведется так же, как и для обмоток постоянно­го тока.

Особенностью является нагрев магнитопровода за счет потерь от вихревых токов и гистерезиса. Отвод вы­деляемого в обмотке тепла через сердечник затруднен, точка с максимальной температурой лежит на внутрен­нем радиусе обмотки. Для улучшения охлаждения стре­мятся увеличивать поверхность торцов катушки при умень­шении ее длины.

Источник