Реферат: Расчет тягового электромагнита постоянного тока
на курсовую работу по дисциплине
студенту группы 9401 Садыкову Р.М.
«Расчет тягового электромагнита постоянного тока»
Тяговая электромагнитная сила 10 Н;
Номинальное напряжение 220 В;
Конструкция электромагнита клапанная;
Температура окружающего воздуха
Режим работы длительный;
Доцент Хуснутдинов Р.А.
Министерство общего и специального образования РФ
Казанский Государственный Технический
Университет им. А.Н. Туполева
Кафедра: ПЭД и ПрРЭА
«Расчет тягового электромагнита постоянного тока»
Выполнил: студент группы 9401 Садыков Р.М.
Проверил: Консультант Доцент Хуснутдинов Р.А.
на курсовую работу по дисциплине
студенту группы 9401 Садыкову Р.М.
«Расчет тягового электромагнита постоянного тока»
1. Исходные данные.
Тяговая электромагнитная сила 10 Н;
Номинальное напряжение 220 В;
Конструкция электромагнита клапанная;
Температура окружающего воздуха
Режим работы длительный;
Доцент Хуснутдинов Р.А.
Тяговая сила , развиваемая электромагнитом, вычисляется по формуле полученной на основе баланса энергии (энергетическая формула). В условиях равномерного распределения индукции в рабочем воздушном зазоре эта формула преобразуется в формулу Максвелла:
— это индукция в воздушном зазоре, Тл.
— магнитная проницаемость воздуха.
Задав Тл, можно определить:
Для электромагнита клапанного типа (ЭМК) площадь полюса:
а диаметр стержня:
Магнитодвижущая сила обмотки (МДС):
где k = — коэффициент падения МДС в стали.
= — напряженность магнитного поля в воздушном зазоре.
Отсюда следует что:
Среднее значение магнитной индукции в стали магнитопровода:
где – коэффициент рассеивания магнитного потока.
По основной кривой намагничивания для низкоуглеродистой стали, находим среднее значение магнитной напряженности в стали магнитопровода.
Сторона квадрата окна под обмотку возбуждения ЭМК:
падение МДС (магнитного напряжения) в стали. Средняя длина витков обмотки ЭМК:
Сечение провода (по меди):
где удельное электрическое сопротивление меди при температуре нагрева 75єС.
Диаметр провода (по меди):
Округляем до стандартного значения из таблицы №2.
По таблице №2 также находиться толщина изоляции на одну сторону:
Коэффициент заполнения по меди:
где коэффициент укладки.
Число витков находится по следующей формуле:
Плотность тока в проводе:
если неравенство не выполняется, следует увеличить (или уменьшить ).
Это значение удовлетворяет неравенству.
Температура нагрева обмотки:
Поверхность охлаждения ЭМК:
Коэффициент теплопередачи с поверхности обмотки зависит от превышения температуры . Выберем , тогда получаем:
Средняя температура нагрева обмотки:
3. Схема замещения магнитной цепи.
3.1 Схема замещения.
Отдельные элементы магнитной цепи (участки магнитопровода, воздушные зазоры и промежутки) изображаются на схеме замещения в виде магнитных сопротивлений, а намагничивающие обмотки с током — виде источников МДС. Магнитные сопротивления рассеяния и распределенную МДС в цепи заменяют несколькими сосредоточенными. Точность решения повышается с увеличением количества разбиений распределенных МДС, и магнитных сопротивлений рассеяния на соответствующие им элементарные сосредоточенные магнитные сопротивления и МДС. Если высоту сердечника обмотки разбить на три равные части, то схема замещения магнитной цепи будет иметь вид, показанной на рис 1.
— магнитное сопротивление якоря.
— магнитное сопротивление одного воздушного зазора.
— магнитное сопротивление броневой части сердечника.
— магнитное сопротивление центрального сердечника.
— магнитное сопротивление основания.
— МДС одной части разбиения.
— магнитные потоки соответствующих участков.
и — узлы магнитной цепи.
Конечной целью расчета магнитной цепи является определение коэффициентов и , выбранных произвольно из заданного диапазона значений.
3.2 Магнитные сопротивления схемы замещения.
Магнитопровод конструируют так, чтобы среднее сечение различных участков примерно одинаковыми.
Вышеприведенный расчет был по существу первым расчетным приближением, для того чтобы определить магнитные сопротивления.
Источник
Сила тяги электромагнита постоянного тока.
2015-07-14
10691
Зависимость тяговой силы электромагнита от рабочего зазора при неизменном токе в обмотке называется статической тяговой характеристикой электромагнита
Р=f (δ) при І=конст . Если в электромагните вместо линейного перемещения якоря предусмотрен его поворот, то под статической характеристикой понимается зависимость момента М на якоре от угла его поворота а, снятая при неизменном токе в обмотке.
Сила тяги, развиваемая электромагнитом, может быть рассчитана с помощью формулы Максвелла, полученной из анализа магнитного поля, действующего на поверхности полюсов. Если поле в рабочем зазоре равномерно и полюсы ненасыщены, то для электромагнита с одним рабочим зазором сила тяги
где Bδ и Φδ — индукция, Тл, и магнитный поток, Вб, в рабочем зазоре;
S — площадь полюса, м 2 ;.
μ0 – постоянная магнитная проницаемость, Гн/м;
Если клапанный электромагнит имеет два зазора при том же значении Φδ магнитного потока в зазоре, то сила тяги удваивается:
Зависимость Р=f (δ ) при неизменной МДС, называемая статической тяговой характеристикой, представлена на рис. 5.18 (кривая 1).
По мере уменьшения δ сила тяги резко возрастает и при δ = 0 стремится к бесконечности.
В действительности при δ >0 возрастает магнитный поток и увеличивается падение магнитного потенциала в магнитопроводе, причем только часть МДС оказывается приложенной к воздушному зазору. Кривая 2 на рис. 5.18 изображает зависимость Р = f (δ), снятую экспериментально. При больших зазорах, когда магнитный поток в магнитопроводе мал и падением магнитного потенциала в стали можно пренебречь, расчетная и экспериментальная кривые почти совпадают. При малых зазорах сила тяги имеет конечное значение.
2) Сила тяги электромагнита переменного тока. Магнитное сопротивление стали, активное сопротивление обмотки и потери в стали равны нулю; напряжение, ток и магнитный поток меняются синусоидально. При переменном напряжении ток в обмотке определяется в основном её индуктивным сопротивлением, которое резко меняется при перемещении якоря.
Для системы с двумя зазорами сила тяги: Рm = Φ²δ / 2 μ S
Мгновенную силу тяги в однофазном электромагните можно выразить через среднюю Р = ( Рm/2) –( Рm/2) cos2ωt
Мгновенное значение силы тяги пульсирует с двойной частотой по отношению к частоте тока и напряжения. Первый член – среднее значение силы за период. Второй член представляет переменную составляющую силы и наличие её приводит к вредным явлениям вибрации якоря в эл магните.
Изменение силы во времени отрицательно сказывается на работе электромагнита. Т к однофазный эл магнит имеет 2 полюса одинакового сечения, через который проходит один и тот же поток, мгновенная сила, действующая на якорь равна Ррез = 2 Р. Для притяжения якоря необходимо, чтобы среднее значение силы тяги было больше противодействующего усилия пружины.
В определённые моменты времени противодействующее усилие пружины становится больше силы тяги, что вызывает отрыв якоря от сердечника. Затем по мере нарастания силы тяги якорь вновь притягивается к сердечнику. В результате якорь непрерывно вибрирует, что нарушает работу контактов. Создаётся шум, расшатывается магнитная система. Для притяжения якоря необходимо, чтобы это среднее значение было больше противодействующего усилия пружины
Для устранения вибрации якоря в однофазных эл магнитах используют КЗ витки. Наконечник полюса расщепляется, и на его большую часть насаживается КЗ виток из меди или алюминия. Магнитный поток Ф, создаваемый намагничивающей обмоткой. Разветвляется на 2 части Фн и Фэ(от экранирующего витка). Благодаря чему уменьшается амплитуда пульсации силы. Результирующая сила , действующая на якорь, не ниже определённой минимальной величины.
В трёхфазном электромагните силы тяги, развиваемые под каждым полюсом равны
результирующая сила , действующая на якорь
Результирующая сила, действующая на якорь во времени не меняется. Однако вибрация полностью не устраняется. При прохождении магнитного потока в каждой фазе через нуль сила, развиваемая этой фазой, также равна нулю. В результате точка приложения равнодействующей силы тяги всех трёх фаз перемещается по телу якоря. Поскольку точка приложения противодействующей силы неизменна, то из-за этого возникает вибрация якоря.
д) Сравнение статических тяговых характеристик эл. магнитов постоянного и переменного тока.
1.Если площади полюсов электромагнитов одинаковы и одинаковы максимальные значения В m индукции в рабочих зазорах, то максимальное значение силы тяги эл. магнитапеременного тока равно силе тяги эл. магнита постоянного тока. : Рm = Ф2 / 2μ S =
2.Поскольку среднее значение силы при переменном токе Рср =Рm / 2, то средняя сила, развиваемая электромагнитом переменного тока, в 2 раза меньше силы,: развиваемой электромагнитом постоянного тока.
3.Недостатком электромагнитов переменного тока является и вибрация якоря. Применение короткозамкнутого витка с целью уменьшения вибраций приводит к снижению среднего значения силы тяги.
4. Известно, что сила тяги изменяется обратно пропорционально квадрату зазора.
В связи с этим электромагнит постоянного тока либо имеет малый рабочий ход якорядля обеспечения большей силы тяги, либо обмотка должна иметь большую МДС для создания необходимого магнитного потока при больше воздушном зазоре.
5.Для электромагнитов переменного токахарактерна слабая зависимость силы от величины воздушного зазора. Это объясняется тем, что с изменением зазора меняется индуктивное сопротивление обмотки. С ростом зазора растёт его магнитное сопротивление, но и растёт ток в обмотке, так что поток в зазоре падает только за счёт активного падения напряжения в обмотке. В связи с этим эл магнит переменного тока может работать при относительно больших ходах якоря.
6.К недостаткам эл магнитов переменного тока относится то, что слабо возрастающая по ходу якоря тяговая характеристика ограничивает возможности согласования её с нагрузочной характеристикой.
Тяговые характеристики электромагнита переменного тока могут быть улучшены при питании обмотки выпрямленным переменным током.
В электромагнитах переменного тока для компенсации активных потерь в стали приходится затрачивать дополнительную энергию. Это приводит к увеличению намагничивающего тока в обмотке. Материалы для эл. магнитов переменного тока должны иметь малые потери на вихревые токи и гистерезис. Магнитопроводы для таких эл. магнитов делаются шихтованными из пластин. Чем выше частота тока, тем меньше должна быть толщина пластин. Для быстродействующих эл. магнитов постоянного тока также применяются шихтованные Магнитопроводы, т.к. при этом уменьшаются вихревые токи, замедляющие нарастание потока.
Основные характеристики электромагнита
Основные параметры:
Мощность, потребляемая эл магнитом — предельная мощность может ограничиваться каквеличиной допустимого нагрева его обмотки, так и условиями питания обмотки эл магнита.
Коэф-т запаса – отношение МДС, соответствующей установившемуся значению тока, к МДС срабатывания Кз = Fу/Fср = Iу/Iср >1
Параметр срабатывания – минимальное значение тока или напряжения, при котором происходит срабатывание эл магнита (перемещение якоря)
Параметр отпускания (возврата)- максимальное значение тока или напряжения, при котором якорь возвращается в исходное положение. Отношение тока отпускания к току срабатывания называется коэф-том возврата Кв = Fв/Fср = Iв/Iср = 0,1…0,9
Источник
Электромагниты постоянного тока. Конструкции, уравнения рабочего процесса и основные характеристики электромагнитных преобразователей , страница 3
Наиболее общими являются динамические характеристики, которые учитывают изменение намагничивающей силы ЭМ в процессе его срабатывания за счет действия э.д.с. самоиндукции и движения, а также учитывают трение, демпфирование и инерцию подвижных частей. Однако получение динамических характеристик сопряжено с большой вычислительной работой. Поэтому в большинстве случаев, особенно когда не требуется точного определения времени срабатывания, ограничиваются рассмотрением статических характеристик. Последние получаются, если не учитывать влияния на электрическую цепь движущегося якоря ЭМ, а также не учитывать изменения потокосцепления по времени, т.е. считать, что ток в обмотке электромагнита неизменен.
Статическая тяговая характеристика – зависимость тяговой силы от размера зазора d между опорными поверхностями подвижного и неподвижного полюсов при неизменном значении тока I обмотки.
Электромагнитная тяговая сила:
где Y — потокосцепление;
I — ток обмотки;
F — МДС обмотки;
Ф — приведенный магнитный поток.
F = , Ф = Y/ ,
где — число витков обмотки.
При рассмотрении магнитной системы ЭМП как цепи с распределенными параметрами, получается следующее выражение:
где Fk — падение магнитного напряжения на k-м изменяющемся при изменении d
зазоре (рабочем зазоре);
Lk — магнитная проводимость k-го рабочего зазора;
n — количество рабочих зазоров.
В некоторых случаях более удобным оказывается выражение:
где Ф k — магнитный поток через k-й зазор;
Rk — магнитное сопротивление k-го зазора.
Если расстояние между плоскими одинаковыми параллельными торцами двух полюсов намного меньше линейных размеров их поперечного сечения, тяговая сила этих полюсов может быть определена так:
где — магнитный поток через торцы полюсов;
— магнитная индукция в зазоре (между торцами полюсов);
— магнитная постоянная ( = 4p*10 -7 Гн/м);
S — площадь торцов полюсов.
Форма тяговой характеристики зависит от конструкции и формы магнитопровода и от МДС обмотки. Наиболее сильное влияние на вид тяговой характеристики оказывает форма опорных поверхностей рабочего зазора (зазора между неподвижной и подвижной частями магнитопровода).
Площадь под тяговой характеристикой при токе I (МДС F) определяет полезную механическую работу (работоспособность) A (рис. 10, а). Работоспособность ЭМП также определяется через характеристики потокосцепления Y (I) или приведенного магнитного потока Ф(F), соответствующие начальному и конечному зазорам (рис. 10, б). В процессе срабатывания ЭМП преодолевает противодействующие усилия механизма или электрического аппарата. При начальном положении якоря тяговое усилие ЭМП возрастает с ростом тока его обмотки. Ток, при котором тяговая сила становится равной противодействующей (вызывает начало движения якоря) называется током трогания Iтр. Значение Iтр характеризует электромагнитный механизм, то есть ЭМП совместно с механизмом, приводимым им в действие.
Пока Iу Iтр зависимость имеет также характер, близкий к экспоненциальному, с постоянной времени T. При заторможенном якоре этот характер сохраняется до установившегося состояния (пунктирная кривая на рис. 11). Если же якорь не заторможен, то в момент времени трогания tтр (i=Iтр) якорь начинает двигаться (зазор уменьшается). Поскольку при этом индуктивность L обмотки увеличивается, то в ней появляется противо-ЭДС движения i(dL/dt), и ток начинает уменьшаться относительно значений при неподвижном якоре. Этот процесс продолжается до момента срабатывания tсраб= tтр+ tдв (где tдв — время движения якоря), когда якорь ударяется о сердечник. Сначала ток растет сравнительно медленно (T1>> T), т.к. при малых токах и притянутом якоре индуктивность обмотки велика. При увеличении тока магнитопровод насыщается и дифференциальная индуктивность уменьшается, что приводит к увеличению скорости нарастания тока (T2 3
Источник
Электромагниты постоянного тока
Прежде чем рассматривать электромагниты постоянного тока, необходимо выяснить принцип их работы. Основой всех электромагнитов является соленоид, представляющий собой катушку с намотанными вплотную витками. Длина любого соленоида значительно превышает его диаметр.
Принцип действия
Простейший электромагнит получается в том случае, когда внутрь соленоида помещается стальной сердечник, а через витки пропускается электрический ток. В результате, происходит намагничивание сердечника, который приобретает свойства постоянного магнита. Таким образом, получается электромагнит, в котором стальной сердечник, при отсутствии электрического тока, полностью размагничивается.
Магнитное поле, создаваемое электромагнитом, значительно выше поля соленоида. В данном случае, поле сердечника накладывается на поле соленоида и, в конечном итоге, совместное магнитное поле, полученное при воздействии электрического тока, существенно возрастает.
Данное изобретение широко используется в электротехнике в качестве электромагнитов постоянного тока. Основное применение эта конструкция нашла в исполнительных механизмах, чаще всего, в тормозных устройствах различных подъемных механизмов.
Устройство электромагнита постоянного тока
На практике, существуют электромагниты постоянного тока с магнитопроводящим корпусом, имеющем фланцы. В корпусе устанавливается катушка, внутри которой размещаются два якоря. Якорные полюса имеют форму усеченного конуса, позволяющую им взаимодействовать между собой. От катушки и фланцев якоря отделяются. Они оборудованы тягами, имеющими на концах шаровые соединения, обеспечивающие связь с внешними нагрузками.
В дополнение ко всему, электромагнит имеет два ограничителя, расположенные на якорях. Эти ограничители обеспечивают соприкосновение якорей между собой в определенной точке, при их движении навстречу друг другу. Дополнительное отделение якорей от катушки и фланцев производится при помощи специальных гильз, изготовленных из немагнитных материалов.
Дополнительные конструкции электромагнита
В большинстве конструкций совпадение якорей по осям обеспечивается с помощью центрирующего узла, представляющего собой вал из немагнитных материалов. Один конец данного вала жестко закрепляется в осевом отверстии первого якоря и имеет возможность перемещаться вдоль. Другой конец вала устанавливается в осевое отверстие второго якоря с применением подшипников скольжения.
Данная конструкция недостаточно надежна, поскольку существует возможность заклинивания свободного конца вала из-за попадания посторонних предметов. Эту проблему решают электромагниты постоянного тока, применяемые в центрирующем узле и обеспечивающие надежную работу вала при заклинивании одного из его концов.
Источник