Расчёт и проектирование тягового электромагнита

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

" ГОСУНИВЕРСИТЕТ-УЧЕБНО-НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС"

Кафедра: «Автоматизированные процессы и машины бесстружковой обработки материалов»

Курсовой проект по дисциплине

" Технические средства автоматизации"

Тема: «Расчёт и проектирование тягового электромагнита»

Студент Зайцев Р.В.

Группа 31-АП Руководитель Короткий Г. П.

Орёл, 2014 г.

Задание на курсовой проект

по дисциплине «Технические средства автоматизации»

студенту группы 31-АП Зайцеву Р. В.

Исходные данные:

1. Напряжение источника питания системы: 220±10% В, 50 Гц

2. Напряжение питания электромагнита: 24 В

3. Требуемые характеристики системы:

а) ход якоря — 0.005 м б) начальное усилие без учета действия пружины — 36 Н в) усилие пружины — 3,6 Н г) режим работы — длительный д) максимальная температура корпуса — 60^_С

4. Условия эксплуатации:

а) температура окружающей среды — 20^_С б) требуемый ресурс — 1Е10⁶ циклов Вопросы, подлежащие разработке:

1. Выбор типа конструкции электромагнита

2. Расчет размеров магнитопровода, параметров обмотки

3. Расчет источника питания Чертежи:

1. Сборочный чертеж электромагнита

2. Деталировка (4 — 5 основных деталей)

3. Принципиальная схема источника питания и эскиз трансформатора

4. Нагрузочная характеристика электромагнита

5. Внешняя характеристика выпрямителя Дата выдачи задания: _________________

Дата защиты проекта: _________________

Руководитель Короткий Г. П.

Аннотация

Целью данного курсового проекта является разработка тягового электромагнита. Проект состоит из пояснительной записки и графической части.

Пояснительная записка включает в себя выбор конструктивного типа и формы стопа электромагнита, проектный расчёт размеров магнитопровода и параметров обмотки, расчёт пружины сжатия и расчёт источника питания.

Графическая часть состоит из 2-х листов формата А1. Первый — сборочный чертёж электромагнита, второй — рабочие чертежи деталей и 1 — й включает в себя: нагрузочную характеристику электромагнита и выпрямителя, блок питания, эскиз магнитопровода трансформатора.

Все необходимые расчёты приведены в пояснительной записке.

• Введение
• 1. Расчет электромагнита
• 1.1 Уточнение формы стопа
• 1.2 Определение основных параметров электромагнита
• 1.3 Определение остальных размеров магнитопровода
• 2. Расчёт винтовой пружины
• 2.1 Нахождение граничных значений силы F3
• 3. Расчёт источника питания
• 3.1 Расчёт выпрямителя
• 3.2 Расчёт трансформатора
• Заключение
• Список использованных источников

Курсовой проект посвящен разработке электромагнитов, используемых в качестве исполнительных устройств в автоматических системах и средствах автоматики. Электромагниты служат для преобразования электрического тока в механическое перемещение с целью воздействия на регулирующий орган объекта управления. Они являются наиболее распространенными преобразователями электрического сигнала в механическое перемещение.

Они способны работать как на постоянном, так и на переменном токе. Однако электромагниты постоянного тока применяются намного шире, чем электромагниты переменного тока, поскольку при одинаковых размерах они развивают большее тяговое усилие, имеют более высокую стабильность параметров, конструктивно проще и дешевле. Для их питания используется сеть переменного тока и встроенный выпрямитель.

Для разработки и проектирования тягового электромагнита необходимо определить его конструкцию, рассчитать многочисленные параметры электромагнита и источника питания.

1. Расчет электромагнита

Требуется определить размеры магнитопровода и параметры катушки, обеспечивающие заданные характеристики при минимальных габаритах.

1.1 Уточнение формы стопа

(1)

где ход якоря, м;

конструктивный фактор;

P - тяговое усилие, Н.

(2)

где тяговое усилие, которое должен развивать электромагнит в начале хода якоря, Н;

усилие пружины, Н.

(3)

Определим усилие пружины:

(4)

Определим усилие пружины тяговое усилие электромагнита:

1.2 Определение основных параметров электромагнита

Рисунок 1 — Эскиз электромагнита.

1) Диаметр якоря электромагнита

(5)

(6)

где магнитная постоянная; магнитная индукция в рабочем зазоре. Значение магнитной индукции в рабочем зазоре находим по графику [1]:

;

;

.

2) Наружный диаметр электромагнита

(7)

.

3) Длина электромагнита

(8)

где паразитный зазор, м;

удельное сопротивление провода, Омм;

удельная мощность рассеяния, Вт/.

Примем

, (9)

где удельное сопротивление медного провода при 20;

температурный коэффициент медного провода.

По графику принимаем .

.

4) Отношение габаритных размеров электромагнита и их оценка

Значение принадлежит интервалу (0,7…1,8), следовательно, конструктивное оформление втяжных электромагнитов можем считать удачным.

5) По принятому диаметру якоря уточняется значение магнитной индукции:

(10)

6) По графику определяем значение поправочного коэффициента относительного падения магнитодвижущей силы [1]:

7) Максимальное значение магнитной индукции

(11),

1.3 Определение остальных размеров магнитопровода

1) Внутренний диаметр магнитопровода

(12), .

2) Толщина фланца

(13),

3) Длина окна магнитопровода под катушку

(14), .

4) Длина стопа

(15),

1.4 Определение параметров катушки

1) Средний диаметр катушки

(16)

где толщина каркаса, м (примем);

зазор между катушкой и корпусом, м (примем .

.

2) Диаметр провода

(17)

.

3) Выбираем марку провода

По рекомендациям таблицы выбираем марку провода ПЭВ-2 с двумя слоями высокопрочной эмали ВЛ-931 и максимальной рабочей температурой .

Диаметр провода принимаем из стандартного ряда: .

Диаметр провода данной марки в изоляции: .

4) Высота намотки катушки

(18)

.

5) Длина катушки

(19)

.

6) Число витков катушки

(20),

7) Сопротивление катушки при нормальных условиях (

(21)

8) Длина намоточного провода

(22)

1.5 Построение нагрузочной характеристики электромагнита

Зависимость между тяговым усилием электромагнита и ходом якоря выразим из формулы:

Рисунок 2 — Нагрузочная характеристика электромагнита.

2. Расчёт винтовой пружины

Исходные данные:

Пружина сжатия

Сила пружины при предварительной деформации, F1 = 3,6 (Н);

Сила пружины при рабочей деформации, F2 = (1,5−2) F₁; F2 = 5,4 (Н);

Рисунок 3 — Эскиз пружины сжатия.

2.1 Нахождение граничных значений силы F3

(23)

(24)

.

В данном интервале выбираем пружину сжатия и растяжения разряда 1, класса 1 из (по ГОСТ 13 766–86) со следующими характеристиками:

Сила пружины при максимальной деформации F₃ = 6,3 (Н)

Диаметр проволоки d =0,5 (мм)

Наружный диаметр пружины D₁ =6 (мм)

Жёсткость одного витка C₁ =3,689 (Н/мм)

Наибольший прогиб одного витка S'₃=1,708 (мм)

2.2 Рассчитываемые параметры пружины

Жесткость пружины:

(25)

.

Число рабочих витков пружины:

(26),

При полутора нерабочих витках полное число витков:

(27), .

Средний диаметр пружины:

(28),

Предварительная деформация пружины:

(29),

Рабочая деформация пружины:

тяговой электромагнит винтовая пружина

(30),

Максимальная деформация пружины:

(31),

Длина пружины при максимальной деформации:

(32)

.

Длина пружины в свободном состоянии:

(33)

Длина пружины при предварительной деформации:

(34)

.

Длина пружины при рабочей деформации:

(35)

Шаг пружины в свободном состоянии:

(36)

Внутренний диаметр пружины:

(37)

(мм).

3. Расчёт источника питания

3.1 Расчёт выпрямителя

Исходные данные для расчёта:

Номинальное выпрямленное напряжение на нагрузке .

Максимальный ток нагрузки .

Мощность .

Относительное повышение напряжения сет .

Частота тока сети .

Коэффициент пульсации. Для питания электромагнитов .

Рисунок 4 — Схема блока питания

1. Определим предварительные значения параметров B и D:

Таблица 3.1

Для однофазной мостовой схемы m = 2

Примем B = 1; D = 2,1;

2. Максимальное значение выпрямленного напряжения и обратное напряжение:

(38)

, (39)

,

3. Среднее и действующее значение тока диода:

(40)

(41)

.

4. Мощность трансформатора:

, (42)

.

5. Выбираем диоды из условия, что:

Выбираем выпрямительный диод 2Д238ВС со следующими характеристиками [4]:

;

;

.

6. Сопротивление диода в прямом направлении и обмотки трансформатора:

, (43)

(44)

7. Активное сопротивление фазы:

, (45)

.

8. Определяем параметры B, D, F:

(46)

По графикам зависимости определяем параметры B, F, D:

B = 0,92;

F =7;

D = 2,5;

H = 250;

9. Находим значенияU_2, I_{2, I1,} S_тр, U_обр, I_прср, I_пр, I_прmax

(47)

,

(48)

,

(49)

(50)

,

10. Найдём мощность трансформатора:

(51)

Выбранный диод (2Д238ВС) проходит по параметрам U_обри I_пр.

11. Строим внешнюю характеристику выпрямителя, умножая ординаты кривой на и её абсциссы на:

Рисунок 5 — Внешняя характеристика выпрямителя.

12. Напряжение холостого хода, максимальное выпрямленное напряжение, ток короткого замыкания и внутреннее сопротивления выпрямителя:

, (52)

(53)

, (54)

,

(55)

13. Ёмкость конденсатора в мкФ

(56)

3.2 Расчёт трансформатора

Выбираем трансформатор с кольцевым сердечником (тороидальный). Он имеет некоторые преимущества в объеме и массе перед другими типами конструкций трансформаторов. Данный трансформатор используется при мощностях от 30 до 1000 Вт, когда требуется минимальное рассеяние магнитного потока или когда требование минимального объёма является первостепенным.

Рисунок 6 — Конструкция магнитопровода кольцевого ленточного трансформатора.

1. Размеры магнитопровода выбранной конструкции

, (57)

где:

сечение стали магнитопровода в месте расположения катушки;

площадь окна в магнитопроводе;

магнитная индукция [1, таблица 2];

плотность тока [1, таблица 3];

коэффициент заполнения окна [1, таблица 4];

коэффициент заполнения магнитопровода сталью [1, таблица 5];

По таблицам определяем значения необходимых параметров:

;

;

В соответствии с найденной величиной выбираем магнитопровод ОЛ50/80−25 с параметрами [3, таблица 4.25]: и .

2. Определяем диаметр проводов в каждой обмотке без учёта толщины изоляции

(58), ,

3. Определяем число витков в обмотках трансформатора

(59)

Заключение

В ходе выполнения данного курсового проекта был разработан электромагнит, выполнены расчёты его основных характеристик и параметров, а также параметров источника питания и пружины сжатия. В процессе работы была определена марка провода обмотки, выбрана пружина сжатия, выпрямительные диоды, конденсатор, магнитопровод и конструкция трансформатора. Был выполнен сборочный чертёж электромагнита, чертежи его отдельных деталей.

Для выполнения графической части были использованы САПР. Все необходимые расчёты приведены в пояснительной записке.

Список использованных источников

1. Короткий Г. П. Методические указания по выполнению курсового проекта: дисциплина — «Технические средства автоматизации». [Текст] / Г. П. Короткий. — Орел.: ОГТУ, 2009.

2. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х томах. Т.3. [Текст] / В. И. Анурьев. — 8-е издание переработанное и дополненное. — М.: Машиностроение, 2001.

3. Сидоров И. Н. Малогабаритные магнитопроводы и сердечники: Справочник. [Текст] / И. Н. Сидоров, А. А. Христинин, С.В. Скорняков/ - М.: Радио и связь, 1989.

4. QRZ.ru Справочник по полупроводниковым диодам (Заголовок с экрана). [Электронный ресурс] URL: http://www.qrz.ru/reference/kozak/diodes/dih00. shtml (дата обращения: 09.04.2014).