Расчёт электромагнита постоянного тока

на тему: «Расчёт электромагнита постоянного тока»

Содержание Введение

1. Предварительный расчёт электромагнита

1.1 Выбор параметров и безразмерных коэффициентов

1.2 Расчёт ядра электромагнита

1.3 Основные параметры ядра электромагнита

2. Разработка конструкции электромагнита

2.1 Разработка рабочего эскиза

2.2 Уточнение размеров электромагнита

2.3 Определение конструктивных параметров магнитопровода

3. Проектный расчёт основных параметров электромагнита

3.1 Расчёт основных параметров электромагнита

3.2 Определение проектных параметров катушки

3.3 Расчёт теплового режима

3.4 Определение весовых показателей электромагнита Заключение Список используемой литературы

Введение

Целью разработки курсового проекта является практическое применение студентами теоретических знаний, полученных при изучении дисциплины «Электрические и электронные аппараты» путем решения конкретных инженерных задач, и приобретение ими навыков в проектировании основных элементов электрических и электронных аппаратов.

Проект электромагнита электрического аппарата выполняется в объеме технического проекта с разработкой эскиза конструкции электромагнита, расчёта основных его элементов и технических показателей.

Электромагнитные устройства входят в состав значительной части коммутационных аппаратов (особенно низкого напряжения), реле, устройств дистанционного управления, тормозных и подъёмных устройств. Предлагаемая для использования в курсовом проекте методика расчёта ЭМ основывается на использовании упрощенных расчетных формул, обеспечивающих приемлемую точность за счёт применения установленных экспериментально ряда корректирующих и конструктивных коэффициентов.

Конструкция ЭМ в основном определяется требованием создания необходимой электромагнитной силы при определенных условиях нагрева и охлаждения катушки, т. е. зависит от размеров магнитопровода, наличия рабочих и нерабочих зазоров, размеров и обмоточных данных катушки. Остальные элементы конструкции в меньшей степени влияют на работу ЭМ. Поэтому целесообразно ввести некоторые характерные для принятой методики расчёта понятия:

— ядро ЭМ — часть ЭМ, состоящая из втягивающей катушки, участка магнитопровода, охватываемого ею, и полюсного наконечника;

— определяющий размер ядра ЭМ — диаметр сердечника ЭМ d_c;

— расчёт ядра ЭМ — определение размера ядра и обмоточных данных катушки.

В процессе разработки проекта необходимо выполнить следующий объём расчётов:

1) определить основные размеры электромагнита;

2) рассчитать обмоточные данные катушки;

3) разработать чертеж электромагнита;

4) определить максимальную температуру по сечению катушки электромагнита;

5) оценить потребляемую ЭМ мощность в рабочем режиме, вес электромагнита.

Таблица 1 Исходные данные

страхование полис осаго

1. Предварительный расчёт ядра электромагнита.

1.1 Выбор параметров и безразмерных коэффициентов.

Задаемся некоторыми параметрами и безразмерными коэффициентами предварительного расчёта, при этом класс изоляции, А и допустимое превышение температуры катушки относительно окружающей среды выбираем из приложения 2 {1}:

Принимаем

При температуре окружающей среды н_ос= 35⁰С допустимая температура катушки:

В соответствии с принятыми значениями и находим коэффициент теплопередачи с наружной поверхности катушки:

Определяем удельное сопротивление нагретой катушки:

где — удельное сопротивление медного провода при 0 ⁰С; - температурный коэффициент, тогда:

Коэффициент теплообмена с внутренней поверхности катушки:

где — коэффициент, учитывающий теплообмен между внутренней поверхностью катушки и сердечником и зависит от исполнения катушки, тогда получаем:

На основании опыта проектирования, принимаем значения безразмерных коэффициентов с учётом наличия на сердечнике полюсного наконечника по таблице 3.1 {1} рис. 1, где:

Принимаем тогда .

Принимаем предварительное заполнение окна катушки металлом провода:

где — сечение провода и обмотки, см²; - число витков обмотки; и — высота и ширина катушки (рис.1); f в зависимости от марки провода и способа укладки проводов. Принимаем коэффициент .

Задаемся возможным снижением напряжения в сети; а также значением магнитного потенциала в стали и в нерабочих зазорах (снижение МДС). В рационально построенных конструкциях падение МДС в стали магнитопровода составляет 10?20%, а в нерабочих воздушных зазорах 5?10% от величины полной МДС катушки :

где — МДС, приходящаяся на основной рабочий зазор.

Принимаем .

1.2 Расчёт ядра электромагнита Приближенное значение индукции в воздушном зазоре для поворотного электромагнита можно получить, используя безразмерные конструктивные коэффициенты в виде:

где — постоянная величина для поворотного электромагнита и:

Тогда значение индукции в воздушном зазоре:

В связи с наличием полюсного наконечника происходит «выпучивание» магнитного потока в зазоре (силовые линии поля исходят не только из горизонтальной плоскости полюсного наконечника, но и из его боковых сторон). Значение коэффициента «выпучивания», учитывающего это явление для ЭМ, определяется по формуле:

где — некоторый текущий параметр, тогда коэффициент «выпучивания»:

Определяющий размер ядра электромагнитного элемента (диаметр сердечника) можно найти из зависимости:

Т.к. совместное решение громоздко, то используется графоаналитический метод:

Задаемся произвольными значениями и посчитанные результаты сводим в таблицу 2.

Таблица 2

Рис. 2.График зависимости .

По расчётным данным строим зависимость и на полученной кривой, интерполируя, находим значение ч, соответствующее заданной величине, что позволяет получить определяющий размер ядра электромагнита, см:

1.3 Основные параметры ядра электромагнита Определим основные параметры ядра электромагнита:

а) габариты ядра электромагнита:

— ширина катушки

— высота катушки

— диаметр полюсного наконечника

б) предварительные параметры катушки:

— необходимая МДС для поворотного электромагнита, :

где

Найдем необходимую МДС:

— сечение провода обмотки (расчётное), см²:

— диаметр провода (расчётный), см:

Найдем диаметр провода:

Выбираем ближайший размер провода марки ПЭЛ (приложение 4 {1}), а именно:

диаметр по меди (фактический): 0,35 мм;

диаметр по изоляции (фактический):

;

сечение по меди (фактическое): 9,62?10^-4 см².

— число витков для поворотного электромагнита:

Результаты предварительного расчёта сводим в таблицу 3.

Таблица 3 Результаты предварительного расчёта проектируемого электромагнита.

2. Разработка конструкции электромагнита

2.1 Разработка рабочего эскиза электромагнита Рис. 3. Рабочий эскиз электромагнита.

2.2 Уточнение размеров электромагнита Разработка конструкции электромагнита производится по данным предварительного расчёта в соответствии с требованием технологичности конструкции, надежности ее эксплуатации. В процессе эскизной проработки проекта уточняются геометрические размеры магнитопровода и катушки с учётом округления до конструктивных размеров и использования существующих сортаментов на материалы.

Исходными данными проектного расчёта являются результаты предварительного расчёта ЭМ:

— критическая сила (кг) и критическиё зазор ;

— полученные в предварительном расчёте определяющий размер ЭМ; сечение металла провода, см и МДС (катушек), Ав;

— принятые значения безразмерных коэффициентов, определяющие габариты электромагнита. Скорректированные в проектном расчёте размеры ЭМ будем снабжать индексом штрих ();, и т. д.

Учитывая имеющийся опыт проектирования электромагнитных устройств:

— уточним размеры, исходя из соображения округления полученного ранее размера до конструктивного размера или имеющегося сортамента материала увеличим на 9−10%, см:

— принимаем конструктивно размеры высоты полюсного наконечника и расстояние от скобы магнитопровода до катушки (или между двумя катушками), которое определяется удобством замены катушки, но не менее 510 мм:

— уточним размеры катушки:

высоту катушки:

где — толщина изоляции шайбы, примем ,

ширину намотки:

ширину катушки:

где см, см,

— принимаем конструктивно в соответствии с выбором способа изоляции и толщиной корпуса катушки (1,52,5 мм).

— определим диаметр полюсного наконечника:

— определим наружный диаметр катушки:

— внутренний диаметр катушки:

По полученным размерам и исполнению катушки определяем ее поверхность охлаждения с учётом возможного различия теплоотдачи на ее участках:

— боковая наружная поверхность, см²:

— боковая внутренняя поверхность, см²:

— торцевая поверхность, см^2:

^,

см²

2.3 Определение конструктивных параметров магнитопровода

Ширина магнитопровода (якоря) не должна значительно превышать наружный диаметр катушек:

где ,

Сечение скобы магнитопровода электромагнита во избежание насыщения не должно быть меньше сечения сердечника, см²:

Толщина скобы магнитопровода, см:

Сечение якоря магнитопровода может быть принято несколько меньше эквивалентного сечения основного зазора, см²:

где — эквивалентное сечение полюсного наконечника, см.

Тогда принимаем

Толщина якоря е определяется, см:

По эскизу находим длины: якоря l_як =16; ярма l_яр=28

Уточним размеры зазоров в местах неразрывных деталей отдельных участков магнитопровода, т. е. нерабочих зазоров в месте сочленения полюсного наконечника и сердечника, сердечника и скобы. Принимаем воздушные зазоры:

Величина среднего зазора, для прямоходовых систем Результаты расчёта конструктивных параметров, проектируемого электромагнита, сводим в таблицу 4.

Таблица 4 Результаты расчёта конструктивных параметров проектируемого электромагнита (тип прямоходовый)

Рабочий эскиз электромагнита с прямоходовым якорем с указанием размеров в мм в приложении.

3. Проектный расчёт основных параметров электромагнита

3.1 Расчёт основных параметров электромагнита

По значению критической силы, величине зазора и принятому размеру сердечника d_c определим уточненные значения индукции в зазоре для поворотного электромагнита, Вб/см²:

где =

Предварительно определим проводимость основного воздушного зазора, Гн:

где =

— фиктивный диаметр рабочего воздушного зазора с учётом полюсного наконечника и выпучивания.

Тогда проводимость основного воздушного зазора:

Определим проводимость нерабочих воздушных зазоров, Гн:

где величина нерабочего зазора определяется по эскизу ЭМ и состоит из немагнитной прокладки (0,03см), не плотным прилеганием за счёт неровностей обработки поверхности стали (0,005 см на сочленение элементов магнитопровода) и наличия антикоррозийного покрытия (0,0015см).

Для определения общей проводимости рабочих и нерабочих зазоров прямоходового электромагнита пользуются соотношением, Гн:

Приведенная по магнитному потоку проводимость находится из соотношения:

где — полная высота катушки, — удельная проводимость утечки, которая для прямоходового ЭМ находится из соотношения:

где

Тогда

Тогда

Определим значение коэффициента рассеяния для критического положения якоря:

Определим значение индукции в стали сердечника, Вб/см²:

В соответствии с рекомендациями приложения 3 полученное значение индукции не должно превышать предела насыщения используемой стали, т. е. не должно превышать значения 2,4 Тл.

Уточним значение индукции в стали якоря, Вб/см²:

гдеэквивалентное сечение основного зазора, которое равно

Уточним значение индукции в стали ярма, Вб/см²:

Определим магнитодвижущую силу катушки ЭМ, необходимую:

— для проведения потока в рабочих зонах, :

где N=2- число рабочих воздушных зазоров,

— для проведения потока в нерабочих зазорах, :

Необходимая МДС для проведения потока в стали вычисляется по найденным значениям индукции и и определенной по эскизу ЭМ длине участка сердечника и якоря (с учётом наличия полюсных наконечников, рис.3).

Рис. 3.Кривые намагничивания магнитных материалов: 1 — сталь низкоуглеродистая марки 3 отожженная; 2 — сталь конструкционная марки 3 отожженная; 3 — сталь качественная конструкционная марки 20 отожженная.

При этом следует использовать кривые намагничивания принятого материала (сталь конструкционная электротехническая марки 3 отожженная) магнитопровода (рис. 3) для нахождения напряженности поля, соответствующей индукции в металле, :

где и ;

;

Общее значение МДС катушки:

3.2 Определение проектных параметров катушки

Определим общее сечение меди (провода) обмотки, см²:

Диаметр провода обмотки, см:

Далее подбираем ближайший по ГОСТу (приложение 4) диаметр провода без изоляции, определяем диаметр провода с изоляцией и сечение провода :

Определяем коэффициент заполнения окна намотки для идеальной шахматной укладки проводов :

Учитывая неравномерную укладку проводов при намотке, выполненной на автомате (), необходимо найти реальный коэффициент заполнения:

Уточним проектное число витков катушки:

Определим сопротивление каждой катушки, отнесенное к 0⁰С:

где — средний диаметр катушки,

/- удельное сопротивление меди при 0⁰С, Wчисло витков одной катушки.

Потребляемая мощность на одну катушку, Вт:

Удельные потери в единице объёма катушки, Вт/см²:

где — объём обмотки, см³,

см³

3.3 Расчёт теплового режима Тепловой режим обмотки зависит от значительного числа конструктивных факторов и физических свойств материалов, использованных в обмотке ЭМ: способа намотки, толщины изоляции провода и его материала, наличия изоляционных прокладок, размеров заполненного воздухом (лаком) пространства обмотки и др. Расположение этих элементов в обмотке можно иллюстрировать эквивалентной картиной, приведенной на рис. 4.

Рис. 4. Эквивалентная схема расположения элементов рабочей изоляции в обмотке.

Приведенное значение коэффициента теплопроводности для изоляции всей катушки, Вт/град см²:

где — толщина изоляции провода;=0- толщина прокладки;- эквивалентная толщина участка обмотки, заполненного воздухом или лаком (компаундом), которая определяется способом намотки катушки и составляет величину см, примем ,

и из таблицы 7.1{1}.

Приведенное значение коэффициента теплопроводности для изоляции всей катушки:

Эквивалентный коэффициент теплопроводности для всей катушки определяется как

гденекоторый экспериментально определенный, корректирующий коэффициент, характеризующий технологию выполнения обмотки, определяемый по графику зависимости рис. 7.2.{1} и .

Рис. 5. График зависимости корректирующего коэффициента .

Посчитаем эквивалентный коэффициент теплопроводности для всей катушки:

Далее необходимо произвести расчет температурного режима обмотки (катушки). Определяющим в работе материала катушки является максимальная температура нагрева ее элементов, так как от ее значения зависит срок службы всех изоляционных материалов и изменение физических свойств металла обмотки.

Определение максимальной температуры и температурного поля внутри катушки при реальных условиях ее нагрева в аналитической форме достаточно сложно и практически неприемлемо для инженерных расчетов. Поэтому используются приближенные методы с учетом привлечения ряда экспериментально полученных зависимостей. В этом случае среднее и максимальное превышение температуры внутренних частей обмотки определяют по отношению к температуре ее поверхности, предполагая в первом приближении равномерное распределение источников нагрева по сечению обмотки. Используя полученную для ЭМ постоянного тока эмперическую формулу, температуру перегрева наружной поверхности катушки относительно окружающей среды () можно определить как

где — мощность, потребляемая катушкой при сопротивлении проводов обмотки при температуре 0⁰С;

— поверхность охлаждения через наружную поверхность и внутреннюю боковые поверхности;

— коэффициент, учитывающий рост теплопередачи с внутренней поверхности катушки.

Тогда температура поверхности катушки:

⁰С

⁰С

С достаточной степенью можно считать, что средняя температура тела катушки на ()⁰С будет превышать температуру боковой ее поверхности

⁰С.

Выбираем провод с эмалевой изоляцией класса, А согласно приложения 2{1}, и делаем вывод, что класс изоляции, А подходит.

Теперь можно найти сопротивление провода катушки при этой температуре, Ом:

где — температурный коэффициент металла (меди).

Потребляемый нагретой катушкой ток:

Общую МДС электромагнита (АВ) при температуре найти из

Результат определения следует сравнить с общим значением МДС катушки. Далее определим мощность, потребную для работы электромагнита в нагретом состоянии, Вт:

3.4 Определение весовых показателей электромагнита Вес стали магнитопровода, кг:

где кс/см³— удельный вес стали;

— объем стали магнитопровода, см³

Найдем вес стали магнитопровода, кг:

Вес обмоточного провода, кг:

где — расчетная масса 1 м провода, кг/м; согласно справочным данным

кг/м

— длина обмоточного провода, м.

Общий вес электромагнита, кг:

Результаты расчёта электромагнита сводим в таблицу 5.

Таблица 5 Результаты расчёта веса электромагнита

Заключение

При проектировании электромагнита электрического аппарата студенты получают практическое применение теоретических знаний, полученных при изучении дисциплины «Электрические и электронные аппараты» путем решения конкретных задач, приобретают навыки в проектировании основных элементов электрических и электронных аппаратов.

Конструкция ЭМ в основном определяется требованием создания необходимой электромагнитной силы при определенных условиях нагрева и охлаждения катушки, т. е. зависит от размеров магнитопровода, наличия рабочих и нерабочих зазоров, размеров и обмоточных данных катушки.

Выполнили следующий объём расчётов:

1) определили основные размеры проектируемого электромагнита, которые приведены в таблице 4;

2) разработали чертеж электромагнита, который приведен на рис. 4;

3) определили максимальную температуру по сечению катушки электромагнита, которая равна 67⁰С;

4) оценили потребляемую ЭМ мощность в рабочем режиме, вес электромагнита, которые соответственно равны 12,86Вт и 2,94 кг.

Список используемой литературы

1. Фоков К. И. «Электрические аппараты «, методическое пособие к выполнению курсового проекта: ДВГУПС, 1995.г.

2. Любчик М. А. «Расчёт и проектирование электромагнитов постоянного и переменного токов».-М.: Госэнергоиздат, 1959 г.

3. Любчик М. А. «Силовые электромагниты аппаратов и устройств автоматики постоянного тока».-М.: Энергия, 1968 г.

4. Гордон А. В., Сельвинская А. Г. «Электромагниты постоянного тока».-М.: Энергоиздат, 1972 г.