Проектирование электромагнита постоянного тока

-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 lяк =16; ярма lяр=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)

Основные параметры	Ед. изм.	Примечания
Критическая сила	кг	4,5
Критический зазор	см	0,8
Определяющий размер ядра ЭМ	см	2,5
Диаметр полюсного наконечника	см	3,67
Высота обмотки	см	7
Высота катушки	см	7,4
Ширина катушки	см	2,15
Ширина намотки	см	1,75
Наружный диаметр катушки	см	6,8
Внутренний диаметр катушки	см	2,5
Боковая наружная поверхность	см2	149,54
Боковая внутренняя поверхность	см2	54,97
Ширина скобы магнитопровода	см	7,6
Толщина скобы	см	2,5
Толщина якоря	см	1,42
Сечение скобы	см2	4,9
Сечение якоря	см2	10,815
Средняя длина силовых линий якоря	см	16
Средняя длина силовых линий ярма	см	28

 

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^ў 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 (0,005см 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:

 

 

,

 

где -эквивалентное 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, W- число 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

 

,

 

где -некоторый 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