Расчет катушки для электромагнитного клапана

Расчет электромагнитного привода постоянного тока с втяжным якорем

1. Конструкция привода

Конструкция электромагнитного привода (ЭМП) постоянного тока с втяжным якорем [4] показана на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Конструкция ЭМП постоянного тока с втяжным якорем.

ЭМП состоит из цилиндрического стального корпуса, в который помещается токопроводящая (обычно медная) обмотка, представляющая собой цилиндрический соленоид. С обоих сторон корпус закрывается стальными крышками. На одну из крышек устанавливается стальная вставка. В отверстие другой крышки вставляется стальной якорь. Между якорем и сердечником должен оставаться рабочий зазор. Величина рабочего зазора определяет максимальный ход якоря. При пропускании электрического тока через обмотку якорь создает тяговое усилие, стремясь втянуться внутрь обмотки. Для возврата якоря в исходное положение при отключении тока может использоваться пружина (на чертеже не показана).

2. Постановка задачи

Необходимо рассчитать зависимость максимального тягового усилия ЭМП от хода якоря. На рис. 2.1 показан чертеж ЭМП с обозначением размеров.

R0 — радиус вставки (якоря)
H0 — высота вставки
R1 — внутренний радиус соленоида
R2 — внешний радиус соленоида (внутренний радиус корпуса привода)
H — высота соленоида
l — фактор упаковки
j — плотность тока в обмотке
Rd — внешний радиус корпуса привода
Hd — высота корпуса привода
Z — рабочий зазор
X — перемещение якоря от начального положения
U — напряжение питания привода
I — величина тока в проводе обмотки
F — усилие, развиваемое якорем привода

3. Расчет допустимой плотности тока в обмотках

От плотности тока в обмотке зависит мощность тепловыделения и, соответственно, температура обмотки. Эта температура не должна превышать допустимой для данной марки провода. Расчет температуры внутри обмотки и, соответственно, допустимой плотности тока в обмотках можно произвести методом конечных элементов [2, 3, 5, 6] . Величина допустимой плотности тока в проводах обмоток зависит от конструкции ЭМП и для соленоидов с толщиной обмотки (R2 — R1) до 20 — 30 мм может достигать 5 . 8 А/мм 2 при длительной работе в воздушной среде температурой до 40 0 C.

Если фактор упаковки принять равным 0.6, то при плотности тока в обмоточном проводе 5 А/мм 2 плотность тока в самой обмотке составит 5 ∙ 0.6 = 3 А/мм 2 . При этом превышение температуры обмотки над температурой окружающей среды будет не более 60 0 C, а теплостойкость изоляции обмоточного провода должна быть примерно 100 0 C.

Если плотность тока в проводе обмотки достигает 7.5 А/мм 2 (плотность тока в обмоточном проводе 7.5 А/мм 2 , плотность тока в самой обмотке 4.5 А/мм 2 ), то превышение максимальной температуры обмотки над температурой окружающей среды при длительной работе будет не более 120 0 C. При намотке необходимо использовать провод с изоляцией соответствующей теплостойкости.

4. Расчет ма ксимального тягового усилия ЭМП

Расчет распределения магнитного поля и возникающих при этом усилий можно произвести методом конечных элементов [2, 3, 5, 6] . Распределение магнитного поля в ЭМП показано на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Распределение магнитного поля в ЭМП.

5. Расчет обмотки ЭМП

Обмотка ЭМП представляет собой цилиндрический соленоид. Его расчет может быть выполнен разными способами, например, с помощью программы Coil [1]. При заданных размерах соленоида и для заданного напряжения источника питания необходимо подобрать такой диаметр обмоточного медного провода, чтобы плотность тока в самом проводе была как можно ближе к полученному при расчете максимально допустимой плотности тока значению (например, 5 А/мм 2 ).

6. Примеры расчета

R0 = 5 мм
H0 = 5 мм
R1 = 6 мм
R2 = 15 мм
H = 40 мм
l = 0.6
j = 3 А/мм 2
Rd = 20 мм
Hd = 50 мм
U = 12 В

Зазор Z, мм	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1
Ход X, мм	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Усилие F, Н	1.71	1.84	2.02	2.25	2.57	3.00	3.72	5.18	7.86	16.60

Рис. 6.1. Зависимость усилия, развиваемого ЭМП, от хода якоря.

При питании ЭМП от источника напряжением 12 вольт обмотку следует намотать медным проводом диаметром (без изоляции) 0.27 мм. Если фактор упаковки равен 0.6, то число витков будет равно 3770, сопротивление — 73 Ом, индуктивность — 92 мГн. Потребляемый ток от источника с выходным напряжением 12 В составит 0.17 А, рассеиваемая мощность около 2 Вт.

R0 = 5 мм
H0 = 5 мм
R1 = 6 мм
R2 = 13 мм
H = 36 мм
l = 0.6
j = 3 А/мм 2 или 4.5 А/мм 2
Rd = 15 мм
Hd = 40 мм
U = 24 В

Зазор Z, мм	5	4	3	2	1
Ход X, мм	0	1	2	3	4
Усилие F, Н для плотности тока 3 А/мм 2	1.44	1.79	2.47	4.10	10.23
Усилие F, Н для плотности тока 4.5 А/мм 2	3.16	3.88	5.27	8.38	17.22

Рис. 6.2. Зависимость усилия, развиваемого ЭМП, от хода якоря.

При питании ЭМП от источника напряжением 24 вольта при допустимой плотности тока в обмотке 3 А/мм 2 обмотку следует намотать медным проводом диаметром (без изоляции) 0.16 мм. Если фактор упаковки равен 0.6, то число витков будет равно 7520, сопротивление — 373 Ом, индуктивность — 345 мГн. Потребляемый ток от источника с выходным напряжением 24 В составит 0.064 А, рассеиваемая мощность около 1.5 Вт.

При питании ЭМП от источника напряжением 24 вольта при допустимой плотности тока в обмотке 4.5 А/мм 2 обмотку следует намотать медным проводом диаметром (без изоляции) 0.24 мм. Если фактор упаковки равен 0.6, то число витков будет равно 3340, сопротивление — 74 Ом, индуктивность — 68 мГн. Потребляемый ток от источника с выходным напряжением 24 В составит 0.33 А, рассеиваемая мощность около 8 Вт.

Если есть запас по развиваемому усилию, то можно соответственно уменьшить напряжение питания, при этом облегчится тепловой режим работы обмотки привода.

По вопросам расчета конкретных конструкций ЭМП обращайтесь к автору (см. раздел Контактная информация ).

Coil: Программа для расчета параметров и магнитного поля цилиндрического соленоида
Бреббия К. и др. Методы граничных элементов: Пер. с англ. / Бреббия К., Теллес Ж., Вроубел Л. — М.: Мир, 1987. — 524 с., ил.
Громадка II Т., Лей Ч. Комплексный метод граничных элементов в инженерных задачах: Пер. с англ. — М.: Мир, 1990. — 303 с., ил.
Казаков Л. А. Электромагнитные устройства РЭА: Справочник. — М.: Радио и связь, 1991. — 352 с.: ил.
Норри Д., Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов: Пер. с англ. — М.: Мир, 1981. — 304 с., ил.
Сильвестер П., Феррари Р. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров-электриков: Пер. с англ. — М.: Мир, 1986. — 229 с., ил.

Привод — устройство, имеющее рабочий орган, способный к механическому перемещению при наличии противодействующей силы.
Фактор упаковки (коэффициент заполнения) — отношение объема проводника к объему обмотки; при равномерной намотке равен отношению суммарной площади проводников в поперечном сечении обмотки (без учета изоляции) к площади поперечного сечения обмотки.
Цилиндрический соленоид — соленоид в виде цилиндра с центральным цилиндрическим отверстием (если таковое имеется).
Электромагнитный привод — привод на основе электромагнита.

Источник

Расчет магнитной системы электромагнитного клапана

Для магнитной системы электромагнитного клапана пускового топлива авиационного двигателя при заданных усредненных геометрических размерах, максимальной величине воздушного зазора _max и соответствующем ему магнитном потоке Ф требуется

рассчитать ток в катушке, необходимый для создания заданного потока;

2) построить тяговую характеристику электромагнита F=f () не менее чем по пяти точкам при изменении воздушного зазора от _max до 0(ток считать неизменным и равным значению, полученному в п.1).

Методические указания к выполнению задания

1.Потоками рассеяния и полями выпучивания пренебречь.

2.Кривые намагничивания приведены в методических указаниях к выполнению расчетно-графических работ.

3. Числовые значения вариантов задания выдаются преподавателем каждому студенту индивидуально или в соответствии с табл. МЦ.1.1 и МЦ.1.2.

Принцип работы и устройство электромагнитного клапана пускового топлива состоят в следующем. Электрическая часть клапана представляет собой сочетание бронированного электромагнита с втяжным сердечником и стандартного штепсельного разъема.

Электромагнит состоит из корпуса клапана, возвратной пружины, катушки соленоида, корпуса соленоида. Обмотка катушки выполнена из медного провода с эмалевой изоляцией. В сердечнике имеется гнездо для возвратной пружины и специальная выточка, заполненная резиной, которая под действием пружины прижимается к гнезду выходного штуцера .

На работающем двигателе и во время стоянки клапан пускового топлива находится в обесточенном состоянии. Под действием пружины сердечник закрывает выходной штуцер. Топливо к пусковому блоку не подается. Во время запуска двигателя на катушку электромагнита подается напряжение Возникшая электромагнитная сила преодолевает усилие пружины , притягивая сердечник к неподвижному якорю. Топливо из штуцера через фильтр тонкой очистки поступает к выходному штуцеру.

Электромагнитный клапан является одним из самых распространенных элементов систем управления силовыми установками. Электросистемы управления некоторых современных двигателей насчитывают до 20 — 25 клапанов такого типа.

Источник

Расчет катушки для электромагнитного клапана

Когда я занимался ну очень силовой электроникой, и когда 100 киловатт считались — ну, так себе, небольшая мощность, довелось получить важный урок. Надо было обеспечить управление от процессора мощным трехфазным контактором, который размыкал 1000 ампер при напряжении порядка 2000 вольт. Конечно, зазоры между контактами в разомкнутом состоянии были приличные, а между половинками сердечника — еще больше. Катушка тоже соответствовала, размеры внушительные. Диаметр провода тоже.

Измерения тока, потребляемого этой катушкой, показали 1. 1,5 ампер. Ток небольшой, любой пятиамперный симистор легко справится. Я предпочитал делать запас побольше, чтобы по ночам спалось крепче, и поставил 10-амперный.
Попробовал управлять. Два-три раза контактор послушно щелкнул, а в очередной раз замкнулся, и больше не размыкался. Я проверил всю цепь, и оказалось, что симистор пробит. Заменил его на такой же — тот же результат. Некоторое время чесал репу, не понимая, как может 10-амперный симистор пробиться таким смешным током, менее 2 ампер? И возникла догадка — это ж я измерял ток, когда магнитопровод был замкнут. А когда разомкнут, индуктивность резко уменьшается, и ток будет больше?
Я вставил деревяшку между половинками сердечника, и подал напряжение на катушку. И офигел. В разомкнутом состоянии катушка жрала аж 45 ампер!
Тогда я проделал несколько замеров тока, при разных зазорах. Получилось, что такой большой ток держится почти на всем пути, и только при 5 миллиметрах начинает заметно снижаться. При зазоре 1мм ток был порядка 10 ампер. И снижался до 1. 1,5 ампер только при полном замыкании сердечника.

Получается, что начиная с момента подачи питания на катушку проходит куча времени, пока массивная половинка сердечника стронется с места, пока преодолеет сопротивление пружин, пока пройдет весь длинный путь до замыкания — все это время катушка потребляет бешеный ток, в десятки раз превышающий номинальное значение.

Мораль сей басни такова:
Расчет катушек пускателей, клапанов и проч. подразумевает, что подвижная часть магнитопровода движется свободно, нигде не заклинивает, и при замыкании прилегает плотно по всей поверхности, без перекосов. И что этому прилеганию не мешают посторонние предметы. А если на катушку подано питание, а магнитопровод не замкнулся полностью, то через катушку будет протекать ток, в разы превышающий расчетное значение. При этом потребляемая мощность превышать расчетную в квадрат этих разов. И если это будет продолжаться достаточно долго, то катушка сгорит.

Источник

bumirang.ru

Цилиндрическая обмотка, которая имеет длину, значительно больше ее диаметра, называется соленоидом. В переводе с английского, это слово обозначает – подобный трубе, то есть, это катушка, похожая на трубу.

Виды соленоидов

По назначению соленоиды разделяют на два класса:

Стационарные . То есть, для магнитных полей стационарного вида, которые долго держатся при некоторых значениях.
Импульсные . Для создания импульсных магнитных полей. Они могут существовать только в краткий период времени, не больше 1 с.

Стационарные способны создать поля не более 2,5х10 5 Э. Соленоиды импульсного типа могут создать поля 5х10 6 Э. Если при создании поля соленоиды не подвергаются деформации и не слишком греются, то магнитное поле прямо зависит от проходящего тока: Н = k*I , где k – постоянная величина соленоида, поддающаяся расчету.

Стационарные делятся:

Резистивные соленоиды производят из материалов, обладающих электрическим сопротивлением. В связи с этим вся подходящая к ним энергия переходит в теплоту. Чтобы избежать теплового разрушения устройства, необходимо отвести лишнее тепло. Для этих целей применяют криогенное или водяное охлаждение. Для этого требуется вспомогательная энергия, сравнимая с требуемой энергией для питания соленоида.

Сверхпроводящие соленоиды производят из сплавов, обладающих свойствами сверхпроводимости. Их электрическое сопротивление равно нулю при различных температурах во время эксперимента. При функционировании сверхпроводящего соленоида теплота выделяется только в подходящих проводниках и источнике напряжения. Источник питания в этом случае можно исключить, так как соленоид функционирует в короткозамкнутом режиме. При этом поле может существовать без расхода энергии бесконечно долго при условии сохранения сверхпроводимости.

Устройства для создания мощных магнитных полей включают в себя три главные части:

При проектировании соленоида берут во внимание величины внутреннего канала и мощности источника питания.

Создание устройства с резистивным соленоидом для образования стационарных полей является глобальной научно-технической задачей. В мире, в том числе и в нашей стране, существует всего несколько лабораторий с подобными устройствами. Применяются соленоиды различных конструкций, эксплуатация которых осуществляется около тепловой границы.

Для обслуживания таких устройств необходим персонал, состоящий из работников высокой квалификации, работа которых дорого ценится. Большая часть финансов расходуется на оплату электрической энергии. Эксплуатация и обслуживание таких мощных соленоидов со временем окупается, так как ученые и исследователи различных областей науки, из разных стран могут получать важнейшие результаты для развития науки.

Наиболее сложные и важные задачи можно решить путем применения сверхпроводящих соленоидов. Этот способ более эффективный, экономичный и простой. Для примера можно назвать создание мощных стационарных полей сверхпроводящими соленоидами. Наиболее оригинальное свойство сверхпроводимости – это отсутствие электрического сопротивления у некоторых сплавов и металлов при температуре ниже критического значения.

Явление сверхпроводимости позволяет производить соленоид, не имеющий диссипации энергии при прохождении электрического тока. Однако, образованное поле имеет ограничение в том, что при достижении некоторого значения критического поля свойство сверхпроводимости разрушается, и электрическое сопротивление возобновляется.

Критическое поле повышается при снижении температуры от 0 до наибольшего значения. Еще в 50-х годах прошлого века открыты сплавы, у которых критическая температура находится в интервале от 10 до 20 К. При этом они имеют свойства очень мощных критических полей.

Технология создания таких сплавов и производство из них материалов для катушек соленоидов очень трудоемка и сложна. Поэтому такие устройства имеют высокую стоимость. Однако их эксплуатация недорогая и простая в обслуживании. Для этого необходим только источник питания низкого напряжения небольшой мощности и жидкий гелий. Мощность источника понадобится не выше 1 киловатта. Устройство таких соленоидов состоит из катушки, выполненной из меди и сверхпроводника многожильным проводом, лентой или шиной.

Существует возможность снижения энергетических затрат на создание еще более мощных полей. Эта возможность реализуется в нескольких ведущих странах, в том числе и в России. Такой способ основан на применении комбинации из водоохлаждаемого и сверхпроводящего соленоидов. Его еще называют гибридным соленоидом. В этом устройстве интегрируются наибольшие достижимые поля обоих типов соленоидов.

Водоохлаждаемый соленоид должен находиться внутри сверхпроводящего. Создание гибридного соленоида является объемной и сложной научно-технической проблемой. Для ее решения требуется работа нескольких коллективов научных учреждений. Подобное гибридное устройство эксплуатируется в нашей стране в Академии наук. Там соленоид со сверхпроводящими свойствами имеет массу 1,5 тонны. Обмотка выполнена из специальных сплавов ниобия с цинком и титаном. Обмотка водоохлаждаемого соленоида выполнена медной шиной.

Устройство и принцип действия

Соленоидом также можно назвать катушку индуктивности, которая намотана проводом на каркас в виде цилиндра. Такие катушки могут быть намотаны как одним, так и несколькими слоями. Так как длина обмотки намного больше диаметра, то при подключении постоянного напряжения на эту обмотку, внутри катушки образуется .

Часто соленоидами называют электромеханические устройства, содержащие катушку, внутри которой имеется ферромагнитный сердечник. Такие устройства выполнены в виде втягивающих реле автомобильного стартера, различных электроклапанов. Втягивающим элементом такого своеобразного электромагнита является сердечник из ферромагнитного материала.

Если в устройстве соленоида нет сердечника, то при подключении постоянного тока вдоль обмотки образуется магнитное поле. Индукция этого поля равна:

Где, N – количество витков в обмотке, l – длина катушки, I – ток, протекающий по соленоиду, μ0

На концах соленоида величина магнитной индукции в два раза ниже, по сравнению с внутренней частью, так как две части соленоида совместно образуют двойное магнитное поле. Это применимо к длинному или бесконечному соленоиду, в сравнении с диаметром каркаса обмотки.

По краям соленоида магнитная индукция равна:

Так как соленоиды являются катушками индуктивности, следовательно, соленоид может запасать энергию в магнитном поле. Эта энергия равна работе, совершаемой источником, для образования тока в обмотке.

Этот ток образует в соленоиде магнитное поле:

Если ток в катушке изменяется, то возникает ЭДС самоиндукции. В этом случае напряжение на соленоиде определяется:

Индуктивность соленоида определяется:

Где, V – объем катушки соленоида, z – длина проводника катушки, n – количество витков, l – длина катушки, μ0 — вакуумная магнитная проницаемость.

При подключении к проводникам соленоида переменного напряжения, магнитное поле будет создаваться тоже переменным. Соленоид имеет сопротивление переменному току в виде комплекса двух составляющих: . Они зависят от индуктивности и электрического сопротивления проводника катушки.

Однажды, в очередной раз, перелистывая книгу, которую нашел у мусорного бачка, обратил внимание на простой, приблизительный расчет электромагнитов. Титульный лист книги показан на фото1.

Вообще их расчет это сложный процесс, но для радиолюбителей, расчет, приведенный в этой книге, вполне подойдет. Электромагнит применяется во многих электротехнических приборах. Он представляет собой катушку из проволоки, намотанной на железный сердечник, форма которого может быть различной. Железный сердечник является одной частью магнитопровода, а другой частью, с помощью которой замыкается путь магнитных силовых линий, служит якорь. Магнитная цепь характеризуется величиной магнитной индукции — В, которая зависит от напряженности поля и магнитной проницаемости материала. Именно поэтому сердечники электромагнитов делают из железа, обладающего высокой магнитной проницаемостью. В свою очередь, от магнитной индукции зависит силовой поток, обозначаемый в формулах буквой Ф. Ф = В S — магнитная индукция — В умноженная на площадь поперечного сечения магнитопровода — S. Силовой поток зависит также от так называемой магнитодвижущей силы (Ем), которая определяется числом ампервитков на 1см длины пути силовых линий и может быть выражена формулой:
Ф = магнитодвижущая сила (Ем) магнитное сопротивление (Rм)
Здесь Ем = 1,3 I N, где N — число витков катушки, а I — сила текущего по катушке тока в амперах. Другая составляющая:
Rм = L/M S, где L — средняя длина пути силовых магнитных линий, М — магнитная проницаемость, a S — поперечное сечение магнитопровода. При конструировании электромагнитов весьма желательно получить большой силовой поток. Добиться этого можно, если уменьшить магнитное сопротивление. Для этого надо выбрать магнитопровод с наименьшей длиной пути силовых линий и с наибольшим поперечным сечением, а в качестве материала — железоматериал с большой магнитной проницаемостью. Другой путь увеличения силового потока путем увеличения ампервитков не является приемлемым, так как в целях экономии проволоки и питания следует стремиться к уменьшению ампервитков. Обычно расчеты электромагнитов делаются по специальным графикам. В целях упрощения в расчетах мы будем также пользоваться некоторыми выводами из графиков. Предположим, требуется определить ампервитки и силовой поток замкнутого железного магнитопровода, изображенного на рисунке 1,а и сделанного из железа самого низкого качества.

Рассматривая график (к сожалению я его в приложении не нашел) намагничивания железа, нетрудно убедиться, что наиболее выгодной является магнитная индукция в пределах от 10 000 до 14 000 силовых линий на 1 см2, что соответствует от 2 до 7 ампервиткам на 1 см. Для намотки катушек с наименьшим числом витков и более экономичных в смысле питания для расчетов надо принимать именно эту величину (10 000 силовых линий на 1 см2 при 2 ампервитках на 1 см длины). В этом случае расчет может быть произведен следующим образом. Так, при длине магнитопровода L =L1+L2 равной 20 см + 10 см = 30 см, потребуется 2×30=60 ампервитков.
Если диаметр D сердечника (Рис.1,в)примем равным 2 см, то его площадь будет равна: S = 3,14xD2/4 = 3,14 см2. 0тсюда возбуждаемый магнитный поток будет равен: Ф = B х S= 10000 x 3,14=31400 силовых линий. Можно приближенно вычислить и подъемную силу электромагнита (P). P = B2 S/25 1000000 = 12,4 кг. Для двухполюсного магнита этот результат следует удвоить. Следовательно, Р=24,8 кг = 25 кг. При определении подъемной силы необходимо помнить, что она зависит не только от длины магнитопровода, но и от площади соприкосновения якоря и сердечника. Поэтому якорь должен точно прилегать к полюсным наконечникам, иначе даже малейшие воздушные прослойки вызовут сильное уменьшение подъемной силы. Далее производится расчет катушки электромагнита. В нашем примере подъемная сила в 25 кг обеспечивается 60 ампервитками. Рассмотрим, какими средствами можно получить произведение N J = 60 ампервиткам.
Очевидно, этого можно добиться либо путем использования большого тока при малом количестве витков катушки, например 2 А и 30 витков, либо путем увеличения числа витков катушки при уменьшении тока, например 0,25 А и 240 витков. Таким образом, чтобы электромагнит имел подъемную силу в 25 кг, на его сердечник можно намотать и 30 витков и 240 витков, но при этом изменить величину питающего тока. Конечно, можно выбрать и другое соотношение. Однако изменение величины тока в больших пределах не всегда возможно, так как оно обязательно потребует изменения диаметра применяемой проволоки. Так, при кратковременной работе (несколько минут) для проводов диаметром до 1 мм допустимую плотность тока, при которой не происходит сильного перегревания провода, можно принять равной 5 а/мм2. В нашем примере проволока должна быть следующего сечения: для тока в 2 а — 0,4 мм2, а для тока в 0,25 а — 0,05 мм2, диаметр проволоки будет 0,7 мм или 0,2 мм соответственно. Каким же из этих проводов следует производить обмотку? С одной стороны, выбор диаметра провода может определяться имеющимся ассортиментом проволоки, с другой — возможностями источников питания, как по току, так и по напряжению. Действительно, две катушки, одна из которых изготовлена из толстой проволоки в 0,7 мм и с небольшим числом витков — 30, а другая — из проволоки в 0,2 мм и числом витков 240, будут иметь резко различное сопротивление. Зная диаметр проволоки и ее длину, можно легко определить сопротивление. Длина проволоки L равна, произведению общего числа витков на длину одного из них (среднюю): L = N x L1 где L1 — длина одного витка, равная 3,14 x D. В нашем примере D = 2 см, и L1 = 6,3 см. Следовательно, для первой катушки длина провода будет 30 x 6,3 = 190 см, сопротивление обмотки постоянному току будет примерно равно? 0,1 Ом, а для второй — 240 x 6,3 = 1 512 см, R ? 8,7 Ом. Пользуясь законом Ома, нетрудно вычислить необходимое напряжение. Так, для создания в обмотках тока в 2А необходимое напряжение равно 0,2В, а для тока в 0,25А — 2,2В.
Таков элементарный расчет электромагнитов. Конструируя электромагниты, надо не только производить указанный расчет, но и уметь выбрать материал для сердечника, его форму, продумать технологию изготовления. Удовлетворительными материалами для изготовления сердечников в кружках являются прутковое железо (круглое и полосовое) и различные. железные изделия: болты, проволока, гвозди, шурупы и т. д. Чтобы избежать больших потерь на токах Фуко, сердечники для приборов переменного тока необходимо собирать из изолированных друг от друга тонких листов железа или проволоки. Для придания железу «мягкости» его необходимо подвергать отжигу. Большое значение имеет и правильный выбор формы сердечника. Наиболее рациональные из них кольцевые и П-образные. Некоторые из распространенных сердечников показаны на рисунке 1.

В комплексе для проверки магнитометров инклинометра для создания однородного направленного магнитного поля применяются кольца Гельмгольца и соленоид. Система «кольца Гельмгольца – соленоид» позволяет значительно уменьшить габаритные размеры установки и сократить количество позиционирований инклинометра в установке для выполнения проверки работоспособности магнитометров, что позволяет применять такой комплекс в полевых условиях. В статье приводится расчет параметров, а также моделирование и визуализация магнитного поля, создаваемого системой «кольца Гельмгольца – соленоид», в среде Comsol. Расхождение результатов моделирования в среде Comsol с расчетными значениями для областей пространства, где магнитное поле однородно, не превышает для соленоида 3 %, а для колец Гельмгольца 12 %. Расчеты и моделирование магнитных полей для системы «кольца Гельмгольца – соленоид» при заданных геометрических размерах и электрических параметрах питания системы показывают, что при позиционировании магнитометров проверяемого инклинометра в центре системы осуществлять проверку магнитометров инклинометра в полевых условиях возможно.

1. Гормаков А.Н., Ульянов И.А., Федулов А.В. Комплекс для проверки магнитометров скважинных инклинометров в полевых условиях // НТВ «Каротажник». – Тверь: Изд. АИС, 2014. – Вып. 239. – С. 61–67.

2. Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм. – М.: Оникс 21 век, 2005. – § 10, 35, 38, 40.

3. Огородников А.С. Моделирование в среде MATLAB – COMSOL 3.5a. Часть 1: учебное пособие. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. – 104 с.

4. Ульянов И.А., Гормаков А.Н., Федулов А.В. Комплекс для проверки магнитометров инклинометра // Патент России на полезную модель № 124790, опубл. 10.12.2013, Бюл. № 4.

5. Comsol Multiphysics URL: http://www. сomsol.com/ (дата обращения: 15.11.14).

Расчеты и моделирование магнитных полей для системы «кольца Гельмгольца — соленоид» проводились при проектировании и создании комплекса для проверки магнитометров инклинометра. Данный комплекс позволяет осуществлять проверку магнитометров инклинометра непосредственно на буровых площадках нефтегазовых месторождений.

Целью работы является подтверждение возможности создания однородного магнитного поля заданной величины в ограниченном геометрическими размерами установки объеме.

Общий вид комплекса представлен на рис. 1.

Комплекс состоит из установки 1 для базирования на ней проверяемого инклинометра 5, блока связи 2 с компьютером 3, соединительных кабелей и источника питания установки 4. Для работы с комплексом подходит любой персональный компьютер. Система «кольца Гельмгольца — соленоид» служит для создания постоянного направленного магнитного поля известной величины, с помощью которого осуществляется проверка магнитометров инклинометра.

Кольцами Гельмгольца называется система из двух одинаковых тонких катушек, расположенных соосно на расстоянии, равном их радиусу. В пространстве между катушками получается поле высокой однородности .

Суммарный модуль магнитного поля может быть получен из закона Био-Савара -Лапласа:

где µ 0 = 1,257·10 -6 Гн/м; I — ток, протекающий по виткам катушек колец, в амперах; R — радиус катушки, в метрах; х — расстояние по оси катушек, в метрах.

Катушки состоят из N витков. Общий ток N∙I.

Для системы двух колец Гельмгольца выражение магнитной индукции в геометрическом центре примет вид:

Магнитное поле, создаваемое кольцами Гельмгольца, в каждой точке продольной оси Х вычисляется по формуле:

(3)

Магнитометры инклинометра помещены в цилиндрический корпус диаметром 30 мм на расстоянии 10 мм друг от друга и расположены ортогонально. Длина самого магнитометра 28 мм. Исходя из этого, необходимо создать кольца Гельмгольца и соленоид таких размеров, магнитное поле которых будет равномерным в объеме, вдвое превышающем объем, занимаемый чувствительными элементами.

Исходя из технических требований к изделию, кольца Гельмгольца и соленоид должны питаться от одного источника, максимальный ток которого не должен превышать 0,3 А. Максимальный диаметр колец 300 мм. Диаметр используемого намоточного провода равен 0,45 мм. Считать рабочей зону, в которой погрешность максимального однородного магнитного поля не превышает 1 %. Такая погрешность допустима для осуществления проверки работоспособности магнитометров инклинометра.

Имея исходные данные, по формуле (2) можно вычислить число витков намоточного провода на каждом кольце:

(4)

Рис. 1. Общий вид установки

Рис. 2. Распространение магнитного поля в центре колец Гельмгольца вдоль оси Х

Сопротивление системы из 2-х колец:

, (5)

где ρ = 0,0178 Ом·мм²/м — удельное сопротивление меди; lср = π∙D∙n — длина провода в одном кольце. Действующее напряжение на концах намоточного провода колец определяется:

Расчетные значения индукции магнитного поля, созданного кольцами Гельмгольца вдоль оси Х, представлены на рис. 2. Зона максимального однородного магнитного поля с погрешностью в 1 % по оси Х составляет 90 мм.

Диаметр соленоида должен быть максимальным и помещаться между кольцами Гельмгольца.

Исходные данные: радиус катушки Rк = 0,145 м; действующий ток I = 0,3 А; длина катушки lк = 0,3 м; диаметр провода dп = 0,00045 м; индукция магнитного поля соленоида В = 0,000060 Тл.

Напряженность магнитного поля:

(7)

Выражение для расчета напряженности магнитного поля соленоида:

(8)

где В — индукция создаваемого магнитного поля, Тл; I — сила тока, А; n — число витков на единицу длины, n = N/l; R — радиус соленоида, м; l — длина соленоида, м; x — координата точки на оси соленоида.

Индукция магнитного поля внутри соленоида , в середине продольной оси, то есть при x = l/2 вычисляется как:

(9)

Из формулы (9), имея известные данные магнитной индукции, силы тока и геометрических размеров соленоида, можно найти требуемое число витков намоточного провода:

Рис. 3. Распространение магнитного поля в центре соленоида вдоль оси Z

Шаг намотки провода на соленоид:

где t — шаг намотки провода, мм.

Сопротивление соленоида определяется, как

(12)

где d п — диаметр провода, м; ρ — удельное сопротивление меди 0,0178 Ом·мм²/м; Действующее напряжение определяется:

Расчетные значения индукции магнитного поля, созданного соленоидом вдоль оси Z, представлены на рис. 3.

Зона максимального однородного магнитного поля с погрешностью в 1 % по оси Z составляет 34 мм от центра соленоида в разные стороны.

Компьютерное моделирование магнитных полей

Моделирование магнитных полей, создаваемых системой «кольца Гельмгольца — соленоид», производилось в среде «Comsol» . Расчет магнитного поля выполнялся в модуле «Magnetic Fields (mf)» . Данные геометрических размеров, величины протекающих токов и количества витков использовались те же, что и при аналитическом расчете, а также, согласно техническому заданию, на разработку комплекса для проверки магнитометров инклинометра. Для более подробной визуализации распространения магнитных силовых линий в системе «кольца Гельмгольца — соленоид» представлены в упрощенном виде. Так как кольца Гельмгольца и соленоид включаются поочередно, то сначала моделируется работа соленоида, а затем работа колец Гельмгольца. На рис. 4, а показано распространение магнитных силовых линий в соленоиде.

Представленная на рис. 4, б, зависимость показывает, что зона максимального однородного магнитного поля с погрешностью, не превышающей 1 %, составляет 33 мм в обе стороны от центра соленоида по оси Z.

На рис. 5, а, показано распространение магнитных силовых линий поля при работе колец Гельмгольца.

Рис. 4. а — распространение магнитных силовых линий в соленоиде; б — величина магнитной индукции соленоида в зависимости от координаты точки, лежащей на продольной оси Z

Рис. 5. а — распространение магнитных силовых линий в кольцах Гельмгольца; б — величина магнитной индукции колец Гельмгольца в зависимости от координаты точки, лежащей на продольной оси Х

Представленная на рис. 5, б, зависимость показывает, что зона максимального однородного магнитного поля с погрешностью, не превышающей 1 %, составляет 40 мм в обе стороны от центра колец Гельмгольца по оси X.

Результаты аналитического моделирования показывают расхождения с графиками зависимости величины магнитного поля от координаты точки по осям соленоида и колец Гельмгольца, полученными при моделировании в среде Comsol. Расхождение результатов моделирования в среде Comsol с расчетными значениями для областей пространства, где магнитное поле однородно, не превышает для соленоида 3 %, а для колец Гельмгольца 12 %. Это связано с тем, что при использовании катушек колец Гельмгольца с большим количеством витков вторая производная при разложении в ряд Тейлора не равна нулю для пар витков, находящихся на расстоянии, отличном от R/2 вдоль оси Х, относительно геометрического центра системы. Вследствие чего неоднородность магнитного поля увеличивается. Расчеты и моделирование магнитных полей для системы «кольца Гельмгольца — соленоид» при заданных геометрических размерах и электрических параметрах питания системы показывают, что при позиционировании магнитометров проверяемого инклинометра в центре системы осуществлять проверку магнитометров инклинометра в полевых условиях возможно.

Дмитриев В.С., д.т.н., профессор НИ ТПУ, г. Томск;

Бориков В.Н., д.т.н., директор института неразрушающего контроля НИ ТПУ, г. Томск.

Работа поступила в редакцию 09.02.2015.

Библиографическая ссылка

Эскизы однофазных: электромагнитов переменного тока с различными типами магнитопроводов показаны на рис.2.1 — 2.3. Амплитудное значение магнитного потока Ф m при действующем значении напряжении питания U , частоте f и числе витков обмотки W без учета активного сопротивления обмотки определяется по формуле

Число витков обмотки приближенно равно

С учетом активного сопротивления обмотки (коэффициент k n =0,7 + 0,9) при заданной индукции в рабочем зазоре B em и активном сечении магнитопровода S m число витков

W = k n U/ (4, 44 f B em S m) . (2.3)

Амплитудное значение силы для однофазных систем без экранирующего витка при равномерном поле в рабочем зазоре и ненасыщенной магнитной системе определяется по формуле Максвелла (2):

где S п — площадь полюса, м 2 .

Если магнитный поток изменяется по синусоидальному закону Ф i = Ф m sinwt, то мгновенное значение электромагнитного усилия, согласно (2.4),

Р э i = Р эм sin 2 wt = Р эм (1- cos 2wt). (2.6)

Методики определения электромагнитного усилия Р э в функции от величины зазора, а также от времени для электромагнитов переменного тока приведены в работах .

Рис.2.1. Эскиз электромагнита переменного тока с втягивающимся якорем, имеющим квадратное сечение: 1 — якорь; 2 — остов; 3 – обмотка

При определении основных размеров н параметров однофазных электромагнитов с экранирующими витками площадь сечения полюса (м 2) может быть найдена по приближенной формуле, полученной из уравнения Максвелла исходя из условия отсутствия вибрации якоря

S п = 1.12 к р Р пр. к ·10 -5 / В 2 d m , (2.7)

где к р = (1,1 — 1,3) — коэффициент запаса по силе; В 2 d m = (1/1,2) T л — индукция в рабочем зазоре, которую выбирают вблизи колена кривой намагничивания применяемых сталей; Р пр. к – расчетная противодействующая сила при притянутом якоре, Н (для двухкатушечного электромагнита с двумя рабочими зазорами Р’ пр. к = 0,5Р пр. к; S п =b·a — площадь сечения полюса, г; м 2 ; в/а = 1…2 — отношение ширины полюса к его толщине.

Рис. 2.3 Эскиз клапанного П-образного электромагнита переменного тока; 1 — якорь; 2 — сердечник; 3 — основание; 4 — обмотка; 5 — экранирующий виток

Для двухкатушечного электромагнита при квадратном сечении полюса размер стороны квадрата (м), определяемый по приближенной формуле и условия превышения средней электромагиитной силы над противодействующей , равен

где Р п р — сила для той точки противодействующей характеристики, в которой произведение силы на зазор является максимальным.

При выбранной по уравнению (2,7) площади полюса S п ширина полюса (м) (при условии квадратного сечения) равна

где ∆ паз — ширина паза под экранирующий виток, выбирается из конструктивных соображений, м; k зс — коэффициент заполнения по стали.

Размер а 2 экранированной части полюса

где а э = 0,25 — 0,5 — отношение площади неэкраниреванной части полюса и экранированной.

Размер а 1 неэкранированной части полюса

Электрическое сопротивление экранирующего витка (Ом)

где δ к — конечный зазор между якорем и полюсом, м.

Высота экранирующего витка (м)

h в = 2 (b +a 2 +2∆ в) / r в ∆ в, (2.13)

где ∆ в — толщина витка, м; = — удельное электрическое сопротивление материала экранирующего витка при температуре нагрева Q. Ом-м; d — температурный коэффициент сопротивления, I/ о C; — удельное электрическое сопротивление материала витка при Q 0 , Ом-м.

Определяется площадь полюса S э = а 2 b , охваченная витком, и площадь полюса S н = а 1 b, не охваченная витком. Если пренебречь потерями мощности в короткозамкнутом витке и падаиием МДС на стальных участках магнитной цепи, то можно рассчитать угол сдвига между магнитными потоками, преходящими через эти части полюса.

φ = arctg φ ≈ arctg ω λ δэк / τ в, (2.14)

где λ δэк — проводимость зазора в экранированной части полюса при притянутом якоре. Практически достигнуть φ = 90 о невозможно и обычно φ =50 — 80°.

Мгновенные значения усилий для неэкранированной P эн i , и экранированной Р ээ i частей полюса можно определить по формулам соответственно

P эн i = P эн m (1-cos 2 ωt) /2. (2.15)

P ээ i = P ээ m (1-cos 2 ωt) /2. (2.16)

P эн m = Ф 2 н m / (2 μ 0 S н). (2.17)

P ээт = Ф 2 э m / (2 μ 0 S 0). (2.18)

Амплитуды магнитных потоков:

Ф н m = Ф н m S н / S n. (2.19)

Ф э m = Ф э m S э / S n. (2.20)

Среднее значение суммарной силы, действующей на якорь,

P эΣ = P эн m / 2 + P ээ m / 2 = P энср + P ээср. (2.21)

Максимальное и минимальное усилия, действующие на якорь

Где — амплитуда усилия переменной составляющей.

Изменение электромагнитных сил во времени показано на рис.2.4.

Для устранения вибрации якоря должно выполняться условие P Σ min >P мех. Если его условие не соблюдается, то параметры экрана варьируются.

МДС обмотки (А) для двухкатушечного электромагнита с двумя экранирующими витками определяют по приближенной формуле

, (2.24)

Для магнитных систем с внешним притягивающимся якорем МДС обмотки (А) без учета магнитного сопротивления стали при заданном потоке в рабочем зазоре Ф δm находят по формуле

, (2.25)

где Z δ Σ — суммарной магнитное сопротивление, Г н -1 , выражение для которого находят по схеме замещения магнитной цепи. Для приближенных расчетов можно принять. Z δ Σ ≈ R δ Σ.

Площадь сечения обмоточного провода (м 2)

где ∆ пр — плотность тока в проводе, N/м.

Площадь обмоточного окна одной катушки в двухкатушечном электромагните (м 2) равна

где k з.м. — коэффициент заполнений обмотки по меди. Индуктивность обмотки

где λ мΣ — эквивалентная магнитная проводимость системы, Гн.

Ток трогания (А) при начальной противодействующей силе Р пр (Н) для двухкатушечного электромагнита с двумя рабочими зазорами равен

, (2.29)

где dL/dδ — производная индуктивности по ходу якоря при начальном рабочем зазоре, Гн/м.

Амплитудное значение пускового тока при сопротивлении обмотки r 0

, (2.30)

где U m — aмплитудное значение напряжения питания.

Минимальное и максимальное время трогания

t тр мин = (arcsin k i тр) / (2 π f), (2.32)

t тр макс = [(arcsin (1-k i тр) – arcsin (1-k i тр)] / (2 π f) (2.33),

Минимальное и максимальное время движения

где d — коэффициент рассеяния; Ф m — амплитуда магнитного потока В Σ , равная

Среднее значение тяговой (электромагнитной) силы электромагнита (Н) определяется по энергетической формуле

, (2.38)

где I = U/Z — ток в обмотке, А; ψ = E/(2 π f) – действующее значение среднего потокосцепления, В δ ;

ЭДС обмотки; dψ/dδ , dI/dδ — производные, определяемые методом графического дифференцирования зависимостей I = f (δ) и ψ = f (δ); —

полное сопротивление обмотки.

Построение тяговой характеристики Р эср = f (δ) производится в такой последовательности: задаваясь величиной зазора, определяют λ мэ, Z, I, E, ψ, строят зависимости I = f (δ) и ψ = f (δ), графическим методом определяют производные и dψ/dδ , dI/dδ. Эти значения подставляют в формулу (2.38).

Контрольное задание № 3. Расчет реле напряжения постоянного тока на герконах

Студенты, у которых предпоследние цифры номера зачетной книжки от 0 до 3, применяют герконы типа КЭМ-1, от 3 до 7 — типа КЭМ-2, а от 7 до 9 — типа КЭМ-6. Номер варианта выбирается но последней цифре номера зачетной книжки в табл.3.1.

Требуется выбрать параметры обмотки управления для реле напряжения с внутренним расположением герконов.

Кто изготавливал лично соленоиды? Столкнулся с трудностями в расчетах и решил выложить вопросы с рассуждениями сюда, заодно пригодится может кому.

Соленоид это електромагнит с подвижным якорем. Якорь играет роль возвратно поступательного механизма. Используются в електрозамках дверей машин и других областях. В моем случае соленоид выполняет функцию плавного регулятора давления в системе: Дроссель, електромагнит и левый конец пружины статически зафиксированы, правый конец пружины и рычаг крана соеденены. При подачи тока в катушку якорь втягивается, соотвественно тянет за собой рычаг, рычаг тянет пружыну и осуществляется плавный ход если добавлять ток. Если ток сбросит — рычаг вернется в исходное положение, которое задает пружина и поток будет перекрыт.

Альтернативой есть актуатор, это електродвигатель + винтовая передача. Видео на ютубе ищите. Минус в том, что оно слишком медленное.

В общем перелопатил я весь интернет в поисках информации по соленоидам и електромагнитам нашел тонны знаний, но без особой конкретики, или это мне так тяжело собрать все в кучу. Тем не менее точных понятных доступных формул я так и не нашел. Даже строители гаусганов пользуются фиксироваными парамтерами и подбирают все методом проб.

Вот что есть на данный момент:

R-требуемое сопротивление исходя из параметров источника питания

g-удельное сопротивление меди 0,0175 ом*мм2/м

В нашем случае для примера источником питания является «крона», 9 вольт напряжение и 500мАч емкость (I не указано на корпусе, взял стандарт с гугла)

Провод медный сечение 0.8мм, значит радиус 0.4, площадь =piR2= 3.14*0.4*0.4 = 0.5024мм2

Ток в аккумуляторах высчитывается по формуле= емкость делено на 20 часов. Это значит, что полный расход произойдет за 20 часов с напряжением 9 вольт и током 0.025 А, I = 500\20=0.025A

Сопротивление системы равно = R=9\0.025=360Om

L= (0.5024*360)\0,0175= 10335 мм = 10м

Надо так много провода на относительно маломощный соленоид. Что ж, попробуем.

В итоге получилась высота катушки 5см, внутренний диаметр 0.5см, внешний где-то 2см, и 6.5 слоев намотки провода. Витки не считал.

Результат вообще нулевой, вставив гвоздь в середину ели притянулась к гвоздю шайбочка маленькая. Отчаявшись решил сделать простой електромагнит — намотал 1 метр провода прямо на гвоздь в несколько слоев, так же результат мизерный.

Игорь Мухин сделал программу ( http://imlab.narod.ru/M_Fields/Coil10/Coil10.htm ) для расчетов соленоида, исходные данные:

R1 — внутренний радиус соленоида

R2 — внешний радиус соленоида

D — диаметр обмоточного провода

Результативные данные: Ток, Индуктивность, Сопротивление, Количество витков, индукция то есть тяга

(в софте надо изменить точки на запятые что бы заработало)

Источник