МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТОЛЬЯТТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА «ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОННИКА»

Слукин А.М. , Медведев В.А.

РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОМАГНИТА

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Учебно-методическое пособие

Тольятти 2008

УДК 621.316.37

ББК

Рецензент: заведующий кафедрой «Информационный и электронный сервис» Тольяттинского государственного университета сервиса, доктор технических наук, профессор А.И. Туищев.

Слукин А.М. , Медведев В.А. Расчет электромагнита постоянного тока: Учебно-методическое пособие. – Тольятти: ТГУ, 2008.-22с.

Рассмотрены вопросы конструирования электромагнитов постоянного тока, применяемых в электрических аппаратах. Изложены проектный и поверочный расчеты электромагнитов постоянного тока клапанного типа.

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов при изучении дисциплины «Электрические и электронные аппараты».

Утверждено научно-методической комиссией электротехнического факультета Тольяттинского государственного университета.

© Тольяттинский государственный университет 2008.

Введение

Электромагнитные механизмы, получившие широкое распространение в технике, весьма разнообразны по конструктивному исполнению и выполняемым функциям. Основной частью таких механизмов является электромагнит, служащий чаще всего для преобразования электрической энергии в механическую. Широкое использование электромагнитов в электрических аппаратах требует технически грамотного решения по их проектированию и расчету.

Проектирование электромагнита можно условно разбить на четыре этапа:

1. Выбор магнитной цепи электромагнита.

2. Проектный расчет, при котором определяются основные размеры электромагнита.

3. Поверочный расчет, в котором рассчитывается магнитная цепь электромагнита и уточняются параметры, полученные в проектном расчете.

4. Конструирование всего устройства с учетом его применения и технологии производства.

В настоящем пособии изложены проектный и поверочный расчеты электромагнита постоянного тока клапанного типа.

1. Основные эксплуатационные параметры электромагнитов

1. Конструктивная форма.

2. Род тока, номинальное напряжение, частота источника питания, режим питания (постоянство напряжения, тока, мощности).

3. Режим работы (продолжительный, кратковременный, повторно-кратковременный и др.).

4. Потребляемая мощность.

5. Развиваемая сила и величина начального хода – тяговая характеристика.

6. Предельная температура нагрева (класс нагревостойкости изоляции).

7. Параметры притягивания (втягивания) и отпускания якоря (сердечника): время, напряжение, ток.

8. Износостойкость – число гарантируемых операций.

9. Масса.

10. Габаритные размеры.

11. Стоимость.

2. Исходные данные для расчета электромагнита

постоянного тока.

2. Конструкция электромагнита клапанной формы (рис.1).

2. Род тока – постоянный. Номинальное напряжение катушки и класс изоляции.

2. Режим работы – продолжительный.

2. Противодействующая характеристика (рис.2).

2. Температура окружающей среды.

3. Проектный расчет.

Порядок выполнения проектного расчета.

3. Выбор материала сердечника, скобы, якоря.

Для электромагнитов постоянного и переменного тока применяют [1]:

а) магнитно-мягкие низкоуглеродистые стали;

б) сталь электротехническую нелегированную отожженную;

в) сталь углеродистую качественную конструктивную марки 20 отожженную;

г) чугун ковкий отожженный и др.

Электромагниты постоянного тока малых размеров: реле, контакторы рекомендуют изготавливать из прутков, полос и листов низкоуглеродистой низкокоэрцитивной электротехнической стали.

Электромагниты средних размеров – из качественной конструкционной низкоуглеродистой стали марок 05, 08, 10,

Электромагниты больших размеров – из электротехнического чугуна. В пояснительной записке представляют зависимость В(Н) выбранного материала (рис.3).

3. Площадь полюсного наконечника

, (1)

где – расчетная электромагнитная сила, при которой электромагнит срабатывает, Н. Она принимается равной расчетной критической противодействующей силе:

, (2)

Здесь – коэффициент допуска по силе.

Величина выбирается по механической характеристике в той точке, где произведение максимальное. Если это точка 1, то берется в зависимости от выбранного материала на колене кривой намагничивания.

Если это точка 2 или 4, то .

3.3. Диаметр полюсного наконечника

. (3)

Рис.1. Конструктивная схема электромагнита клапанного типа

Рис.2. Противодействующая характеристика

Рис.3. Характеристика намагничивания стали.

Принимается большее целое значение во всех случаях.

3.4. Диаметр сердечника

. (4)

При увеличении растут потоки рассеяния .

3.5. Толщина полюсного наконечника

. (5)

В существующих конструкциях

. (6)

3.6. Размеры обмотки.

Размеры обмотки зависят от создаваемой ею МДС, необходимой для срабатывания электромагнита .

Так

(7)

где – МДС, необходимая для проведения магнитного потока через рабочий зазор, А.

– магнитная индукция в рабочем зазоре при опущенном якоре. Для реле рекомендуется [1]:

;

– рабочий зазор в отпущенном (начальном) положении якоря, м.

– магнитная постоянная.

3.7. Сечение обмотки

, (8)

где – коэффициент напряжения, учитывающий максимальное колебание напряжения в сети;

– коэффициент, учитывающий минимальное колебание напряжения в сети;

– плотность тока при продолжительном режиме работы;

– коэффициент перегрузки по току. Для продолжительного режима работы , для кратковременного и повторно-кратковременного ;

– коэффициент заполнения обмоточного пространства.

Приближенно .

Стороны сечения обмотки определяются по формуле (8) и отношению .

В данном расчете принимаем

. (9)

3.8. Наружный диаметр обмотки

. (10)

3.9. Размер скобы

. (11)

Ширина скобы . Конструкция скобы должна быть достаточно жесткой, т.к. оно является основанием для размещения на ней контактной системы.

3.10. Размеры сечения якоря

, (12)

.

3.11. Расстояние от скобы до сердечника выбирается по конструктивным соображениям при условии, что .

3.12. Уточнение размеров.

3.12.1. Уточнение – диаметра сердечника и – диаметра полюсного наконечника (если он предусмотрен).

3.12.2. Уточнение – длины обмотки и – длины катушки. Толщина торцевых изоляционных шайб выбирается в зависимости от принимаемой конструкции катушки (бескаркасной, намотанной на трубу или сердечник) и ее размеров, зависящих от диаметра сердечника [1].

3.12.3. Определение длины сердечника . Она зависит от длины катушки , высоты полюсного наконечника или выступающей из катушки части сердечника, принимаемой равной .

3.12.4. Определение внутреннего и наружного диаметров обмотки и высоты обмотки . Величина принимается равной диаметру сердечника с учетом толщины внутренней изоляции:

. (13)

Высота обмотки определяется из формулы (5.8)

. (14)

Толщины изоляции внутренней и наружной выбирается в зависимости от принятых конструкций и размеров катушки.

3.12.5. Определение площади и размеров сечения скобы, нерабочего зазора. Сечение скобы должно быть не менее сечения сердечника, даже может быть большим с целью увеличения жесткости конструкции.

Ширину скобы целесообразно принимать близкой к наружному диаметру катушки . Однако часто определяется конструкцией всего аппарата, в частности его контактной системой, и иногда принимается больше D_k.

Толщина скобы должна быть достаточной с точки зрения получения оптимальной проводимости нерабочего воздушного зазора в месте сочленения сердечника и скобы.

3.12.6. Уточнение площади и размеров сечения якоря

. (15)

Для облегчения якоря может быть принято

. (16)

Длина внешнего плоского якоря выбирается по конструктивным соображениям. Если не требуется его удлинить, то целесообразно, чтобы он несколько выступал за полюсной наконечник. На такую же величину целесообразно увеличить якорь с двух сторон по ширине. Это увеличивает магнитную проводимость рабочего зазора при не притянутом якоре, а следовательно, увеличивает развиваемую силу.

3.12.7. Составление эскиза осевого разреза электромагнита по определенным размерам. Вычерчивание эскиза в масштабе или в натуральную величину.

3.12.8. Определение длины средних линий магнитного потока на всех участках магнитопровода.

3.12.9. Выбор величин рабочих воздушных зазоров и определение их расчетных площадей.

Обычно расчетный зазор принимается

.

Если детали имеют гальваническое покрытие цинком, никелем (т.е. диамагнетиком) при толщине покрытия, например 0,015 мм, то

.

3.12.10. Выбор величин нерабочих зазоров и определение их расчетных площадей. У маленьких электромагнитов зазор для «отлипания» якоря принимается равным с учетом гальванопокрытия:

.

У больших электромагнитов в рабочем зазоре предусматриваются штифт или пластина «отлипания» толщиной . У еще больших, например у контакторов, между полюсным наконечником и сердечником устанавливается круглая пластина «отлипания» из латуни толщиной 0,2 …0,5 мм. Пластина «отлипания» учитывается при расчете как нерабочий зазор. Рабочий же зазор в этом случае с учетом слоев гальванопокрытия

.

Нерабочий зазор между плоским якорем и скобой изменяется от величины, равной рабочего зазора до наибольшей величины при опущенном якоре.

За расчетные величины принимаются зазоры в месте расположения средней линии магнитного потока (в середине скобы).

Зазор в месте сочленения сердечника и скобы зависит от конструкции сочленения. При резьбовом сочленении (диаметр резьбы ) необходимо учитывать два параллельных зазора:

а) кольцевой, между торцом сердечника и скобой , его можно принять равным .

б) цилиндрический, длина которого при наличии гайки равна толщине скобы, его величина принимается равной 0,01…0,2 мм.

При соединении, выполненном с применением давления около , зазор можно принять равным сумме толщин гальванопокрытий двух сочленяемых деталей.