2. Методика расчета индукционных катушек

2.1. Расчет выходной мощности

Индукционные катушки с электромагнитным прерывателем являются частью систем зажигания двигателей, поэтому проектирование проводится по параметрам, характеризующим систему зажигания в целом. Основными заданными величинами являются: напряжение питания U_п, энергия одиночного разрядного импульса в свече W_св, частота следования разрядов в свече f, начальное напряжение на накопительном конденсаторе U_o, индуктивность разрядной цепи системы зажигания L, ток разрыва контактов электромагнитного прерывателя J_Р, емкость конденсатора, включенного параллельно контактам прерывателя С₁.

Расчет выходной мощности индукционной катушки в составе емкостной системы зажигания, показанной на рис. 6, ведется в следующей последовательности [4].

Определяется величина емкости накопительного конденсатора

,

где W₀ – начальная энергия накопительного конденсатора.

Величина W₀ находится, исходя из заданной энергии разрядов

в свече W_св

,

где – КПД использования энергии накопительного конденсатора, зависящий, в частности, от индуктивности разрядной цепи и емкости накопительного конденсатора. Величина выбирается по графикам на рис. 9 [4, 5]. При этом C_н предварительно задается при использовании эмпирического соответствия между W_св и С_н, показанного в табл. 1 для двух средних значений U₀, соответствующих применяемым типам разрядников.

Выходная мощность источника высокого постоянного напряжения, обеспечивающая необходимые энергию и частоту следования разрядов в свече, имеет вид

,

где – суммарная начальная энергия накопительного конденсатора и конденсатора активизатора:

,

где С₂ – емкость конденсатора активизатора.

Как правило, величина С₂ принимается равной 0,1 мкф.

Предварительное определение С_Н Таблица 1

Wсв, [Дж] для U0=2кВ	0,07÷0,15	0,15÷0,3	0,3÷0,6	0,6÷1,1
Wсв, [Дж] для U0=2,7кВ	0,1÷0,2	0,2÷ 0,4	0,4÷ 0,8	0,8 ÷1,3
СH, [мкФ]	0,25	0,5	1	2

Выходная мощность индукционной катушки с учетом потерь в цепи заряда конденсаторов составит

,

где – КПД зарядной цепи.

2.2. Предварительный расчет параметров первичной цепи

Для осуществления нормального рабочего процесса в индукционной катушке, т. е. для четкого размыкания контактов, необходимо выполнить условия :

; (11)

, (12)

где U_{п min} – минимальное напряжение питания;

R₁ – активное сопротивление первичной цепи индукционной катушки;

L₁ – индуктивность первичной цепи;

t₃ – время замкнутого состояния контактов;

T₁ – постоянная времени первичной цепи;

– статический ток разрыва контактов;

– динамический ток разрыва;

K_g = 1,4 ÷ 1,6 – коэффициент динамичности.

Рисунок 9. Зависимости =f(L,C_н)

Выполнение условий (11) и (12) обеспечивает высокую скорость нарастания первичного тока и, следовательно, электромагнитной силы; исключает залипание контактов при U_п = U_{п min.}

Емкость накопительного конденсатора достаточно велика, поэтому индукционная катушка в течение первой четверти периода волны вторичного напряжения после размыкания контактов работает на большую емкостную нагрузку через внутреннее сопротивление выпрямителя. Частота размыкания контактов прерывателя для обеспечения заданной частоты следования разрядов в свече определяется выражением

,

где n – число зарядных импульсов для заряда накопительного конденсатора до напряжения пробоя разрядника; n примерно равно 50 ÷ 200, причем с ростом емкости накопительного конденсатора при неизменном напряжении пробоя разрядника n увеличивается.

Число зарядных импульсов n определяется по графикам на рис. 10 по расчетной величине емкости накопительного конденсатора C_н и заданному напряжению пробоя разрядника U₀.

Рис. 10. Зависимость n=f (C_н,U₀)

Обеспечение заданной частоты размыкания контактов при известном напряжении питания влияет на определение индуктивности первичной цепи катушки L₁. При нахождении L₁ и соответствующего ей динамического тока разрыва контактов J_р необходимо учитывать следующее. При малых значениях L₁, которым соответствуют значительные J_р, возможно дугообразование на контактах; с другой стороны, завышенные значения L₁ приводят к низкому КПД катушки и большому расходу активных материалов.

Определение величины L₁ и соответствующего ей активного сопротивления первичной цепи R₁ зависит от назначения катушки и заданных ее характеристик [2].

Для мощных катушек с большой требуемой частотой размыкания контактов ( ) величина L₁ определяется из упрощенного выражения для J_p, которое справедливо при малых R₁:

,

откуда

, (13)

где – время замкнутого состояния контактов прерывателя;

– относительная замкнутость контактов;

.

Индуктивности L₁ по уравнению (13) соответствуют значения R₁< 1 Ом, что ускоряет процесс размыкания контактов, но требует значительного расхода меди.

Допустимые величины токов разрыва J_p в (13) зависят от емкости первичного конденсатора, материала контактов. Для платиноиридиевых контактов с параллельной емкостью C₁= 0,35 ÷ 0,5 мкФ рекомендуется выбирать J_p =3 ÷ 6 А.

Для катушек с малой требуемой частотой размыкания контактов (N < 500 ) нецелесообразно занижать R₁ и тем самым увеличивать расход меди. Величина L₁ выбирается в этом случае с точки зрения допустимых токов разрыва в соответствии с зависимостью J_p =f(L₁) на рис. 11, а R₁ определяется по кривой L₁ = f(R₁), которая строится по уравнению для L₁, полученному из выражения

;

отсюда следует

.

После определения параметров J_{p ,} L₁, R₁ производится проверка выполнения условий осуществления нормального рабочего процесса в индукционной катушке (11) и (12). В случае невыполнения этих условий величины J_p, L₁ и R₁ корректируются.

Рис. 11. Зависимость J_р = f (L₁)