- •К выполнению курсового проекта «Расчет магнитного захвата (держателя) с управляемыми постоянными магнитами»
- •1. Магнитные свойства твердых тел.
- •1.1. Классификация магнетиков
- •1.2. Природа диамагнетизма
- •1.3. Природа парамагнетизма
- •1.4. Диамагнетизм и парамагнетизм твердых тел
- •1.5. Ферромагнетизм. Молекулярное поле вейсса
- •1.6. Опыт дорфмана
- •1.7. Обменное взаимодействие и его роль в возникновении ферромагнетизма
- •1.8. Спиновые волны
- •1.9. Антиферромагнетизм и ферримагнетизм
- •1.10. Ферромагнитные домены
- •1.11. Магнитный резонанс
- •Расчет магнитного захвата (держателя) с управляемыми постоянными магнитами.
- •1. Принцип работы упм.
- •2. Расчет упм.
- •Результаты расчета должны быть сведены в таблицу
- •347360, Волгодонск, ул. Ленина, 73/94
2. Расчет упм.
Для упрощения расчета считаем, что
магнитное сопротивление магнитопровода и удерживаемой стали равно 0;
магнитное сопротивление в воздушном зазоре между магнитом и магнитопроводом равно 0;
поскольку длина средней силовой магнитной линии магнитного потока обоих магнитов намного больше воздушного зазора δ, считаем, что
B1 = Br1; B2 = B r2 (3).
Br1, B r2 – остаточная индукция первого и второго магнита.
2.1. Выбор и расчет размеров ПМ.
Расчет начинается с выбора материалов обоих магнитов. Материал выбирается по характеристикам размагничивания магнитов (спинка размагничивания - рис.3).
В данной работе выбор производится в соответствии с заданным вариантом, таблица1.
Для того чтобы выполнялось условие (1) один из магнитов необходимо будет обрезать. Магнитотвердые ферриты хрупкие и не поддаются механической обработке, обработать резкой можно только магнит 2. Поэтому выбор габаритных размеров начинают с магнита 1.
Направление намагниченности вдоль размера h1.
Рассчитываем необходимую площадь магнита 2 из условия (1) и с учетом (3) имеем
В r1 ×S1 = B r2 ×S2;
S2 = B r1 ×S1 /B r2 ;
S1 = c 1 ×b1;
(4)
Значение B r1 и B r2 выбирается по справочнику “Постоянные магниты” под редакцией д.т.н., проф. Пятина Ю.М.
Всоответствии с вариантом выбираем типоразмер магнита 2 и рассчитываем площадь типоразмера S2' (площадь стандартного магнита 2):
S2' = с2×b2 .
В данной работе габаритные размеры магнитов выбраны так, что S2' ≥ S2, и для магнита 2 достаточно одного серийно поставляемого магнита;
В производственных условиях, исходя из технического задания на разработку и условий поставки серийных магнитов, можно получить S2' < S2, в этом случае магнит 2 делается составным из двух и более серийных магнитов так, чтобы S2'n ≥ S2 ; где n - количество серийных магнитов.
Рассчитываем необходимые размеры магнита 2. Для этого определяем величину, на которую нужно подрезать один или сразу два размера, определяющие площадь S2' .
Например, при намагниченности вдоль размера h уменьшить площадь S2' = с2×b2 можно уменьшив размер b2 или с2. В первом случае получим (рис.5), во втором .
Рис.5
В технически обоснованных случаях, когда один размер (с2 или b2) магнита 2 должен быть равен определенной величине, производится подрезка магнита 2 по двум размерам (рис. 6).
Рис 6.
2.2. Расчет катушки перемагничивания.
По условию 2 определяем напряженность магнитного поля, которую должна создавать катушка H= 3×HC2; значение HC2 выбирают из справочника.
Согласно закону полного тока:
H×lср = J× (5),
lср –длина средней магнитной линии; J – ток; – количество витков.
Магнитный поток катушки перемагничивания замыкается через магнит 1 (l1ср), через удерживаемую сталь и полюса магнитопровода (l2ср). Для упрощения расчета считаем, что l1ср = l2ср= lср;
J = j×Sпр (6)
j – плотность тока; Sпр – площадь сечения провода.
Диаметр провода выбирается в соответствии с вариантом.
Длительность тока перемагничивания определяется длительностью переходного процесса перемагничивания, которое не превышает 3 секунд. Допустимая плотность тока при одиночном импульсе длительностью 3 секунды в 6 ÷ 8 раз (7 раз в среднем) больше плотности постоянного тока.
Для медного провода допустимая плотность постоянного тока лежит в пределах 2.3 ÷ 3.5 A/мм2 (3.0 A/мм2 в среднем). Тогда плотность одиночного импульса тока равна:
Определяем величину тока J из соотношения (6).
Площадь окна обмотки равна
Sок = f×m;
Длина средней силовой линии магнитного поля равна:
lср= 2 f+2 m+ a =P+ a;
где: Р – периметр прямоугольника со сторонами m и f.
При f = m площадь прямоугольника, а следовательно и площадь окна обмотки будет иметь максимальное значение (рис.7). Поэтому принимаем f = m, тогда:
lср = 4f + a ( 7 ) .
Подставив ( 2 ) и ( 7 ) в ( 5 ) получим :
3Hc2×(4f+ a) = J× ( 8 ).
Чтобы обмотка поместилась в окно намотки должно выполняться соотношение
Sпр / ky Sок ;
Sок = f×m = f 2;
Sпр = ×D2max / 4 ;
××D2max /(4×ky) f 2 ( 9 ) .
Размер a (ширина полюса магнитопровода) определяется по максимальному потоку магнитного поля.
= 1 + 2 = Sn×Bст ,
где Sn — сечение полюса магнитопровода .
Sn = a×d ,
Ф = Br1×S1 +Br2×S2 = Sn×Bст = Bст× a×d ,
.
Магнитопровод изготавливается из электротехнической стали, индукция в магнитопроводе ( Bст ) не превышает 1.5 Тл. Практически индукция стали выбирается в пределах ( 1.1 – 1.5 ) Тл, в зависимости от марки стали.
Дальнейший расчет ведется методом подбора значений и f так, чтобы выполнялись соотношения ( 8 ) и ( 9 ) . Рекомендуемые значения начала подбора : = 1000 , f = 0.5 м. Значения и f должны быть минимально возможными, так как необоснованное увеличение и f приводит к резкому увеличению веса и размеров УПМ.
2.3. Расчет геометрических размеров магнитопровода.
Высота H ( рис.6 ) равна H = 2m + n1 + n2 = 2f + n1 + n2 . Значения n1 и n2 определяются габаритными размерами магнитов.
Размер d определяется габаритными размерами магнитов.
Если ни один из размеров с2 или в2 магнита 2 не равны размеру d (рис. 7), то магнить 2 подрезается с двух сторон так, чтобы с2 или в2 был равен d.
Если размеры магнитов 1 и 2 по ширине УМП (по размеру d) не будут равны друг другу, магнитопровод будет иметь сложную конфигурацию, следовательно, резко снижается технологичность УПМ. В противном случае УМП будет иметь ступенчатую конфигурацию, что приведет к необоснованному увеличению магнитных потоков рассеивания.
2.4. Расчет силы захвата стального листа.
Сила взаимодействия между магнитопроводом и сталью создается магнитными потоками обоих магнитов и определяется по формуле:
,
где: W – энергия магнитного поля в зазоре;
- величина воздушного зазора.
Рабочая точка магнитной цепи УПМ находится на прямой магнитного возврата, поэтому магнитная цепь в данном случае будет линейной. Она может быть представлена в виде источника (с магнитодвижущей силой и внутренним магнитным сопротивлением rвн), работающего на нагрузку в виде двух параллельно включенных сопротивлений: магнитного сопротивления рабочего зазора r1 и магнитного сопротивления путей рассеивания r2.
Отсюда для потока одного магнита получим выражение:
.
где lМ – длина магнита.
Аналогично для энергии магнитного поля получим выражение:
Малые изменения длины воздушного зазора не влияют на величины rвн, r2. Поэтому можно считать, что r1 = f().
Отсюда получаем:
Магнитное сопротивление зазора равно:
.
Тогда можно получить следующее выражения:
и формула для расчета силы будет иметь вид:
.
Поскольку рабочая точка находится на прямой магнитного возврата, то внутреннее сопротивление магнита будет равно:
где FВН – часть магнитодвижущей силы, затрачиваемой внутри магнита;
SМ – площадь поперечного сечения магнита;
ВМ – индукция намагниченности;
НВН – напряженность поля внутри магнита.
Как видно из рис.8
Рис. 8
тогда:
;
где: - магнитная жесткость фиктивного закритического материала.
Для расчета магнитного сопротивления путей рассеивания r2 могут быть использованы различные формулы, но так как в данном случае величина воздушного зазора невелика, можно применить наиболее простую формулу Ротерса:
.
Тогда формула для определения силы после подстановок приобретает вид:
После преобразований получаем формулу:
Поскольку сила захвата будет создаваться двумя магнитами, то окончательный вид формулы приобретает вид:
(10),
где 0 = 4××10-7 – магнитная постоянная;
Br1, Br2 остаточная индукция первого и второго магнитов, выбирается по справочнику;
l1M, l2M длина магнита 1 и магнита 2, для магнита 1 l1M =h1 , для магнита 2 l2M = h 2;
V1M , V2M объем первого и второго магнитов:
V1M = h1×b1×c1 , V2M = h2×b2×c2 ;
S1M , S2M поперечное сечение магнита 1 и магнита 2. Для магнита 1 S1M = b1×c1 , для магнита 2 S2M = b2×c2 ;
Sn1, Sn2 сечение полюсов магнитопровода у магнитов 1 и 2 (рис.9), размеры Sn1 и Sn2 определяются размером d и высотой магнитов.
Для магнита имеющего размер равный ширине устройства площадь поперечного сечения и площадь полюса магнитопровода равны. Их отношение в формуле (10) будет равно 1 (на рисунке это магнит 2).
магнитная жесткость магнита 1 ,
магнитная жесткость магнита 2 .
Рабочие точки обоих магнитов лежат на характеристике размагничивания, поэтому B01 = Br1 , B02 = Br2 , H01 = Hc . Значение H02 (коэрцитивная сила фиктивного закритичного материала для магнита 2) определяется графическим методом. Для заданного материала магнита 2 в справочнике ” Постоянные магниты “ находится график кривой размагничивания B = f (H) . В точке B = Br проводится касательная линия до пересечения с осью абсцисс (рис.9). Точка пересечения касательной с осью абсцисс определяет значение H02.
d
магнит 1
Sn1
Sn2
магнит 2
Рис.10
воздушный зазор между полюсами магнитопровода и удерживаемой сталью определяется чистотой обработки полюсов магнитопровода и поверхности стали.
= AM + Aст , где AM и Aст средняя высота шероховатости полюсов магнитопровода и стали.
Значением AM можно пренебречь, поскольку полюса магнитопровода при изготовлении шлифуются с высокой степенью чистоты обработки : = Aст . Значение Aст выбирают по заданному варианту.
Оформление расчета
Пояснительная записка должна содержать следующие разделы:
Теоретическую часть
Исходные данные
Расчет
Полученные результаты
Вывод
Исходные данные должны быть сведены в таблицу:
Вариант ________________________
(указать вариант )
Магнит №1 |
Марка магнита, магнитные характеристики и размеры, (например 25 БА 150 Br = 0,38Т, Нс = 145 кА/м, с1= 68мм, b1 = 40мм, h1 = 16мм) |
Магнит №2 |
Марка магнита, магнитные характеристики и размеры, (например ЮНД4 Br = 0,5Т, Нс = 40 кА/м, с2 = 43,5мм, b2 = 47мм, h2 = 11мм) |
Данные обмоточного провода (диаметр провода, максимальный диаметр провода, коэффициент укладки) |
(например: 1,0; max = 1,09, коэффициент укладки 0,33) |
Величина воздушного зазора |
( например 35мм) |
Расчет должен быть выполнен с подстановкой в формулы цифровых значений, например: