NAM CHÂM ĐIỆN 6.1. KHÁI NIỆM Nam châm điện được sử dụng ngày càng rất rộng rãi mà không một lĩnh vực ngành nào không sử dụng nó. Nhiệm vụ chủ yếu của nam châm điện là bộ phận sinh lực để thực hiện các chuyển dịch tịnh tiến hay chuyển quay hoặc sinh lực hãm. Trong mỗi lĩnh vực khác nhau thì có những loại nam châm khác nhau về hình dáng, kết cấu, ứng dụng. Các quá trình vật lý xảy ra trong nam châm điện rất phức tạp, thường được mô tả bằng các phương trình vi phân tuyến tính. Vì vậy việc tính tóan nam châm điện thường được dựa theo các công thức gần đúng, đơn giản sau đó mới kiểm nghiệm lại theo công thức lý thuyết, dẫn tới bài toán tối ưu. Đối với công tắc tơ, nam châm điện là cơ cấu sinh lực để thực hiện tịnh tiến đối với cơ cấu chấp hành là hệ thống các tiếp điểm. 6.2. TÍNH TÓAN KÍCH THƯỚC NAM CHÂM ĐIỆN 6.2.1. Các số liệu ban đầu a/ Dạng kết cấu Với công tắc tơ xoay chiều ba pha thì thường chọn nam châm điện có kết cấu chữ E hút thẳng. b/ Vật liệu: Tra bảng 5 -3 (TL1) chọn Thép lá kỹ thuật điện hợp kim tăng cường ∃31 (thép Silic). Loại thép này có lực từ phản kháng bé nên tổn hao do từ trễ không đáng kể. Các thông số kỹ thuật của thép ∃31: Lực từ phản kháng HC 0,35 A/cm Từ cảm dư 1,1T Từ cảm bão hòa 2T Độ từ thẩm 250 Độ từ thẩm cực đại 6,5 Điện trở suất 50.10 -8 Ω.cm Khối lượng riêng 7,65 g/cm 3 Thành phần Cacbon 0,025% Tổn hao từ trễ khi bão hòa 0,15 Từ cảm lõi thép 0,6T Chiều dày lá thép 0,5 mm c/ Chọn từ cảm, hệ số từ rò, hệ số từ cảm Chọn điểm tính toán là K (điểm nguy hiểm), tại δ = 3 mm F tt = 23,645 N Chọn B δ = 0,5T Chọn hệ số từ rò σ r = 1,4; hệ số từ tản σ t = 1,2 6.2.2. Tính tiết diện lõi mạch từ - Theo công thức 5 - 8 (TKKCĐAH), tổng diện tích lõi thép mạch từ để đạt được lực điện từ ở điểm tới hạn: S l Σ = trong đó F tt lực hút điện từ ở điểm tới hạn: F tt = 23,645 N k: hệ số dự trữ, chọn k = 1,15 => S l Σ = = 5,47 . 10 -4 m 2 = 547 mm 2 - Diện tích lõi cực từ giữa: S l2 = = = 273,5 (mm 2 ) - Diện tích lõi 2 cực từ nhánh: S l1 = S l3 = = = 13,75 (mm 2 ) Hình vẽ - Đối với cực từ giữa Chọn = 1,25 => a = = ≈ 12,32 (mm) Để đảm bảo mạch được đóng cắt một cách nhanh chóng và lực từ đủ mạnh ta chọn: a= 16 mm b= 1,25a = 1,25 . 16 ≈ 20 (mm) - Cạnh thực của lõi thép: b' = với K c = 0,9 là hệ số ép chặt các lá thép b' = ≈ 22 (mm) - Số lá thép kỹ thuật điện: n = = = 44 (tấm) trong đó ∆ = 0,5 mm là chiều dày một lá thép. - Hai cực từ mạch nhánh chọn kích thước: d= 12 mm b= 20 mm 6.2.3. Tính toán cuộn dây a/ Sức từ động của cuộn dây - (IW) tđ = (IW)Σδ nh + (IW) h (A. vòng) (CT 5-18) trong đó: ⋅ (IW)Σδ nh : sức từ độn của khe hở không khí làm việc khi phần ứng hở. ⋅ (IW) h : sức từ động không đổi khi khe hở không khí làm việc - (IW)Σδ nh = (CT 5 - 19 TL1) Σδ nh - tổng khe hở không khí làm việc Σδ nh = 2 . δ nh = 2.4.10 -3 = 8. 10 -3 (m) µ 0 = 1,25.10 -6 (H/m) => (IW)Σδ nh = = 3200 (A.vòng) - (IW) h = (CT 5 -20 TL 1) σ r : hệ số từ rò, σ r = 1,4 Σδ h : khe hở không khí ở trạng thái hút Σδ h = 2δ cn + δ cd + δ ht = 0,2 ÷0,7 mm δ cn = 0,03 ÷ 0,1 mm - khe hở công nghệ, chọn δ cn = 0,05 mm δ cd = 0,1 ÷ 0,5 mm - khe hở chống dính, chọn δ cd = 0,3 mm δ ht : khe hở giả định, chọn δ cd = 0,1 mm => Σδ h = 2.0,05 + 0,3 + 0,1 = 0,5 mm (IW) h = = 280 (A.vòng) => (IW) tđ = 3200 + 280 = 3480 (A. vòng) - Kiểm tra lại, ta có hệ số bội số dòng điện: K t = = ≈ 12,43 => thỏa mãn yêu cầu K t = 4 ÷ 15 b/ Kích thước cuộn dây Hình vẽ - Tiết diện cuộn dây được xác định cho trạng thái phần ứng bị hút vì khi phần ứng hở, dòng điện chạy trong cuộn dây lớn hơn nhiều lần so với khi phần ứng bị hút và thời gian rất ngắn. Vì vậy sức từ động (IW) tđ được tính ở trạng thái hở của phần ứng cần phải đưa về trạng thái hút của phần ứng. - Theo công thức 5 - 24 (TL1), diện tích cuộn dây: S cd = trong đó: K U max : Hệ số tính đến điện áp nguồn tăng mà NCĐ vẫn làm việc. Chọn K U max = 1,1. K U min : Hệ số tính đến điện áp nguồn giảm mà NCĐ vẫn làm việc. Chọn K U min = 0,85. K qt : Hệ số quá tải dòng điện ở chế độ làm việc dài hạn K qt = 1 j: Mật độ dòng điện trong cuộn dây ở chế độ làm việc dài hạn, thường j = 2 ÷ 4 A/mm 2 . Chọn j = 2,5A/mm 2 . K lđ : Hệ số lấp đầy cuộn dây, K lđ = 0,3 ÷ 0,6. Chọn K lđ = 0,5. => S cd = ≈ 328 (mm 2 ) - Từ diện tích cuộn dây, chọn hệ số hình dáng K hd = = 3 => b cd = = = 10,46 (mm) h cd = 3. b cd = 3.10,46 = 31,37 (mm) - Số vòng dây: W = (trang 234 TL1) trong đó: K IR : hệ số tính đến điện áp rơi trên điện trở của cuộn dây khi phần ứng bị hút K IR ≈ 1. U đm : điện áp định mức của cuộn dây, U đm = 380V K U min : hệ số tính đến sụt áp, K U min = 0,85 f = 50 Hz Φ tb = σ r .B δ .S 2 = 1,4.0,5.16.20.10 -6 = 2,24.10 -4 (Wb) => W = = 6495 (vòng) - Tiết diện dây quấn: q = => q = = 0,025 (mm 2 ) + Đường kính dây: d= = = 0,18 (mm). Chọn d = 0,2 mm c/ Kích thước mạch từ Hình vẽ a = 16 mm ; b = 22 mm Chọn ∆ 1 = 0,5 mm ∆ 2 = 1,5 mm (bề dầy khung dây) ∆ 3 = 0,5 mm (bề dầy cách điện cuộn dây) ∆ 4 = 5,0 mm ∆ 5 = 5,0 mm Chiều cao lõi mạch từ: h 1 = 32 mm Chiều rộng cuộn dây: b cd = 13 mm Chiều cao cuộn dây: h cd = 26 mm Chiều rộng cửa sổ mạch từ: c = ∆ 1 + ∆ 2 + 2∆ 3 + b cd + ∆ 4 = 19 mm Diện tích nắp mạch từ: S n = 0,8 . S 1 = 0,8 . 352 = 281,6 mm 2 => h n = = = 12,8 mm Diện tích đáy mạch từ: S đ = 0,7 S 1 = 0,7.352 = 246,4 mm 2 => h đ = = = 11,2 mm 6.2.4. Tính toán thử nghiệm Tính các thông số của mạch từ Tính các từ dẫn, hệ số từ rò, hệ số từ cảm Bỏ qua từ trở sắt từ (µ Fe >> µ δ ), ta có mạch từ đẳng trị. Hình vẽ a/ Từ dẫn khe hở không khí Dùng phương pháp phân chia từ trường để tình từ dẫn qua khe hở không khí. Ta chia ra làm 17 hình:  Một hình chữ nhật với các cạnh a, b và chiều cao δ: G 0 = = =  Hai hình nửa khối trụ đặc, đường kính δ, chiều dài a, từ dẫn của mỗi hình là: G 1 = 0,26 . µ 0 . a= 0,26 . µ 0 . 16 . 10 -3 = 4,16.10 -3 .µ 0  Hai hình nửa khối trụ đặc, đường kính δ, chiều dài b, từ dẫn của mỗi hình là: G 2 = 0,26 . µ 0 .b = 0,26 . µ 0 . 20.10 -3 = 5,2.10 -3 .µ 0  Hai hình nửa trụ rỗng với đường kính trong δ, đường kính ngoài (δ+2m), chiều dài a, từ dẫn mỗi hình là: G 3 = chọn với m = 0,1.δ = = 0,926.10 -3 µ 0  Hai hình nửa trụ rỗng với đường kính trong δ, đường kính ngoài (δ+2m), chiều dài b, từ dẫn mỗi hình là: G 4 = = = 1,16.10 -3 µ 0  Bốn hình 1/4 cầu đặc với đường kính δ, từ dẫn của mỗi hình là: G 5 = 0,077.µ 0 .δ  Bốn hình 1/4 cầu rỗng với đườn kính trong δ, đường kính ngoài (δ+2m), từ dẫn mỗi hình là: G 6 = = = 0,025.µ 0 .δ Vì tất cả các từ dẫn này song song với nhau nên từ dẫn tổng G δ 2 ở khe hở không khí sẽ là tổng của 17 từ dẫn trên: G δ 2 = G 0 + 2.(G 1 + G 2 + G 3 + G 4 ) + 4.(G 5 + G 6 ) = µ 0 . + 22,89.10 -3 + 0,408 δ Tương tự với từ dẫn G δ 1 và G δ 3 ta cũng tính như G δ 2 chia ra làm 17 hình:  Một hình chữ nhật với các cạnh d, b và chiều cao δ: G δ 0 = = =  Hai hình nửa khối trụ đặc, đường kính δ, chiều dàu a/2, từ dẫn của mỗi hình là: G 1 = 0,26 .µ 0 . d= 0,26.µ 0 .12.10 -3 = 3,12.10 -3 .µ 0  Hai hình nửa khối trụ đặc, đường kính δ, chiều dài b, từ dẫn của mỗi hình là: G 2 = 0,26.µ 0 .b= 0,26.µ 0 .20.10 -3 = 5,2.10 -3 .µ 0  Hai hình nửa trụ rỗng với đường kính trong δ, đường kính ngoài (δ+2m), chiều dài a/2, từ dẫn mỗi hình là: G 3 = chọn với m = 0,1.δ = = 0,695.10 -3 µ 0  Hai hình nửa trụ rỗng với đường kính trong δ, đường kính ngoài (δ+2m), chiều dài b, từ dẫn mỗi hình là: G 4 = = = 1,16.10 -3 µ 0  Bốn hình 1/4 cầu đặc với đường kính δ, từ dẫn của mỗi hình là: G 5 = 0,077.µ 0 .δ  Bốn hình 1/4 cầu rỗng với đườn kính trong δ, đường kính ngoài (δ+2m), từ dẫn mỗi hình là: G 6 = = = 0,025.µ 0 .δ => G δ 1 = G δ 3 = G 0 + 2.(G 1 + G 2 + G 3 + G 4 ) + 4.(G 5 + G 6 ) = µ 0 . + 20,34.10 -3 + 0,408.δ => G δ 13 = G δ 1 + G δ 3 = µ 0 . + 40,68.10 -3 + 0,816.δ Vậy từ dẫn tổng qua khe hở không khí: G Σ = = µ 0 = µ 0 b/ Từ dẫn tản Từ dẫn tản ở cực từ giữa với khe hở không khí: G δ 2 = 2. (G 1 + G 2 + G 3 + G 4 ) + 4.(G 5 + G 6 ) = µ 0 . (22,73.10 -3 + 0,408.δ) c/ Từ dẫn rò Đối với mạch từ xoay chiều, từ dẫn rò được tính theo công thức: G r = .g r .h l trong đó: g r : suất từ dẫn rò h l : chiều cao lõi mạch từ Tính suất từ dẫn rò g r ? Xét h l = 1 Hình vẽ g r bao gồm: - 1 hình trụ chữ nhật bx1xc - 2 hình 1/2 trụ tròn đặc đường kính c, chiều cao l - 2 hình 1/2 trụ tròn rỗng đường kính trong c, đường kính ngoài (c +a), chiều cao l. g r = µ 0 . + 2. µ 0 .0,026 . l + 2. µ 0 . = 1,25. 10 -6 . + 2.1,25.10 -6 .0,26 + 2.1,25.10 -6 . = 2,585.10 -6 G r1 = G r2 = g r h l = .2,585.10 -6 .26.10 -3 = 22,4.10 -9 G r Σ = G r1 + G r2 = 44,8.10,8290 -9 d/ Hệ số từ tản, từ rò Hệ số từ tản: σ t = = = 1 + = 1 + Hệ số từ rò: σ r = = = 1 + = 1 + Kết quả tính toán δ (mm) 0,5 1 2 3 4 5 6 G δ 2 (.10 -6 ) 0,829 0,429 0,230 0,163 0,130 0,111 0,098 G δΣ (.10 -6 ) 0,499 0,258 0,138 0,099 0,079 0,065 0,06 G r Σ (.10 -9 ) 44,8 44,8 44,8 44,8 44,8 44,8 44,8 G t (.10 -8 ) 2,867 2,89 2,94 2,994 3,05 3,10 3,15 σ t 1,057 1,112 1,213 1,302 1,386 1,477 1,525 [...]... St = 216 - 144 = 72 mm2 + Lực điện từ phía ngòai vòng ngắn mạch Ftbn = 19,9.104.= 19,9.104 = 10,52 (N) + Lực điện từ phía trong vòng ngắn mạch Ftbt = 19,9.104 = 19,9.104 = 3,84 (N) + Lực điện từ cực đại Fmax = = = 8,6 (N) + Lực điện từ trung bình: Ftb = Ftbt + Ftbn = 3,84 + 10,52 = 14,36 (N) + Lực điện từ nhỏ nhất: Fmin = Ftb - Fmax = 14,36 - 8,6 = 5,76 (N) Như vậy lực điện từ nhỏ nhất khi hút phải... x 104 (Wb) Fđt (N) Hình vẽ Hệ số nhả của nam châm: Knh = (TL1 trang 262) tại điểm tới hạn Knh = = 0,76 6.2.6 Kiểm nghiệm cuộn dây Dòng điện tiêu thụ trong cuộn dây: I = = = 0,043 (A) Điện trở dây quấn: R = ρcd = ρcd trong đó ltb là chiều dài trung bình của cuộn dây Hình vẽ bcd = 13 mm a = 16 mm b = 20 mm Chiều dài trung bình của cuộn dây ltb = = = 112,82 mm Điện trở suất của đồng ở nhiệt độ phát nóng... trong và ngoài ngắn mạch Stn = SH - Snm = 12.20 - 24 = 216 mm2 Ftbh = 19,9.104 = 8,61 (N) + Tỉ số f1 của lực điện từ bé nhất và trị trung bình của lực điện từ khi không có vòng ngắn mạch f1 = = Có thể tính theo tỷ số diện tích giữa cực từ ngoài và trong vòng ngắn mạch Chọn α = = = 0,5 => f1 = 2/3 + Điện trở vòng ngắn mạch rnm = = = 5,36.10-5 (Ω) + Góc lệch pha ϕ giữa từ thông ngoài và từ thông trong... tại δ = 3 mm là: Φδ = σr Bδ.S12 => Bδ = = = 0,48T Giá trị từ cảm thực tế tính được gần xấp xỉ giá trị ban đầu chọn (=0,5T) do đó thỏa mãn yêu cầu 6.2.5 Tính và dựng đặc tính lực điện từ Theo công thức 5 - 50 (TKKCĐAP), lực hút điện từ trung bình được tính: Fhtb = K .( + ) với ba trường hợp U = 0,85.Uđm (KU = 0,85) U = Uđm (KU = 1) U = 1,1.Uđm (KU = 1,1) trong đó K = 0,25 với F tính bằng Newton - Vì Gr... = = 4,28 (W) + Hệ số tỏa nhiệt của các vòng ngắn mạch nằm trong lõi thép KTFe = 2,9.10-3.(1 + 0,0068θmt) = 2,9.10-3(1+0,0068.200) = 6,844.10-3 W/cm2.0C + Điện trở suất của đồng ở nhiệt độ 2000C ρθ = 1,7.10-8 [1+0,0043.(200-40)] = 3.10-8 (Ωm) + Dòng điện trong vòng ngắn mạch Pnm = I2nm Rnm => Inm = = = 282,51 (A) Theo đó ta thấy vòng ngắn mạch chống rung rất tốt và đảm bảo các vấn đề về nhiệt ... mạch ở hai bên trụ bên Hình vẽ + Số vòng ngắn mạch trong vòng ngắn mạch Wnm = 1 vòng Chiều dày của vòng ngắn mạch chọn: ∇ = 1,2 + Diện tích rãnh đặt vòng ngắn mạch Snm = ∇ b = 1,2.20= 24 mm2 + Lực hút điện từ trung bình ở khe hở làm việc khi không có vòng ngắn mạch ở trạng thái hút của phần ứng Ftbh = 19,9 104 trong đó Φδtb: Từ thông trung bình ở khe hở làm việc khi phần ứng hút được: Φδtb = = σth:... Newton, độ tăng nhiệt trong cuộn dây bằng: τ= R = ρcd = ρcd trong đó lcb là chiều dài trung bình của cuộn dây Hình vẽ bcd = 13 mm a = 16 mm b = 20 mm Chiều dài trung bình của cuộn dây ltb = = = 112,82 mm Điện trở suất của đồng ở nhiệt độ phát nóng cho phép [θ] = 950C: ρ = ρ[1 + α(θ - 20)] = 1,74.10-8[1 + 0,0043(95 - 20)] = 2,3 10-8 (Ωm) => Rcd = 2,3 10-8 = 141,27 (Ω) Công suất tiêu thụ của cuộn dây: P . NAM CHÂM ĐIỆN 6.1. KHÁI NIỆM Nam châm điện được sử dụng ngày càng rất rộng rãi mà không một lĩnh vực ngành nào không sử dụng nó. Nhiệm vụ chủ yếu của nam. tơ, nam châm điện là cơ cấu sinh lực để thực hiện tịnh tiến đối với cơ cấu chấp hành là hệ thống các tiếp điểm. 6.2. TÍNH TÓAN KÍCH THƯỚC NAM CHÂM ĐIỆN