Особенности расчета электромагнитов переменного тока

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Министерство образования и науки России

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования.

«Тульский государственный университет»

Кафедра систем автоматического управления

Пояснительная записка

к курсовой работе

по дисциплине “Основы электромеханики”

Разработал: студент гр. 131731 Родионова А.В

Руководитель: проф., к.т.н. Илюхина Н.С.

Тула 2016



Аннотация

При проектировании втяжных электромагнитов (ЭМ) можно выделить два основных типа расчетов: проектный и поверочный. В зависимости от технического задания проектный расчет проводится по:

- заданному усилию, ходу якоря, тепловому режиму рассчитываются размеры магнитопровода и параметры катушки, обеспечивающие заданные параметры при минимальных габаритах;

- заданным габаритам, ходу якоря, тепловому режиму рассчитываются размеры магнитопровода и параметры катушки, обеспечивающие максимально возможное тяговое усилие при заданных параметрах.

Поверочный расчет позволяет по известным размерам магнитопровода и параметрам катушки, ходу якоря определить тяговое усилие электромагнита, Его тепловой режим, потребление тока, степень насыщения материала магнитопровода.



Исходные данные

Напряжение источника питания системы: 220+10% В, 50 Гц

Напряжение питания электромагнита: 27В

Требуемые характеристики системы:

а) ход якоря 0.0002м

б) начальное усилие без учета действия пружины 180 Н

в) начальное поджатие пружины 16 Н

г) время срабатывания 0.015 с

д) время возврата в исходное состояние 0.005 с

е) режим работы - длительный

ж) температура перегрева 60єС

4. Условия эксплуатации: температура окружающей среды 20єС.

Вопросы, подлежащие разработке

Выбор типа конструкции электромагнита.

Расчет размеров магнитопровода, параметров обмотки и составление эскиза магнитной цепи.

Поверочный расчет электромагнита.

Расчет пружины.

Расчет статических характеристик.

Чертежи

Сборочный чертеж привода;

Деталировки.



Введение

Электромеханические системы относятся к большому классу устройств, которые широко используются в различных автоматических системах и средствах автоматики. При проектировании электромеханических систем (ЭМС) и входящих в них исполнительных устройств разработчики сталкиваются со значительными трудностями, связанными, главным образом, с отсутствием литературы, обобщающей накопленный опыт проектирования и достаточно простых методов расчета и проектирования подобных устройств.

Основные типовые конструкции исполнительных устройств ЭМС с поступательным перемещением подвижных частей. Исполнительное устройство втяжного типа с независимой регулировкой хода якоря и возвратной пружины. Электромагнит имеет плоский стоп и состоит из корпуса, стопа, якоря, обмотки, намотанной на немагнитный каркас, возвратной пружины, выходного штока. Присутствуют специальные крепежные детали (гайки и контргайки). Колодка с контактами предназначена для подпайки выводов обмотки. В качестве габаритных размеров приведены: наружный диаметр корпуса D, полная длина исполнительного устройства L1 и максимальный ход якоря „Начальное усилие Р„ указывается без учета силы пружины.



Проектный расчет

1. Уточнение формы стопа. Форма стопа уточняется по значению конструктивного параметра КФ:

где д=дя+днп - рабочий зазор,м;

днп -толщина немагнитной прокладки,м;

дя - ход якоря;

Обычно днп=(0,05...0,1)дя, причем большему ходу соответствует меньшее значение коэффициента и наоборот.

Примем днп=0,1дя

Получаем: днп=0,1·0,0002=0.00002 м - толщина немагнитной прокладки.

Подставляя все значения, в итоге получаем рабочий зазор:

=0.0002+0.00002=0.00022м

Конструктивный фактор (КФ):

КФ соответствует электромагниту с дисковым якорем.

2. Определение основных размеров электромагнита:

а) диаметр якоря электромагнита:



Для получения минимальных габаритов, объема, массы, потерь магнитодвижущей силы значение необходимо принимать 0.7…1.1 Тл

Принимаем

Следовательно,-диаметр якоря электромагнита

б) наружный диаметр электромагнита:

D=2d

D=0.044 м=44мм

в) длина электромагнита:

єС

Ом·м

определяем по графику Q=f(). Из графика получаем nуд=300

Подставляя сначала в формулу для удельного сопротивления провода, получаем:

Следовательно, длина электромагнита будет равна:

г) отношение габаритных размеров электромагнита L/D и их оценка. Наиболее удачное конструктивное оформление электромагнитов с дисковым якорем - при L/D=0,4...0,8.

д) по принятому диаметру якоря уточняется значение магнитной

индукции

е) по графику Ф=f1(B) (рис. 4) определяется значение поправочного коэффициента относительного падения магнитодвижущей силы :

Получаем

ж) максимальное значение магнитной индукции:

Tл

3. Определение остальных размеров магнитопровода:

а) внутренний диаметр магнитопровода:



б) толщина якоря и толщина фланца

в) толщина фланца на периферии:

г) длина окна магнитопровода под катушку:

4. Определение параметров катушки:

а) средний диаметр катушки:

где b - толщина каркаса, обычно

- зазор между катушкой и корпусом,

Принимаем значения и

Подставляя все данные, получаем:

б) диаметр провода:

Был выбран провод с =0,017 мм

в) диаметр провода округляется до стандартного значения в соответствии с таблицей проводов и для марки ПЭВ-2 провода находится его диаметр в изоляции:

мм

г) высота намотки катушки:

д) длина катушки:

где =

Подставляя, получаем:

е) число витков катушки:

м

ж) сопротивление катушки при нормальных условияx:



Ом

з) сопротивление катушки в рабочем состоянии:

,где

, тогда:

Ом

и) длина намоточного провода катушки:

=384.7м

Поверочный расчет

Поверочный расчет производится при известных конструкции, размерах и параметрах электромагнита:

а) размерах магнитопровода D, D1, d, C, C1, L, l;

б) размерах и параметрах катушки Dн, dвн, lк, b, dпр, dиз, W, R;

в) других параметрах я, нп, U.

Требуется определить тяговое усилие электромагнита, его тепловой режим, потребление тока, степень насыщенности магнитопровода.

Расчет электромагнита производится в следующей последовательности.

1. Проверка размеров магнитопровода и параметров катушки:

а)

б)

в)

г)

д)

е)сечение якоря:

ж)средний диаметр катушки:

м = 31 мм

з) высота намотки:

м

и) число витков катушки:

к) сопротивление катушки:

Ом

л) значение потребляемого тока:

2. Определение тягового усилия, развиваемого электромагнитомпри расчетном напряжении:

а) полная магнитодвижущая сила:

б) максимальная магнитная индукция:

, где Гн

Тл

в) по графику находим поправочный коэффициент :

г) тяговое усилие, развиваемое электромагнитом:

3. Проверка правильности выбора формы стопа или типа электромагнита:



4. Определение превышения температуры электромагнита:

а) удельная мощность рассеяния:

б) по графику для найденной удельной мощности рассеяния определяется превышение температуры электромагнитаQ:

Q=50 єС

Расчет винтовой пружины

Проектирование винтовых пружин растяжения-сжатия состоит в выборе материала проволоки и определения размеров пружины: среднего диаметра D, диаметра проволоки, числа рабочих витков и длины пружины в свободном состоянии. Решение задачи проектирования винтовой пружины неоднозначно, так как заданным свойствам могут удовлетворять пружины различной геометрии и из разных материалов. Поэтому при проектировании обычно находят размеры нескольких пружин, удовлетворяющих заданным условия, и из них выбирают ту, которая лучше других подходит к механизму прибора. Для выбранного материала необходимо назначить величину допускаемого касательного напряжения [Т].

Наиболее удобно расчет размеров пружины вести по требуемой жесткости пружины kи максимальной растягивающей или сжимающей силе .

Жесткость пружины связана с максимальной силой соотношением

где - максимальное перемещение подвижных частей.

В нашем случае:,

Подбор среднего диаметра пружины D, диаметра провода d и числа рабочих витков производят, используя уравнение прочности и жесткости преобразовав их к виду

где c - индекс пружины; KT - коэффициент увеличения напряжения у внутренней стороны витка (сравнительно с напряжением, возникающим при кручении прямого стержня). Его величина зависит от индекса пружины и может быть найдена по приближенной формуле

KT = (4c + 2)/(4c - 3)

Примем c=4.

Для данной задачи выберем в качестве материала для изготовления пружины стальную пружинную проволоку, для которой

,тогда

По значениям c и d определяют средний диаметр пружины D = dc, наружный Dн =d(c+1) или внутренний Dвн = d(c-1) диаметры пружины. Величины d и iр используют для определения начальной длины (высоты) пружины H0. Для пружин сжатия

H0 = (siр + iк)d + Xmax (17)

Коэффициент s определяется зазором между витками в ее наиболее сжатом состоянии, т.е. когда она сжата силой Pmax. Зазор необходим для компенсации погрешности шага витков. Величину s обычно выбирают в пределах 1,2...1,5; iк - число опорных, концевых витков. Величина iк зависит от конструкции пружины, ее назначения. Для неответственных пружин iк =1,5. При повышенных требованиях к точности характеристики пружины число концевых витков увеличивают до iк =3 (по 1,5 витка с каждой стороны).

Подставляя полученные значения, получим:

Средний диаметр:

Наружный диаметр:

Внутренний диаметр

Для пружины сжатия

s=1,2

Программа расчёта и анализ статических характеристик системы.

Расчёт статических и динамических характеристик электромеханической системы рассматриваемого класса использует нелинейную математическую модель.

К основным статическим характеристикам относятся: уравнения связи , внешняя характеристика X=f(i), механическая характеристика

.

Где Ф - магнитный поток

I - ток в обмотке электромагнита

Fдв - движущая сила, действующая на якорь

Для получения выражений, позволяющих рассчитать статические характеристики, необходимо составить схему замещения магнитной цепи исполнительного устройства и записать нелинейное алгебраическое уравнение (уравнение Кирхгофа для магнитной цепи).

Для данной электромеханической системы, работающей в релейном режиме, характерны следующие явления:

-насыщение материала магнитопровода

-наличие потоков рассеяния и выпучивания, соизмеримых с рабочим потоком

-наличие сравнительно однородного поля внутри катушки и пренебрежимо малого по длине катушки из-за потоков рассеяния

-наличие нелинейных характеристик элементов усилителя мощности (транзистора и стабилитрона)

Представим данную ЭМС схемой замещения магнитной цепи при следующих допущениях:

-МДС обмотки считаем сосредоточенной

-поля рассеяния и выпучивания учитываем с помощью эквивалентных сопротивлений RрRв.

-сопротивление статора и якоря электромагнита учитываем эквивалентными магнитными сопротивлениями Rс, Rя

-влияние гистерезиса магнитных материалов на характеристики системы пренебрегаем

-потери на вихревые токи статора и якоря неучитываем, т.к. для определения статических характеристик используют медленно изменявшийся входной сигнал.

Схема замещения магнитной цепи:

Математическая модель запишется в виде:



при

при

0 при

при

E=при

Уравнение святи

Коэффициенты математической модели

Коэффициент выпучивания -

хн=хм+хз;

Тяговая сила:



Текст программы:

program line;

var iW,W,Rt,L,Hf,U,H,R,Re_dif,Re:real;

A,B,D,d1,a1,dx,dm:real;

Um,S,Fi,P,G:real;

i:array[1..3] of real;

x:array[1..10] of real;

j,k:integer;

begin

U:=60;

A:=244;D:=18.082;

a1:=0.468;d1:=10.22;

dm:=0.038; }

W:=3524;

L:=0.75;

Rt:=649800;

S:=0.001134;

i[1]:=0.1; i[2]:=0.3; i[3]:=0.497;

x[1]:=0.0001; x[2]:=0.0002; x[3]:=0.003; x[4]:=0.004; x[5]:=0.005;

x[6]:=0.006; x[7]:=0.007; x[8]:=0.008; x[9]:=0.009; x[10]:=0.01; dx:=0.0001;

writeln('Fi Р ');

for j:=1 to 3 do

begin

iW:=i[j]*W;

writeln(' iW = ',iW);

for k:=1 to 10 do

begin

G:=1.256*power(10,-6)*((3.14159*(power(dm,2))/(4*x[k]*0.1464)-(0.157/0.1464-0.75)*dm));

Re:=1/G;

Re_dif:=1.256*power(10,-6)*0.00454/(power(x[k],2)*0.1464*4);

hf:=0.1;

repeat

B:=0.1;

repeat

Fi:=B*S;

H:=A*power(B,a1)+D*power(B,d1);

Um:=H*L+Fi*(Re+Rt);

B:=B+hf;

until iW<Um;

B:=B-hf;

hf:=hf/2;

until hf<0.01;

P:=(power(Fi,2)/power(G,2)*2)*Re_dif;

writeln(x[k]:0:4,' ',P:0:5);

end;

end;

end.

График зависимости Fiот величины рабочего зазора:

Список литературы

1. Илюхина Н.С., Елецкая Г.П., Панков А.П. Электромеханические системы.: Учебное пособие. - Тула, 1990. - 104 с.

2. Казаков Л.А. Электромагнитные устройства РЭА: Справочник. - М.: Радио и связь, 1991. - 352 с.

3. Справочник по электротехническим материалам/ Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. - том 3, 728 с. электромагнит катушка магнитопровод пружина

4. Элементы приборных устройств: Курсовое проектирование. Учебное пособие для вузов. В 2-х частях / Под ред О.Ф. Тищенко. - М.: Высшая школа, 1978. - 328 с, 232 с.

5. Руководство по проектированию систем автоматического управления: Учеб. пособие для студ. спец. "Автоматика и телемеханика"./ под ред. Бессекерского В.А. - М.: Высшая школа, 1983. - 236 с.

6. Справочная книга радиолюбителя-конструктора / под ред. Н.И. Чистякова. - М.: Радио и связь, 1990. - 624 с.

7. Витенберг М.И. Расчет электромагнитных реле для аппаратуры автоматики и связи. - М.: Энергия, 1966. - 724 с.

Размещено на Allbest.ru

...