Ch-ơng 7 Nam châm điện 6.1. Khái niệm Nam châm điện đ-ợc 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, th-ờng đ-ợc mô tả bằng các ph-ơng trình vi phân tuyến tính. Vì vậy việc tính tóan nam châm điện th-ờng đ-ợc 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 -u. 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 th-ớc nam châm điện 6.2.1. Các số liệu ban đầu a/ Dạng kết cấu Với công tắc tơ xoay chiều ba pha thì th-ờng 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 c-ờng 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 d- 1,1T Từ cảm bão hòa 2T Độ từ thẩm 250 Độ từ thẩm cực đại 6,5 Điện trở suất 50.10 -8 .cm Khối l-ợng 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 = 3 mm F tt = 23,645 N Chọn B = 0,5T Chọn hệ số từ rò r = 1,4; hệ số từ tản 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 đ-ợc lực điện từ ở điểm tới hạn: S l = k. F tt ; 19 9.10 4 .B 2 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 = Error! = 5,47 . 10 -4 m 2 = 547 mm 2 - Diện tích lõi cực từ giữa: S l2 = Error!= Error!= 273,5 (mm 2 ) - Diện tích lõi 2 cực từ nhánh: S l1 = S l3 = Error!= Error!= 13,75 (mm 2 ) Hình vẽ - Đối với cực từ giữa Chọn Error!= 1,25 => a = S l2 ;1 25 = Error! 12,32 (mm) Để đảm bảo mạch đ-ợc 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' = Error! với K c = 0,9 là hệ số ép chặt các lá thép b' = 20;0 9 22 (mm) - Số lá thép kỹ thuật điện: n = Error!= Error! = 44 (tấm) trong đó = 0,5 mm là chiều dày một lá thép. - Hai cực từ mạch nhánh chọn kích th-ớc: d= 12 mm b= 20 mm 6.2.3. Tính toán cuộn dây a/ Sức từ động của cuộn dây - (IW) tđ = (IW) nh + (IW) h (A. vòng) (CT 5-18) trong đó: (IW) 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) nh = Error! (CT 5 - 19 TL1) nh - tổng khe hở không khí làm việc nh = 2 . nh = 2.4.10 -3 = 8. 10 -3 (m) 0 = 1,25.10 -6 (H/m) => (IW) nh = Error! = 3200 (A.vòng) - (IW) h = Error! (CT 5 -20 TL 1) r : hệ số từ rò, r = 1,4 h : khe hở không khí ở trạng thái hút h = 2 cn + cd + ht = 0,2 0,7 mm cn = 0,03 0,1 mm - khe hở công nghệ, chọn cn = 0,05 mm cd = 0,1 0,5 mm - khe hở chống dính, chọn cd = 0,3 mm ht : khe hở giả định, chọn cd = 0,1 mm => h = 2.0,05 + 0,3 + 0,1 = 0,5 mm (IW) h = Error! = 280 (A.vòng) => (IW) tđ = 3200 + 280 = 3480 (A. vòng) - Kiểm tra lại, ta có hệ số bội số dòng điện: K t = Error!= Error! 12,43 => thỏa mãn yêu cầu K t = 4 15 b/ Kích th-ớc cuộn dây Hình vẽ - Tiết diện cuộn dây đ-ợc 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 đ-ợc tính ở trạng thái hở của phần ứng cần phải đ-a về trạng thái hút của phần ứng. - Theo công thức 5 - 24 (TL1), diện tích cuộn dây: S cd = Error! 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, th-ờng 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 = Error! 328 (mm 2 ) - Từ diện tích cuộn dây, chọn hệ số hình dáng K hd = Error! = 3 => b cd = Error!= Error! = 10,46 (mm) h cd = 3. b cd = 3.10,46 = 31,37 (mm) - Số vòng dây: W = K U max .U dm .K IR ;4 44.f. tb (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 : hÖ sè tÝnh ®Õn sôt ¸p, K U min = 0,85 f = 50 Hz  tb =  r .B  .S 2 = 1,4.0,5.16.20.10 -6 = 2,24.10 -4 (Wb) => W = Error!= 6495 (vßng) - TiÕt diÖn d©y quÊn: q = Error! => q = 328.0 5;6495 = 0,025 (mm 2 ) + §-êng kÝnh d©y: d= Error!= Error!= 0,18 (mm). Chän d = 0,2 mm c/ KÝch th-íc m¹ch tõ H×nh vÏ a = 16 mm ; b = 22 mm Chän  1 = 0,5 mm  2 = 1,5 mm (bÒ dÇy khung d©y)  3 = 0,5 mm (bÒ dÇy c¸ch ®iÖn cuén d©y)  4 = 5,0 mm  5 = 5,0 mm ChiÒu cao lâi m¹ch tõ: h 1 = 32 mm ChiÒu réng cuén d©y: b cd = 13 mm ChiÒu cao cuén d©y: h cd = 26 mm ChiÒu réng cöa sæ m¹ch tõ: 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 = Error!= Error!= 12,8 mm Diện tích đáy mạch từ: S đ = 0,7 S 1 = 0,7.352 = 246,4 mm 2 => h đ = Error!= Error!= 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 ( Fe ), ta có mạch từ đẳng trị. Hình vẽ a/ Từ dẫn khe hở không khí Dùng ph-ơng pháp phân chia từ tr-ờng 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 : G 0 = Error!= Error! = Error! Hai hình nửa khối trụ đặc, đ-ờng kính , chiều dài a, từ dẫn của mỗi hình là: G 1 = 0,26 . 0 . a= 0,26 . 0 . 16 . 10 -3 = 4,16.10 -3 . 0 Hai hình nửa khối trụ đặc, đ-ờng kính , chiều dài b, từ dẫn của mỗi hình là: G 2 = 0,26 . 0 .b = 0,26 . 0 . 20.10 -3 = 5,2.10 -3 . 0 Hai hình nửa trụ rỗng với đ-ờng kính trong , đ-ờng kính ngoài (+2m), chiều dài a, từ dẫn mỗi hình là: G 3 = Error! chọn với m = 0,1. = Error! = 0,926.10 -3 0 Hai hình nửa trụ rỗng với đ-ờng kính trong , đ-ờng kính ngoài ( +2m), chiều dài b, từ dẫn mỗi hình là: G 4 = Error! = Error! = 1,16.10 -3 0 Bốn hình 1/4 cầu đặc với đ-ờng kính , từ dẫn của mỗi hình là: G 5 = 0,077. 0 . Bốn hình 1/4 cầu rỗng với đ-ờn kính trong , đ-ờng kính ngoài ( +2m), từ dẫn mỗi hình là: G 6 = Error!= Error! = 0,025. 0 . Vì tất cả các từ dẫn này song song với nhau nên từ dẫn tổng G 2 ở khe hở không khí sẽ là tổng của 17 từ dẫn trên: G 2 = G 0 + 2.(G 1 + G 2 + G 3 + G 4 ) + 4.(G 5 + G 6 ) = 0 . Error! + 22,89.10 -3 + 0,408 T-ơng tự với từ dẫn G 1 và G 3 ta cũng tính nh- G 2 chia ra làm 17 hình: Một hình chữ nhật với các cạnh d, b và chiều cao : G 0 = Error!=Error! = Error! Hai hình nửa khối trụ đặc, đ-ờng kính , chiều dàu a/2, từ dẫn của mỗi hình là: G 1 = 0,26 . 0 . d= 0,26. 0 .12.10 -3 = 3,12.10 -3 . 0 Hai hình nửa khối trụ đặc, đ-ờng kính , chiều dài b, từ dẫn của mỗi hình là: G 2 = 0,26. 0 .b= 0,26. 0 .20.10 -3 = 5,2.10 -3 . 0 Hai hình nửa trụ rỗng với đ-ờng kính trong , đ-ờng kính ngoài ( +2m), chiều dài a/2, từ dẫn mỗi hình là: G 3 = Error! chọn với m = 0,1. = Error! = 0,695.10 -3 0 Hai hình nửa trụ rỗng với đ-ờng kính trong , đ-ờng kính ngoài ( +2m), chiều dài b, từ dẫn mỗi hình là: G 4 = Error! = Error! = 1,16.10 -3 0 Bốn hình 1/4 cầu đặc với đ-ờng kính , từ dẫn của mỗi hình là: G 5 = 0,077. 0 . Bốn hình 1/4 cầu rỗng với đ-ờn kính trong , đ-ờng kính ngoài ( +2m), từ dẫn mỗi hình là: G 6 = Error!= Error! = 0,025. 0 . => G 1 = G 3 = G 0 + 2.(G 1 + G 2 + G 3 + G 4 ) + 4.(G 5 + G 6 ) = 0 . Error!+ 20,34.10 -3 + 0,408. => G 13 = G 1 + G 3 = 0 . Error!+ 40,68.10 -3 + 0,816. Vậy từ dẫn tổng qua khe hở không khí: G = Error! = 0 Error! Error! = 0 Error! b/ Từ dẫn tản Từ dẫn tản ở cực từ giữa với khe hở không khí: G 2 = 2. (G 1 + G 2 + G 3 + G 4 ) + 4.(G 5 + G 6 ) = 0 . (22,73.10 -3 + 0,408.) c/ Từ dẫn rò Đối với mạch từ xoay chiều, từ dẫn rò đ-ợc tính theo công thức: G r = Error!.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 đ-ờng kính c, chiều cao l - 2 hình 1/2 trụ tròn rỗng đ-ờng kính trong c, đ-ờng kính ngoài (c +a), chiều cao l. g r = 0 . Error! + 2. 0 .0,026 . l + 2. 0 . Error! = 1,25. 10 -6 . Error!+ 2.1,25.10 -6 .0,26 + 2.1,25.10 -6 . Error! = 2,585.10 -6 G r1 = G r2 = Error!g r h l = Error!.2,585.10 -6 .26.10 -3 = 22,4.10 -9 G r = G r1 + G r2 = 44,8.10,8290 -9 [...]... 1 + Error!= 1 + Error! Kết quả tính toán (mm) 0,5 1 2 3 4 5 6 G2 (.10-6) 0,829 0,429 0,230 0,163 0,130 0,111 0,098 G (.10-6) 0,499 0,258 0,138 0,099 0, 079 0,065 0,06 Gr (.10-9) 44,8 44,8 44,8 44,8 44,8 44,8 44,8 Gt (.10-8) 2,8 67 2,89 2,94 2,994 3,05 3,10 3,15 t 1,0 57 1,112 1,213 1,302 1,386 1, 477 1,525 r 1,09 1, 17 1,32 1,45 1,5 67 1,689 1 ,74 7 -dG/d (.10-5) 96,1 24 5, 97 2,64 1, 47 0,93 0,63 Nh- vậy tại . 2,8 67 2,89 2,94 2,994 3,05 3,10 3,15 t 1,0 57 1,112 1,213 1,302 1,386 1, 477 1,525 r 1,09 1, 17 1,32 1,45 1,5 67 1,689 1 ,74 7 -dG /d (.10 -5 ) 96,1 24 5, 97. điện 6.2.1. Các số liệu ban đầu a/ Dạng kết cấu Với công tắc tơ xoay chiều ba pha thì th-ờng chọn nam châm điện có kết cấu chữ E hút thẳng. b/ Vật liệu: Tra bảng