Tài liệu NAM CHÂM ĐIỆN ,CHƯƠNG 5a doc

CHƯƠNG 5 NAM CHÂM ĐIỆN §5.1 - KHÁI NIỆM CHUNG. Nam châm điện ( NCĐ ) ngày càng được sử dụng rộng r ãi. Không m ột lĩnh vực kỹ thuật nào không sử dụng nam châm điện : trong truyền động điện, tự động điều chỉnh, thông tin liên lạc và cả trong y học, khoa học nguyên tử, vũ trụ Với các lĩnh vực kỹ thuật khác nhau đòi hỏi có những nam châm điện khác nhau về h ình dạng, kết cấu và ứng dụng. Có những nam châm điện rất bé kích thước khoảng v ài milimet và có những nam châm điện rất lớn kích thước đến v ài mét. Khối lượng nam châm điện từ v ài gam (ở rơle, đạt trích ) đến hàng nghìn kilogam ( ở cần cẩu, các bộ phận ly ). Lực điện từ của nam châm điện thì từ vài phần gam đến hàng chục tấn. Hành trình của phần ứng từ vài m  đến vài chục met. Công suất tiêu thụ từ cỡ vài mW đến hàng ch ục kW. Nam châm điện đựơc sử dụng đặc biệt chủ yếu trong cơ cấu điện từ là cơ quan sinh lực ( truyền động ) để thực hiện các chuyển dịch tịnh tiến của các cơ quan chấp hành, để thực hiện việc chuyển động quay trong các góc quay giới hạn h oặc sinh lực hãm trong các công- t ắc-tơ, khởi động từ, rơle, aptômát, khớp ly hợp, phanh hãm Các quá trình v ật lý xảy ra trong nam châm điện rất phức tạp, thường được mô tả bằng phương tr ình vi phân, phi tuyến. Vì vậy cho đến nay việc tính toán nam châm điện thường được theo những công thức đơn giản gần đúng rồi kiểm nghiệm lại theo công thức lý thuyết, đi đến chọn bài toán tối ưu. Trong giáo trình này chỉ đề cập đến trình tự thiết kế và tính toán chung cho lo ại nam châm điện một chiều và xoay chiều thông d ụng nhất, không xét đến những vấn đề đặc trưng cho các loại nam châm điện khác nhau. Việc thiết kế các nam châm điện đó sẽ được nghiên cứu từ các bước tính toán cơ bản và tham khảo thêm các tài li ệu, chuyên đề riêng cho từng loại. §5.2 - CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN VÀ NHIỆM VỤ THIẾT KẾ. A - CÁC THÔNG SỐ VẬN HÀNH. 1. D ạng kết cấu. 2. Điện áp định mức, tần số nguồn, chế độ nguồn (điện áp, dòng điện , công suất không đổi ). 3. Chế độ làm việc ( dài hạn, ngắn hạn, ngắn hạn lặp lại ). 4. Công suất tiêu thụ. 5. Lực hút và khe hở không khí ban đầu hoặc quan hệ giữa lực hút và khe hở không khí (đặc tính lực hút ). F dt = f () 6. Nhi ệt độ phát nóng cho phép ( cấp cách điện ). 7. Các thông số về hút và nhả của phần ứng ( thời gian, điện áp, dòng điện ). 8. Độ bền cơ ( số lần đóng ngắt cho phép ). 9. Khối lượng. 10. Các kích thước lắp ghép. 11. Giá thành. B - CÁC THÔNG S Ố VỀ CÔNG CỦA NAM CHÂM ĐIỆN. 1. Công lý thuyết bằng tích của dòng điện I hút và từ thông móc vòng  hút khi phần ứng bị hút: A lt = I h .  h = I h . W. h , Nm 2. Công toàn ph ần A tph , Nm được đặc trưng bằng diện tích giới hạn bởi đường đặc tính lực hút và trục hoành được xác định từ khe hở không khí ban đầu  d đến khe hở cuối  c ( hành tình của phần ứng ) ( H5.3a). 3. Công hữu ích qui ước được xác định bằng tích giữa lực điện từ ban đầu F d và hành tình của phần ứng từ khe hở không khí ban đầu  d đến khe hở cuối  c ( H5.3a). A hq = F d .(  d -  c ), Nm 4. Công h ữu ích qui ước cực đại bằng tích giữa lực điện từ tối ưu F tư và hành trình tối ưu của phần ứng từ khe hở đầu tối ưu  tư đến khe hở cuối  c ( H5.3a). A hqmax = F dtư .(  dtư -  c ), Nm C - NHIỆM VỤ THIẾT KẾ. Cần giải 2 bài toán : bài toán thuận và bài toán ngược. 1. Bài toán thuận : theo điều kiện tác động đã cho của cơ cấu chấp hành, chủ yếu là quan hệ giữa lực và hành trình, chọn dạng kết cấu của nam châm điện. Phải xác định kích thước mạch từ và cu ộn dây sao cho đủ sinh ra rừ thông để tạo ra lực điện từ cần thiết và cửa sổ mạch từ phải đủ đặt cuộn dây, cuộn dây phải sinh ra sức từ động cần thiết để tạo nên từ thông trên. Cuộn dây phải đảm bảo với chế độ làm việc đã cho không phát nóng quá nhiệt độ cho phép của cấp cách điện. Ngoài ra nam châm điện phải thoả mãn tất cả các yêu cầu khác về vận hành cũng như các thông số khác đã cho. Như vậy bài toán thuận là bài toán xác định các kích thước và chọn kết cấu nam châm điện theo các thông số cho trước. Bài toán có nghi ệm đa trị, cần phải xuất phát từ những quan điểm nhất định để chọn các thông số cho việc tính toán thiết kế ( sơ bộ ) xác định các kích thước hiệu chỉnh lại ( nếu cần thiết ) rồi tiến h ành tính toán, ki ểm nghiệm. 2. Bài toán ngược : xác định các thông số tối ưu và các đặc tính của nam châm điện đã tính toán ( chủ yếu là đặc tính lực hút ) nhiệt độ cuộn dây không được vượt quá giá trị cho phép của cấp cách điện. Như vậy bài toán ngược l à bài toán kiểm nghiệm nam châm điện đ ã cho với mật độ từ thông đã chon và cuộn dây đã thiết kế. D - TRÌNH TỰ THIẾT KẾ. 1. Xác định các số liệu ban đầu. 2. Tính toán sơ bộ : - Chọn dạng kết cấu. - Chọn vật liệu cho mạch từ. - Chọn các đại lượng từ cảm, hệ số từ rò, từ tản. - Chọn cấp cách điện và mã hiệu dây quấn. - Xác định các kích thước và thông số cơ bản của nam châm điện. - Vẽ phác thảo nam châm điện. 3. Tính toán kiểm nghiệm : - Lập sơ đồ thay thế của mạch từ. - Tính từ dẫn khe hở không khí. - Tính hệ số từ rò, từ tản. - Xác định từ thông, từ cảm. - Tính toán các thông số cuộn dây. - Tính sức từ động ở trạng thái hút. - Tính toán nhiệt của nam châm điện. - Hiệu chỉnh lại kích thước nam châm điện ( nếu cần thiết ). - Tính và dụng đặc tính lực hút. - Tính vòng ngắn mạch (với nam châm điện xoay chiều ). - Xác định thời gian tác động và thời gian nhả. - Lập các số liệu kỹ thuật tổng hợp của nam châm điện đã thiết kế : các thông số và chỉ tiêu kỹ thuật. §5.3 - CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU. Để thiết kế một nam châm điện cần phải có những số liệu sau : 1. Số liệu về cơ cấu làm việc của nam châm điện với các chú dẫn về điều kiện vận hành ( kiểu bảo vệ, kín, hở, chống ẩm, ) độ chịu rung, chịu va đập. 2. Lực và hành trình của cơ cấu : thường là quan hệ giữa lực và hành trình hay momem và các góc quay, là đặc tính phản lực hay gọi là đặc tính cơ. 3. Chế độ làm việc ( dài hạn, ngắn hạn, ngắn hạn lập lại). 4. Điện áp, d òng điện định mức, tần số nguồn, chế độ nguồn (áp, dòng, công suất ổn định ). 5. Môi truờng xung quanh với nhiệt độ cho phép. 6. Các ch ỉ tiêu cơ bản về thiết kế tối ưu của nam châm điện ( khối lượng, các kích thước, giá thành, công suất tiêu thụ bé nhất, lực momen, thời gian duy trì lớn nhất ). Một kết cấu đạt nhiều chỉ tiêu tối ưu rất khó thực hiện được, vì vậy cần xem phần nào là chủ yếu nhất, các phần khác chỉ cần đạt tuơng đối. 7. Các yêu cầu phụ khác đối với các thông số của nam châm điện ( hệ số nhả, các thông số về tác động v à nhả, thời gian, điện áp, dòng điện, công suất tiêu thụ ). 8. Các yêu cầu về công nghệ chế tạo : loại sản xuất (đơn chiếc, hàng loạt, hàng loạt lớn ) thiết bị vật tư, tính lắp lẫn của các chi tiêt. 9. T ừ số liệu ban đầu phải cho trước phạn vi dao động cho phép của các đại lượng, ví dụ : lực, hành trình, điện áp, các thông số phụ khác 10. Từ các số liệu đặc trưng cho điều kiện làm việc, điều kiện sản xuất nói trên, chọn vật liệu và các thông số, hệ số và các đại lượng khác, ví dụ như mật độ từ cảm, hệ số r ò, tản, hệ số tản nhiệt, mật độ dòng điện . những nam châm điện khác nhau về h ình dạng, kết cấu và ứng dụng. Có những nam châm điện rất bé kích thước khoảng v ài milimet và có những nam châm điện. của nam châm điện. - Hiệu chỉnh lại kích thước nam châm điện ( nếu cần thiết ). - Tính và dụng đặc tính lực hút. - Tính vòng ngắn mạch (với nam châm điện