nghiên cứu thiết kế phần mềm trợ giúp chế tạo phần mềm trợ cảm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ PHẦN MỀM TRỢ GIÚP CHẾ TẠO PHẦN MỀM TRỢ CẢM S K C 0 9 MÃ SỐ: T2009 - 09 S KC 0 8 Tp Hồ Chí Minh, 2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH  ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ PHẦN MỀM TRỢ GIÚP CHẾ TẠO PHẦN TỬ ĐIỆN CẢM MÃ SỐ: T2009-07 THUỘC NHĨM NGÀNH: KHOA HỌC KỸ THUẬT NGƯỜI CHỦ TRÌ: ĐẬU TRỌNG HIỂN ĐƠN VỊ: KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TP HỒ CHÍ MINH – 8/2009 Trang PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ I ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU Đề tài nghiên cứu phương thức mối quan hệ thành phần cuộn dây từ hỗ trợ tính tốn thiết kế cuộn dây phục vụ sinh viên, kỹ sư ngành điện, điều khiển tự động, điện tử II TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƢỚC Đã có số phần mềm tính tốn phần tử điện cảm đơn giản chưa đáp ứng tốt nhu cầu thực tế III NHỮNG VẤN ĐỀ CỊN TỒN TẠI Phần tử điện cảm phần tử quan trọng mạch điện, đặc biệt ngành viễn thông Hiện thò trường bán sẵn linh kiện nên kỹ sư sinh viên thiết kế thi công mạch phải mày mò tự chế tạo phần tử Công việc chế tạo đòi hỏi phài tính toán phức tạp việc thiết kế xây dựng phần mềmtrợ giúp chế tạo phần tử điện cảm cần thiết Trang PHẦN II: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI I) Nghiên cứu thiết kế phần mềm hỗ trợ chế tạo phần tử điện cảm tính toán số vòng dây, vật liệu chế tạo lõi, hình dáng, đường kính vòng dây PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU II) Nghiên cứu tính chất, đặc tính phần tử điện cảm phương tình tốn học liên quan Từ đưa giải thuật tính tốn phù hợp III) NỘI DUNG Các tính chất vật liệu từ 1.1 cuộn dây lớp Cuộn dây lớp có hai thuận lợi Thứ khơng bị tổn hao lõi sắt phi tuyến Thứ hai, cuộn dây lớp có điện dung ký sinh thấp tần số tự cộng hưởng cao Loại cuộn cảm thường sử dụng với tần số 3Mhz Một cách tương đối tính tốn điện cảm cuộn dây theo biểu thức sau: L = 0.001 N2r2 / (228r + 254l) Trong L(H): cảm kháng , r(m): bán kính cuộn dây, l(m): chiều dài cuộn dây, N: số vòng cuộn dây Cơng thức áp dụng cho tần số thấp Tại tần số đủ cao xảy hiệu ứng da suy giảm 2% Chúng ta làm suy giảm cảm kháng cách kéo vòng dây xa chút Điều ảnh hưởng tới tần số cộng hưởng riêng Trang cuộn dây Đây khuyết điểm ta cần cuộn dây có cảm kháng ổn định Để khắc phục khuyết điểm sau thực xong cuộn dây cân chỉnh giá trị phù hợp ta đổ sáp lên cuộn dây để cố định khoảng cách vòng dây 1.2 Cuộn dây đa lớp Hình mơ tả cuộn dây đa lớp Kiểu cuộn dây phổ biến dễ dàng quấn máy quấn dây kết hợp với lõi quấn Điều quan trọng kiểu hình dạng cuộn dây cho hiệu cao Tỉ số độ dày chiều dài cuộn dây c/b gần Vì cuộn dây có phần giao theo hình vng Bởi hình vng giữ vòng dây gần để trì hệ số ghép từ tính Trang Trong hình thấy cuộn dây theo mặt cắt phần giao Mỗi cuộn dây có chung chiều dài đường kính cuộn dây khác Cảm kháng vòng dây tỉ lệ tuyến tính với đường kính Vì muốn đường kính cuộn dây lớn để đạt cảm kháng lớn Và cần vòng dây gần Cuộn dây phía bên trái thỏa mãn điều này, vấn đề khơng đủ dây để quấn nhiều vòng Ta đặt S1 = (c/2a)2 cảm kháng tính sau: L = 4×10-7πa N2((0.5+S1/12)ln(8/S1) -0.84834+0.2041S1) Trong bán kính cuộn dây đo mm Nếu sử dụng phương pháp Brooks để quấn cuộn dây ta tính cảm kháng theo cơng thức sau: L = 1.6994×10-6aN2 henrys 1.3 Mật độ từ thơng cuộn dây có lõi khơng khí Ở vài ứngdụng cuộn dây sử dụng để tạo khoảng khơng gian có mật độ từ thơng xác định chẳng hạn cuộn lái ngang lái dọc ống tia cathode để điều khiển chùm tia Khi xác định từ trường xung quanh cn dây tính cảm kháng cuộn dây Trang Phương trình Biot-Savart: dB = μ0 I ds sinθ / (4π r2) teslas Biot-Savart equation 1.4 Mối quan hệ đại lƣợng từ hóa Magnetic quantities in the SI Quantity Quantity Quantity Quantity name symbol name symbol coercivity Hc core factor Σl/A effective area Ae effective length le effective permeability μe flux linkage λ induced voltage e inductance L inductance factor Al initial permeability μi intensity of magnetization magnetic flux magnetic mass susceptibility I Φ χρ magnetic polarization J magnetization M magnetic field strength magnetic flux density magnetic moment magnetic susceptibility magnetomotive force H B m χ Fm Trang permeability μ relative permeability μr remnance Br permeability of vacuum reluctance μ0 Rm Chúng ta lấy ví dụ cuộn “toroid” dƣới để tính tốn: Data for approved toroid Parameter Symbol Value Effective magnetic path length le 27.6×10-3 m Effective core area Ae 19.4×10-6 m2 Relative permeability μr 2490 Inductance factor Al 2200 nH saturation flux density Bsat 360 mT Giả sử ta muốn tính cảm kháng cuộn dây trường hợp số vòng dây 2: Σl/A = le / Ae = 27.6×10-3 / 19.4×10-6 = 1420 m-1 μ = μ0 × μr = 1.257×10-6 × 2490 = 3.13×10-3 Hm-1 Rm = (Σl/A) / μ = 1420 / 3.13×10-3 = 4.55×105 A-t Wb-1 Al = 109 / Rm = 109 / 4.55×105 = 2200 nH per turn2 Trang 1.5 đƣờng cong từ hóa Đường cong từ hóa biểu diễn mối quan hệ B H: 1.6 Vật liệu sắt từ Điều quan trọng vật liệu từ tính sắt từ Trang 1.7 Phân loại vật liệu Bảng phân loại sau dựa hoạt động vật liệu từ tính: Table MPJ: Materials classified by their magnetic properties Dependant χ Class on dependant temperature on B? Hysteresis? Example ? Diamagnetic No No No water Paramagnetic No Yes No Aluminium Ferromagnetic Yes Yes Yes Iron Yes Yes Yes Terbium Yes Yes Yes MnZn(Fe2O4)2 Antiferromagn etic Ferrimagnetic 1.8 Độ từ thẩm Độ từ thẩm hệ SI Quantity name Quantity symbol Unit name Unit symbols Base units χ permeability alias absolute permeability μ henrys per metre H m-1 kg m s-2 A-2 Duality with the Electric World Quantity Unit Formula Permeability henrys per metre μ = L/d Permittivity farads per metre ε = C/d -9.0 ×10-6 2.2 ×10-5 3000 9.51 E-02 2500 Trang 15 virtual void DoDataExchange(CDataExchange* pDX); support //}}AFX_VIRTUAL // Implementation protected: //{{AFX_MSG(CAboutDlg) //}}AFX_MSG DECLARE_MESSAGE_MAP() }; CAboutDlg::CAboutDlg() : CDialog(CAboutDlg::IDD) { //{{AFX_DATA_INIT(CAboutDlg) //}}AFX_DATA_INIT } void CAboutDlg::DoDataExchange(CDataExchange* pDX) { CDialog::DoDataExchange(pDX); //{{AFX_DATA_MAP(CAboutDlg) //}}AFX_DATA_MAP } BEGIN_MESSAGE_MAP(CAboutDlg, CDialog) //{{AFX_MSG_MAP(CAboutDlg) // No message handlers //}}AFX_MSG_MAP END_MESSAGE_MAP() ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // DDX/DDV Trang 16 // CCoilDlg dialog CCoilDlg::CCoilDlg(CWnd* pParent /*=NULL*/) : CDialog(CCoilDlg::IDD, pParent) { //{{AFX_DATA_INIT(CCoilDlg) m_a = 0.0f; m_a2 = 0.0f; m_b = 0.0f; m_b2 = 0.0f; m_l = 0.0f; m_l2 = 0.0f; m_induct = 0.0f; m_induct2 = 0.0f; m_n = 0; m_n2 = 0; m_a3 = 0.0f; m_a4 = 0.0f; m_induct3 = 0.0f; m_induct4 = 0.0f; m_l3 = 0.0f; m_l4 = 0.0f; m_n3 = 0; m_n4 = 0; //}}AFX_DATA_INIT // Note that LoadIcon does not require a subsequent DestroyIcon in Win32 m_hIcon = AfxGetApp()->LoadIcon(IDR_MAINFRAME); } void CCoilDlg::DoDataExchange(CDataExchange* pDX) Trang 17 { CDialog::DoDataExchange(pDX); //{{AFX_DATA_MAP(CCoilDlg) DDX_Text(pDX, IDC_A, m_a); DDX_Text(pDX, IDC_A2, m_a2); DDX_Text(pDX, IDC_B, m_b); DDX_Text(pDX, IDC_B2, m_b2); DDX_Text(pDX, IDC_L, m_l); DDX_Text(pDX, IDC_L2, m_l2); DDX_Text(pDX, IDC_INDUCT, m_induct); DDX_Text(pDX, IDC_INDUCT2, m_induct2); DDX_Text(pDX, IDC_N, m_n); DDX_Text(pDX, IDC_N2, m_n2); DDX_Text(pDX, IDC_A3, m_a3); DDX_Text(pDX, IDC_A4, m_a4); DDX_Text(pDX, IDC_INDUCT3, m_induct3); DDX_Text(pDX, IDC_INDUCT4, m_induct4); DDX_Text(pDX, IDC_L3, m_l3); DDX_Text(pDX, IDC_L4, m_l4); DDX_Text(pDX, IDC_N3, m_n3); DDX_Text(pDX, IDC_N4, m_n4); //}}AFX_DATA_MAP } BEGIN_MESSAGE_MAP(CCoilDlg, CDialog) //{{AFX_MSG_MAP(CCoilDlg) ON_WM_SYSCOMMAND() ON_WM_PAINT() ON_WM_QUERYDRAGICON() ON_BN_CLICKED(ID_CALINDUCT, OnCalinduct) ON_BN_CLICKED(IDC_BUTTON1, OnButton1) Trang 18 ON_BN_CLICKED(IDC_CALTURNS, OnCalturns) ON_BN_CLICKED(ID_CALINDUCT2, OnCalinduct2) ON_BN_CLICKED(IDC_CALTURNS2, OnCalturns2) //}}AFX_MSG_MAP END_MESSAGE_MAP() ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // CCoilDlg message handlers BOOL CCoilDlg::OnInitDialog() { CDialog::OnInitDialog(); // Add "About " menu item to system menu // IDM_ABOUTBOX must be in the system command range ASSERT((IDM_ABOUTBOX & 0xFFF0) == IDM_ABOUTBOX); ASSERT(IDM_ABOUTBOX < 0xF000); CMenu* pSysMenu = GetSystemMenu(FALSE); if (pSysMenu != NULL) { CString strAboutMenu; strAboutMenu.LoadString(IDS_ABOUTBOX); if (!strAboutMenu.IsEmpty()) { pSysMenu->AppendMenu(MF_SEPARATOR); pSysMenu->AppendMenu(MF_STRING, IDM_ABOUTBOX, strAboutMenu); } } Trang 19 // Set the icon for this dialog The framework does this automatically // when the application's main window is not a dialog SetIcon(m_hIcon, TRUE); // Set big icon SetIcon(m_hIcon, FALSE); // Set small icon // TODO: Add extra initialization here return TRUE; // return TRUE unless you set the focus to a control } void CCoilDlg::OnSysCommand(UINT nID, LPARAM lParam) { if ((nID & 0xFFF0) == IDM_ABOUTBOX) { CAboutDlg dlgAbout; dlgAbout.DoModal(); } else { CDialog::OnSysCommand(nID, lParam); } } // If you add a minimize button to your dialog, you will need the code below // to draw the icon For MFC applications using the document/view model, // this is automatically done for you by the framework void CCoilDlg::OnPaint() { if (IsIconic()) Trang 20 { CPaintDC dc(this); // device context for painting SendMessage(WM_ICONERASEBKGND, (WPARAM) dc.GetSafeHdc(), 0); // Center icon in client rectangle int cxIcon = GetSystemMetrics(SM_CXICON); int cyIcon = GetSystemMetrics(SM_CYICON); CRect rect; GetClientRect(&rect); int x = (rect.Width() - cxIcon + 1) / 2; int y = (rect.Height() - cyIcon + 1) / 2; // Draw the icon dc.DrawIcon(x, y, m_hIcon); } else { CDialog::OnPaint(); } } // The system calls this to obtain the cursor to display while the user drags // the minimized window HCURSOR CCoilDlg::OnQueryDragIcon() { return (HCURSOR) m_hIcon; } void CCoilDlg::OnCalinduct() Trang 21 { // TODO: Add your control notification handler code here UpdateData(TRUE); if (!(m_n*m_a*m_l)) MessageBox(" Please input parameters!", MB_OK); else {m_induct=m_n*m_n*0.2*m_a*m_a/(25.4*(3*m_a+9*m_l+10*(m_am_b)));UpdateData(FALSE);} } void CCoilDlg::OnButton1() { // TODO: Add your control notification handler code here MessageBox("outer diameter: diameter of the winding form including the wire layer(s) inner diameter: diameter of the winding form length: length of the coil (only the coil itself, not the winding form) Don't forget to select your unit for outer diameter, inner diameter and length!"); } void CCoilDlg::OnCalturns() { UpdateData(TRUE); if (!(m_induct2*m_a2*m_l2)) MessageBox(" Please input parameters!", MB_OK); else {m_n2=sqrt((m_induct2*25.4*(3*m_a2+9*m_l2+10*(m_a2m_b2)))/(0.2*m_a*m_a));UpdateData(FALSE);} } Trang 22 void CCoilDlg::OnCalinduct2() { UpdateData(TRUE); if (!(m_n3*m_a3*m_l3)) MessageBox(" Please input parameters!", MB_OK); else {m_induct3=m_n3*m_n3*0.25*m_a3*m_a3/(25.4*(4.5*m_a3+10*m_l3)); UpdateData(FALSE);} } void CCoilDlg::OnCalturns2() { UpdateData(TRUE); if (!(m_induct4*m_a4*m_l4)) MessageBox(" Please input parameters!", MB_OK); else {m_n4=sqrt((m_induct4*25.4*(4.5*m_a4+10*m_l4))/(0.25*m_a4*m_a4)); UpdateData(FALSE);} } Trang 23 2.2 Thiết kế giao diện 2.2.1 Tính tốn cảm kháng cuộn dây đơn lớp Number of turns: số vòng dây cuộn cảm Outer diameter: đường kính cuộn dây Length: chiều dài cuộn dây Inductane: giá trị cảm kháng 2.2.2 Thiết kế cuộn dây đơn lớp Number of turns: số vòng dây cuộn cảm Outer diameter: đường kính cuộn dây Length: chiều dài cuộn dây Inductane: giá trị cảm kháng Trang 24 2.2.3 Tính tốn cảm kháng cuộn dây đa lớp Number of turns: số vòng dây cuộn cảm Outer diameter: đường kính ngồi cuộn dây Inner diameter: đường kính cuộn dây Length: chiều dài cuộn dây Inductane: giá trị cảm kháng 2.2.4 Thiết kế cuộn dây đa lớp Number of turns: số vòng dây cuộn cảm Outer diameter: đường kính ngồi cuộn dây Inner diameter: đường kính cuộn dây Length: chiều dài cuộn dây Inductane: giá trị cảm kháng Trang 25 2.2.5 Giao diện chƣơng trình Chương trình cho phép người sử dụng tính tốn phần sau  Cảm kháng cuộn dây lớp  Cảm kháng cuộn dây đa lớp  Hỗ trợ thiết kế quấn dây lớp  Hỗ trợ thiết kế quấn dây đa lớp Trang 26 IV KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC TÍNH KHOA HỌC Chương trình cho phép tính tốn điện cảm từ cuộn dây có sẵn cho phép thiết kế số vòng dây phù hợp biết trước giá trị điện cảm sơ đồ ngun lý Ngồi chương trình hỗ trợ tính điện cảm cuộn dây đa lớp KHẢ NĂNG TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG VÀO THỰC TẾ Ứng dụng làm chương trình hỗ trợ tính tốn thiết kế cuộn dây cho sinh viên ngành điện cơng nghiệp, điện điện tử, điều khiển tự động, điện tử Phần mềm hỗ trợ tốt cho kỹ sư thiết kế chế tạo mạch điện HIỆU QUẢ KINH TẾ XÃ HỘI Giảm thời gian thiết kế mạch điện, tiết kiệm nhiều cơng sức làm việc Trang 27 PHẦN : KẾT LUẬN I KẾT LUẬN Phần mềm thiết kế hỗ trợ sinh viên, kỹ sư việc thiết kế chế tạo mạch điện Phần mềm làm cho sinh viên khơng cảm giác sợ phải thực thiết kế mạch điện có liên quan đến phần tử điện cảm II ĐỀ NGHỊ Cho phép sử dụng phần mềm rộng rãi nâng cao thêm nhiều tính phiên sau Trang 28 Tài liệu tham khảo [1] Corum K L and Corum J F., "RF coils, helical resonators and voltage magnification by coherent spatial modes," Microwave Review, IEEE, Vol 7, No 2, Sep 2001 [2] Knight David W., G3YNH, "Inductors and transformers," From Transmitter to Antenna [3] Medhurst R G., "H.F resistance and self-capacitance of single-layer solenoids," Wireless Engineer, Feb 1947, pp 35-43 & Mar 1947 [4] Lundin R., "A handbook formula for the inductance of a single-layer circular coil," Proc IEEE, Vol 73, No 9, Sep 1985 [5] Rosa E B., Bulletin of the Bureau of Standards, Vol 2, 1906 [6] Rosa E B and Grover F W., Formulas and Tables for the Calculation of Mutual and Self Induction," [Revised], Bulletin of the Bureau of Standards, Vol 8, No 1, 1911 [7] Grover F W., Inductance Calculations: Working Formulas and Tables, 1946 & 1973, Dover Phoenix Edition, 2004 [8] Collin Robert E., Foundations for Microwave Engineering, 2nd Edition [9] Meyer Hank, W6GGV, "Accurate single-layer-solenoid inductance calculations," QST, April 1992