- Máy khuấy từ gia nhiệt Van điều chỉnh
T tr ng ngoài
131 Số vòng dây trên một cuộn
- Số vòng dây trên một cuộn
- Dòng điện chạy trong cuộn dây
Hình 4.33 trình bày kết quả lựa chọn sau quá trình chạy mô phỏng sử dụng máy tính cho cường độ từ trường H với sai số tối ưu được chỉ ra trên hình. -30 -20 -10 0 10 20 30 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 2.3% H (A/m )
Scanning distance through center (mm) H
Hình 4.33. Đường phân bố từ trường dọc theo trục cuộn Helmholtz cho từ trường H.
Do mẫu đo được dịch chuyển cùng với thanh trượt với một biên độ dịch chuyển nhất định, nên cuộn cặp Helmholtz cần đảm bảo có vùng từ trường đồng nhất cho cả vùng dịch chuyển. Trong hệ thống quét, biên độ dịch chuyển cực đại là 10 mm nên vùng từ trường đồng nhất mà cuộn Helmholtz cần tạo ra cần một thể tích tối thiếu nằm trong giới hạn ± 10 mm. Các phép mô phỏng được thực hiện với thông số yêu cầu này cho các kích thước khả dụng khác nhau với các thông số giữ cố định như vật liệu làm cuộn dây, số vòng dây trên mỗi cuộn và dòng điện chạy trong cuộn dây. Từ các kết quả thu được của từ
132
trường tương ứng với các kích thước khác nhau, kích thước nhỏ nhất của cặp cuộn Helmholtz (hệ nam châm điện) tương ứng với kết quả tốt nhất về mức độ đồng nhất từ trường (sai số trong miền dịch chuyển < 5%) được chỉ ra. Trên Hình 4.33, sai số từ trường thu được trong miền yêu cầu ± 10 mm có giá trị tương đối nhỏ, lần lượt là
2,3% cho cường độ từ trường
H và 0,008% cho cảm ứng từ
B. Những giá trị này hoàn toàn đạt yêu cầu so với mục tiêu đặt ra của Chuyên đề. Hình 4.34 trình bày hình dạng và kích thước của 1 cuộn Helmholtz (tối ưu nhất) trong mô phỏng.
Kết quả tối ưu nhất sau các phép mô phỏng được chỉ ra với các thông số sau:
- Cấu hình: cuộn Helmholtz vuông
- Kích thước mỗi cuộn dây: 110 mm × 130 mm - Chiều dày cuộn dây: 8 mm
- Bán kính góc cuộn dây: 5 mm - Số vòng dây trên một cuộn: 200 - Dòng điện chạy trong cuộn dây: 1,0 A
Các thông số này trở thành các thông số chế tạo cặp cuộn Helmholtz thực tế.
4.5.2.3 Chế tạo hệ nam châm điện
Từ kết quả mô phỏng trên, hệ nam châm điện (cặp cuộn Helmholtz) được chế tạo sử dụng các vật liệu sẵn có trên thị trường. Hai cuộn dây sẽ được
100 120 120
R
Hình 4.34. Hình dạng và kích thước cho 1 cuộn
133
chế tạo giống nhau ở trong cùng điều kiện công nghệ (cùng thời gian, kỹ thuật, vật liệu sử dụng). Để chế tạo được một cuộn dây, sau này sẽ là một tải trong một mạch điện chứa nó, công suất của tải cần được quan tâm trước tiên. Đây là một bài toán tối ưu giữa các tham số: hiệu điện thế nuôi tải, điện trở tải, công suất tiêu thụ tối đa và dòng điện qua tải. Theo công thức (*) trình bày trong mục trên, từ trường B tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện khi các thông số R và n đã biết. Trên thực tế, giá trị R hoàn toàn có thể được sử dụng từ tính toán mô phỏng (Reff = 55 mm), tuy nhiên giá trị của n có thể được thay đổi theo thực nghiệm để phù hợp với dòng điện cần thiết sinh từ trường. Lý do là nếu số vòng dây quá lớn quấn trên một không gian hẹp của lõi cuốn sẽ dẫn tới đường kính tiết diện ngang của dây cuốn sẽ nhỏ, do đó không đáp ứng được công suất yêu cầu khi có một dòng điện lớn cố định chạy trong dây. Điều này có nghĩa là cuộn dây cần có chiều dày phù hợp với thiết kế của cả hệ thống. Từ chiều dày này, số vòng dây được tính toán tương đối với độ lớn dòng điện để đảm bảo đường kính dây không quá nhỏ so với công suất yêu cầu.
Đối với thông số từ trường yêu cầu của hệ thống là từ 1 – 5 mT (hay ~ 10 – 50 Oe), từ trường của cuộn dây thực tế cần cao hơn giá trị này để đảm bảo tính khả dụng cho cả dải yêu cầu. Ở đây, dải thực tế được chọn là từ 160 đến 200 Oe. Với giá trị từ trường B = 200 Oe, giá trị tích n.I thu được qua công thức (*) là:
, tương đương với n.I = 155 (**). Giá trị theo mô phỏng của I là 1,0 A. Với giá trị này số vòng trên một cuộn dây là 155 vòng. Tuy nhiên, dòng điện 1 A chạy trong cuộn dây trong một thời gian nhất định sẽ làm nóng cuộn dây nam châm do sự tỏa nhiệt, dẫn tới giảm độ ổn định từ trường của nam châm. Để giảm bớt sự sinh nhiệt này, dòng điện cần có giá trị < 1 A. Mặc dù vậy, theo (**), dòng điện giảm thì số
134
vòng dây cần phải tăng lên, trong khi không gian cuốn dây không thay đổi từ thiết kế của cả hệ thống. Như vậy, dòng điện không thể giảm quá lớn so với giá trị 1 A để đường kính dây quấn không quá nhỏ. Bằng tính toán thực nghiệm, giá trị tối ưu cho dòng điện là 0,7 A. Với giá trị này, số vòng dây trên một cuộn là n = 221vòng. Số vòng dây này được quấn lên giá cuộn dây, trong một tiết diện cắt ngang của rãnh cuốn là 8 mm × 10 mm, tương đương với đường kính cực đại của dây quấn là 0,6 mm. Theo tính toán thực nghiệm, dây quấn có đường kính 0,6 mm hoàn toàn đáp ứng công suất của tải. Trên thực tế, dây quấn được chọn có đường kính 0,5 mm mới đảm bảo đủ số vòng trong không gian quấn cố định nêu trên (do trong quá trình quấn dây luôn tồn tại khe hở giữa các vòng dây lân cận). Với dây quấn là dây đồng có bọc lớp cách điện, điện trở tính toán thực tế bằng 9,6 Ω cho một cuộn dây, suy ra tổng điện trở Rc của cả hai cuộn dây có giá trị cỡ 19,2 Ω. Công suất tiêu hao trên cặp Helmholtz là I2Rc = 9,4 W. (Đối với dòng điện 1 A, công suất tiêu hao là 19,2 W).
Hình 4.35. Thiết kế cặp cuộn nam châm điện theo tính toán và theo mô phỏng.
Hình 4.35 trình bày thiết kế cặp cuộn nam châm điện theo tính toán thực nghiệm và theo kết quả mô phỏng., theo đó quá trình chế tạo được thực
135
hiện theo đúng thiết kế này. Vật liệu sử dụng làm giá quấn dây là epoxy loại cứng dễ gia công cơ khí, phi từ và cách điện. Hai cuộn dây được cố định với nhau nhờ 4 thanh định mức khoảng cách (tính toán theo cấu hình Helmholtz vuông). Các thanh này cũng được chế tạo bằng vật liệu phi từ (Al-6061). Chi tiết của thiết kế này được trình bày trong Phụ lục 2 (AutoCAD layout).
Thông số sản phẩm hoàn thành:
- Cấu hình: Theo cấu hình chuẩn cuộn Helmholtz vuông - Số vòng dây (trên mỗi cuộn): 225
- Dây quấn: dây đồng bọc cách điện, đường kính dây = 0,5 mm - Điện trở tổng cộng: 19,6 Ω
- Nhiệt độ tối đa: 50oC - Dòng điện tối đa: 4,5 A
- Từ trường tối đa (tại tâm hệ): 180 Oe (14,4 kA/m)