Глава 2. Расчет намагничивающей силы обмотки электромагнитных устройств постоянного тока

Все большее распространение в технике сельского хозяйства в России получают электромагнитные устройства, работающие на постоянном токе: электромагниты различного назначения, реле, контакторы, магнитные пускатели, устройства электромагнитной обработки, электромагнитные клапаны, толкатели и пр. При проектировании этих электрических аппаратов, их намагничивающая сила, по большей части, зависит от трех составляющих:

1) ток, проходящий по обмотки;

2) число витков, по которым проходит ток;

3) сердечник электромагнита постоянного тока.

Суммарное произведение первого на второе, как известно, представляет собой намагничивающую силу [1]:

, (1)

где, – результирующая намагничивающая сила, А·витков,

N – суммарноечисло витков провода в обмотке,

I – ток, проходящий по обмотке, А.

Рассмотрим первые две составляющие, так как именно их определенное сочетание позволяет правильно спроектировать электромагнитные устройства постоянного тока. Выведем формулу намагничивающей силы для круглой цилиндрической обмотки, выполненной из медного провода с эмалевой изоляцией (например, ПЭТВ-2), намотанной на каркас слоями (рядовая намотка). Примем также, что в качестве магнитопровода используется проводник квадратного сечения, выполненный из магнитомягкого железа. Конечная форма катушки принимается круглой, а не прямоугольной. Для придания намотанному витку первого слоя катушки данной формы можно использовать диэлектрические проставки, прикрепляемые к боковым граням каркаса (рис. 1).

Обозначим суммарную длину квадратного окна каркаса и толщину самого каркаса как D, мм, тогда диаметр витка первого слоя будет равен, мм:

, (2)

где, - диаметр описанной окружности по поверхности квадратного каркаса, мм;

d – диаметр обмоточного провода в эмалевой изоляции, мм.

Рисунок 1 – Внешний вид рассматриваемой обмотки электромагнитного устройства

Тогда диаметр витка первого слоя обмотки, намотанного с шагом d составит, мм:

, (3)

суммарная длина витков первого слоя L₁ составит, мм:

, (4)

где, m – число витков в одном слое.

Суммарная длина витков второго слоя составит, мм:

, (5)

Суммарная длина всех витков в катушке определяется по следующей формуле, мм:

, (6)

где, n – число слоев в обмотке.

Формулу намагничивающей силы (1) можно записать в виде:

, (7)

где, U– напряжение, подводимое к катушке устройства, В;

R – сопротивление всего обмоточного провода, Ом, которое также можно представить в виде:

, (8)

где, ρ – удельное сопротивление медного провода равное в среднем 1,75·10^-5 Ом·мм²/мм.

d_m – диаметр обмоточного провода по меди, мм.

С учетом (6) сопротивление провода запишется в виде:

, (9)

намагничивающая сила в виде:

. (10)

В конечном виде с учетом (4) и (5) получаем:

(11)

Из (11) следует, что намагничивающая сила определяется только геометрическими размерами обмотки и значением подводимого напряжения. При этом она не зависит от числа витков в одном слое (m), но при этом наблюдается зависимость от диаметра витка первого слоя (диаметра каркаса катушки).

Вывод: при проектировании обмоток электромагнитных устройств постоянного тока необходимо стремиться к следующим техническим характеристикам:

1) Добиваться минимального тока потребления обмоткой.

2) Стремиться к максимально возможной магнитной отдаче обмотки (намагничивающей силы) при максимальном значении числа витков на магнитопроводе, не выходя при этом за допустимые габаритные размеры катушки.[2]

Заключение:

В работе над данной темой мы:

1. Расширили свой технический и математический кругозор.

2. Изучили принцип функционирования электромагнитных устройств.

3. Определили параметры, от которых зависит намагничивающая сила.

4. Определили оптимум при проектировании электромагнитных устройств постоянного тока.

Чтобы развить у учащихся школы интерес к изучению электромагнитных устройств, мы провели серию физических экспериментов. Все опыты были проведены научным руководителем.