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

ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Đề tài nghiên cứu phương thức và mối quan hệ giữa các thành phần trong cuộn dây từ đĩ hỗ trợ tính tốn cũng như thiết kế cuộn dây phục vụ sinh viên, kỹ sư ngành đi

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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

THUỘC NHÓM NGÀNH: KHOA HỌC KỸ THUẬT

NGƯỜI CHỦ TRÌ: ĐẬU TRỌNG HIỂN

ĐƠN VỊ: KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

TP HỒ CHÍ MINH – 8/2009

PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ

I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Đề tài nghiên cứu phương thức và mối quan hệ giữa các thành phần trong

cuộn dây từ đĩ hỗ trợ tính tốn cũng như thiết kế cuộn dây phục vụ sinh

viên, kỹ sư ngành điện, điều khiển tự động, cơ điện tử

II TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC

Đã cĩ một số phần mềm tính tốn phần tử điện cảm nhưng cịn đơn giản chưa đáp ứng tốt được nhu cầu thực tế

III NHỮNG VẤN ĐỀ CỊN TỒN TẠI

Phần tử điện cảm là phần tử quan trọng trong mạch điện, đặc biệt trong ngành viễn thông Hiện nay thị trường không có bán sẵn linh kiện này nên các kỹ sư cũng như sinh viên khi thiết kế thi công mạch đều phải mày mò tự chế tạo phần tử này Công việc chế tạo này đòi hỏi phài tính toán phức tạp vì vậy việc thiết kế xây dựng phần mềmtrợ giúp chế tạo phần tử điện cảm là rất cần thiết

PHẦN II: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I) MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu thiết kế phần mềm hỗ trợ chế tạo phần tử điện cảm như tính

toán số vòng dây, vật liệu chế tạo lõi, hình dáng, đường kính vòng dây

II) PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu tính chất, đặc tính của phần tử điện cảm và các phương tình tốn học liên quan Từ đĩ đưa ra các giải thuật tính tốn phù hợp

III) NỘI DUNG

L = 0.001 N2r2 / (228r + 254l)

Trong đĩ L(H): cảm kháng , r(m): bán kính cuộn dây, l(m): chiều dài cuộn dây, N: số vịng cuộn dây Cơng thức này áp dụng cho tần số thấp Tại tần số

đủ cao xảy ra hiệu ứng da thì suy giảm 2%

Chúng ta cĩ thể làm suy giảm cảm kháng bằng cách kéo các vịng dây xa nhau một chút Điều này cũng ảnh hưởng tới tần số cộng hưởng riêng của

cuộn dây Đây cũng chính là khuyết điểm khi ta cần một cuộn dây có cảm kháng ổn định Để khắc phục khuyết điểm này sau khi thực hiện xong cuộn dây và cân chỉnh được giá trị phù hợp ta đổ sáp lên cuộn dây để cố định khoảng cách giữa các vòng dây

1.2 Cuộn dây đa lớp

Hình dưới đây mô tả cuộn dây đa lớp

Kiểu cuộn dây này rất phổ biến vì nó có thể dễ dàng được quấn bởi máy quấn dây kết hợp với một cái lõi quấn Điều quan trọng ở đây là kiểu hình dạng nào của cuộn dây cho hiệu quả cao nhất

Tỉ số giữa độ dày và chiều dài cuộn dây c/b gần bằng 1 Vì thế cuộn dây có phần giao nhau theo hình vuông Bởi vì hình vuông sẽ giữ các vòng dây gần nhau để duy trì hệ số ghép từ tính

Trong hình 2 chúng ta thấy 3 cuộn dây theo mặt cắt phần giao nhau Mỗi cuộn dây đều có chung chiều dài nhưng đường kính cuộn dây thì khác nhau Cảm kháng của một vòng dây tỉ lệ tuyến tính với đường kính của nó Vì thế chúng ta muốn đường kính cuộn dây lớn để đạt được cảm kháng lớn Và chúng ta cũng cần các vòng dây này gần nhau Cuộn dây phía bên trái thỏa mãn được điều này, nhưng vấn đề ở đây là chúng ta sẽ không đủ dây để quấn nhiều vòng

Ta đặt S1 = (c/2a)2 thì cảm kháng được tính như sau:

L = 4×10-7πa N2((0.5+S1/12)ln(8/S1) -0.84834+0.2041S1)

Trong đó bán kính cuộn dây đo bằng mm

Nếu chúng ta sử dụng phương pháp Brooks để quấn cuộn dây thì ta có thể tính cảm kháng theo công thức sau:

L = 1.6994×10-6aN2 henrys

1.3 Mật độ từ thông trong cuộn dây có lõi không khí

Ở một vài ứngdụng cuộn dây được sử dụng để tạo ra một khoảng không gian có mật độ từ thông xác định chẳng hạn như cuộn lái ngang và lái dọc trong ống tia cathode để điều khiển chùm tia Khi chúng ta xác định được từ trường xung quanh cuôn dây chúng ta có thể tính được cảm kháng cuộn dây

Phương trình Biot-Savart:

dB = μ0 I ds sinθ / (4π r2) teslas

Biot-Savart equation

1.4 Mối quan hệ giữa các đại lƣợng từ hóa

Magnetic quantities in the SI

Quantity

name

Quantity symbol

Quantity name

Quantity 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 I

magnetic field strength H

magnetic flux Φ magnetic flux

density B

magnetic mass

susceptibility χρ magnetic moment m

magnetic polarization J magnetic

susceptibility χ

magnetization M magnetomotive

force Fm

permeability μ permeability of

vacuum μ0

relative permeability μr reluctance Rm

remnance Br

Chúng ta lấy ví dụ cuộn “toroid” dưới đây để tính toán:

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 trong trường hợp số vòng dây là 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

1.7 Phân loại vật liệu

Bảng phân loại sau dựa trên hoạt động của vật liệu từ tính:

Table MPJ: Materials classified by their magnetic properties

Class

χ dependant

on B?

Dependant

on temperature

1.8 Độ từ thẩm

Độ từ thẩm trong hệ SI

Quantity name

permeability alias absolute permeability

Quantity symbol μ

Unit name henrys per metre

Unit symbols H m-1

Base units 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

Unit symbols dimensionless

Độ từ thẩm tương đối là thông số được sử dụng thường xuyên trong việc tính toán

μr = μ / μ0

Thông thường khi nói đến độ từ thẩm thì có thể hiểu ngầm đó là từ thông tương đối

Approximate maximum permeabilities

Material μ/(H m

-1 ) μ r Application

Ferrite U 60 1.00E-05 8 UHF chokes

Ferrite M33 9.42E-04 750 Resonant circuit RM cores Nickel (99%

pure) 7.54E-04 600 -

Ferrite N41 3.77E-03 3000 Power circuits

Iron (99.8% pure) 6.28E-03 5000 -

Ferrite T38 1.26E-02 10000 Broadband transformers

Silicon GO steel 5.03E-02 40000 Dynamos, mains

transformers supermalloy 1.26 1000000 Recording heads

#define

AFX_COILDLG_H 15352B27_1D45_4EAB_9758_2CBD5CC52C02 INCLUDED_

virtual BOOL OnInitDialog();

afx_msg void OnSysCommand(UINT nID, LPARAM lParam);

afx_msg void OnPaint();

afx_msg HCURSOR OnQueryDragIcon();

afx_msg void OnCalinduct();

afx_msg void OnButton1();

afx_msg void OnCalturns();

afx_msg void OnCalinduct2();

afx_msg void OnCalturns2();

coilDlg.cpp : implementation file

class CAboutDlg : public CDialog

virtual void DoDataExchange(CDataExchange* pDX); // DDX/DDV support

{

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);

// 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);

}

}

// 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)

void CCoilDlg::OnPaint()

{

if (IsIconic())

{

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

{m_induct=m_n*m_n*0.2*m_a*m_a/(25.4*(3*m_a+9*m_l+10*(m_a-}

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!");

}

2.2 Thiết kế giao diện

2.2.1 Tính toán cảm kháng cuộn dây đơn lớp

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

Number of turns: số vòng dây cuộn cảm Outer diameter: đường kính cuộn dây Length: chiều dài cuộn dây

Inductane: giá trị cảm kháng

2.2.3 Tính toán cảm kháng cuộn dây đa lớp

2.2.4 Thiết kế cuộn dây đa lớp

Number of turns: số vòng dây cuộn cảm Outer diameter: đường kính ngoài của cuộn dây

Inner diameter: đường kính trong của cuộn dây

Length: chiều dài cuộn dây Inductane: giá trị cảm kháng

Number of turns: số vòng dây cuộn cảm Outer diameter: đường kính ngoài của cuộn dây

Inner diameter: đường kính trong của cuộn dây

Length: chiều dài cuộn dây Inductane: giá trị cảm kháng

2.2.5 Giao diện của chương trình

Chương trình cho phép người sử dụng tính toán các phần sau đây

 Cảm kháng của cuộn dây 1 lớp

 Cảm kháng của cuộn dây đa lớp

 Hỗ trợ thiết kế quấn dây 1 lớp

 Hỗ trợ thiết kế quấn dây đa lớp

IV KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC

1 TÍNH KHOA HỌC

Chương trình cho phép tính toán điện cảm từ cuộn dây có sẵn và cũng cho phép thiết kế số vòng dây phù hợp khi đã biết trước giá trị điện cảm trên sơ đồ nguyên lý Ngoài ra chương trình còn hỗ trợ tính điện cảm đối với cuộn dây đa lớp

2 KHẢ NĂNG TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG VÀO THỰC TẾ

Ứng dụng làm chương trình hỗ trợ tính toán thiết kế cuộn dây cho sinh viên các ngành điện công nghiệp, điện điện tử, điều khiển tự động, cơ điện tử Phần mềm cũng hỗ trợ tốt cho các kỹ sư thiết kế chế tạo mạch điện

3 HIỆU QUẢ KINH TẾ XÃ HỘI

Giảm thời gian thiết kế mạch điện, tiết kiệm được nhiều công sức làm việc

PHẦN 3 : KẾT LUẬN

I KẾT LUẬN

Phần mềm được thiết kế hỗ trợ sinh viên, kỹ sư trong việc thiết kế chế tạo mạch điện Phần mềm này cũng làm cho sinh viên không còn cảm giác sợ phải thực hiện thiết kế các mạch điện có liên quan đến phần tử điện cảm

II ĐỀ NGHỊ

Cho phép sử dụng phần mềm rộng rãi và nâng cao thêm nhiều tính năng ở các phiên bản sau

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,

[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