NAM CHÂM ĐIỆN ,CHƯƠNG 5b

- CHỌN DẠNG KẾT CẤU.A - CÁC LOẠI NAM CHÂM ĐIỆN VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CHÚNG.. Các đặc điểm của NCĐ một chiều và xoay chiều thường gặp ở các điều kiện như nhau T.T Các đặc điểm về kết cấu v

- CHỌN DẠNG KẾT CẤU.

A - CÁC LOẠI NAM CHÂM ĐIỆN VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CHÚNG

Các nam châm điện hiện nay có nhiều dạng khác nhau về mạch từ, cuộn dây, nguồn điện cung cấp Người ta phân loại theo các đặc điểm quan trọng sau :

1 Nguồn điện, điện 1 chiều ( H5-1) và điện xoay chiều (H5-2) Phần lớn các cuộn dây đều nối song song với nguồn điện Nhưng ở một vài loại nạm châm điện, ví dụ :ở rơle dòng điện cực đại cuộn dây mắc nối tiếp

( Hình vẽ NCĐ 1 chiều và xoay chiều)

( H5-1) (H5-2) Những đặc điểm của NCĐ một chiều và xoay chiều đựic trình bày ở bảng 5-1

Bảng 5-1

Các đặc điểm của NCĐ một chiều và xoay chiều thường gặp (ở các điều

kiện như nhau ) T.T Các đặc điểm về

kết cấu và thông

số

Điện một chiều Điện xoay chiều

1

2

3

4

5

6

-Mạch từ : vật liệu

-Dạng tiết diện lõi

( công nghệ )

-Cuộn dây điện áp

-Đường kính dây

quấn

-Số vòng

-Lực sinh ra

-Hành trình phần

ứng

-Đặc tính lực hút

-Thép ít cacbon, chế tạo

ở dạng khối ( tròn hay chữ nhật )

-Tròn ( gia công bằng cắt gọt )

-Nhỏ (điện trở tác dụng)

-Nhiều

-Lớn

- Bé

-Dạng hypecbol ( dốc )

-Không đổi, không phụ

-Thép silic kỹ thuật điện dạng lá (để giảm tổn hao do từ trễ và dòng xoáy )

-Chữ nhật ( gia công bằng dập, ép, tán)

-Lớn (điện trở tác dụng và phản kháng thành phần tác dụng nhỏ )

-Ít

-Nhỏ ( bằng 1/2 so với 1 chiều khi có cùng từ thông )

-Lớn

-Dạng hypecbol ( nằm ngang) từ thông

ít thay đổi theo hành

8

9

10

11

12

13

-Sức từ động của

cuộn dây điện áp

-Từ thông: giá trị

tính toán

-Sự thay đổi khi

giảm khe hở

không khí làm

việc

-Dòng điện trong

cuộn dây điện áp

khi nắp mở

-Công suất tiêu

thụ

-Thời gian tác

động

-Độ chịu mòn của

mạch từ

-Độ tin cậy của

cuộn dây

-Khối lượng và

kích thước ( cùng

1 lực)

thuộc vào hành trình phần ứng

-Phụ thuộc vào lực đã cho

-Theo đường hypecbol tăng ( vì tăng từ dẫn khe hở)

-Bằng dòng điện khi nắp hút

-Bé

-Lớn(cuộndâynhiềuvòng hằng số thời gian điện từ lớn)

-Lớn ( vì các chi tiết ở thể khối)

-Lớn

-Bé

trình của phần ứng -Giảm khi khe hở không khí giảm

-Tri số biên độ bằng tri số của điện 1 chiều

-Tăng không đáng kể

vì dòng điện và từ thông rò giảm

- Lớn hơn vài lần khi nắp hút( vì từ tản bé)

-Lớn (tổn hao dòng xoáy, từ trễ, vòng ngắn mạch do rung) -Bé ( thường khoảng

1 chu kỳ của dòng điện hình sin, Sđđ cảm ứng khi phần ứng chuyển động bé hơn điện áp nguồn)

- Bé (vì các chi tiết ghép từ các lá thép mỏng)

-Bé (cháy khi bị ngắn mạch giữa các vòng dây và khi mạch từ bị kẹt

-Lớn

Một trong các điều kiện để NCĐ có kích thước và khối lượng bé nhất là

sử dụng khả năng sinh công qui ước cực đại Ahqmax (hình 5-3a) bằng tích của lực ban đầu Fdtư và hành trình biểu diễn bằng diện tích gạch chéo

(hình 5-3a,b,c): So sánh NCĐ một chiều và xoay chiều loại hút chập, cuộn dây điện áp theo công hữu ích qui ước

So sánh 2 ví dụ về đặc tính lực hút và đường cong công hữu ích qui ước của NCĐ một chiều F-, A- và NCĐ xoay chiều F-, A Với những điều kiện giống nhau, NCĐ một chiều có Ahqmax-ở hành trình bé, còn NCĐ xoay chiều

có Ahqmax-ở hành trình lớn Vì vậy nên thiết kế NCĐ một chiều hành trình bé

so với NCĐ xoay chiều Nếu cho trước hành trình của tiếp điểm (độ mở, độ kín ) ở khí cụ điện một chiều nên chọn ltd ldt ( H 5-3c) còn ở khí cụ điện xoay chiều nên chọn ltd ldt ( H 5-3b)

2/- Đặc tính chuyển động trong không gian của phần ứng :

a) Phần ứng chuyển động quay và hút chập ( 5-1a-h-r; H 5-2a,b,c)

b) Phần ứngchuyển động thẳng ( H 5-1, i - 0, s; H 5 -2,d, -i) chọn dạng chuyển động của phần ứng dựa theo sơ đồ chuyển động của cơ cấu Với cơ cấu có hành trình lớn nên chọn loại chuyển động thẳng

3/- Đặc tính lực hút điện từ :

Những đặc tính của những nam châm điện thông dụng

(Hình 5 -4 : Những dạng đặc tính lực hút đặc trưng của các NCĐ thông dụng )

a) Dạng hypecbol ( H 5-4 đường cong a; H 5-5a): ở các NCĐ mà từ thông rò không sinh ra lực ( H5-1,a-c, đ-h, m-q, t; H5-2, a,b, đ)

b) Dạng yên ngựa ( H 5-4,b ; H5-5đ) : Ở các NCĐ mà từ thông rò có sinh thêm lực từ phụ, đó là những trường hợp phần ứng ngập trong cuộn dây, từ thông rò không đi qua khe hở không khí làm việc nhưng đi qua phần ứng ( H 5-1,i-l; H5-2,d ,e-h)

c) Dạng núi ( H5-4 đường cong c, H 5-5, đ) : Những NCĐ có phần ứng chuyển động trong cuộn dây, mạch từ hở và loại có phần ứng chuyển động vuông góc với phương của từ thông ( H 5-1,0)

d) Dạng lực ít thay đổi theo hành trình ( H5-4 đường cong d)

Ở những nam châm điện có mạch từ kín hoặc hở nhưng có phần ứng chuyển động trong lòng cuộn dây ( H 5-1 s) và ở nam châm điện xoay chiều

3 pha 3 cuộn dây phần tĩnh và phần ứng dạng chữ Ш ( H5-2,i) có dạng đặc tính tương tự (H5-5,e) Loại nam châm điện này có đặc điểm không bị rung

4/- Thay đổi dạng đặc tính lực hút:

a) Nam châm điện có phần ứng ngoài cuộn dây ( H5-1,a-h,n; H5-2a,b) Tăng độ dốc dạng đặc tính hypecbol ở nam châm điện một chiều bằng cách dùng mạch từ hình Ш ( H5-1, e) Nam châm điện có đưòng kính lớn và chiều cao bé ( H 5-1h, m) cho lực lớn khi hành trình bé, loại này hay dùng trong các phanh hãm và cần cẩu điện từ (H5-1, t)

Hình 5-5: Đặc tính lực hút của các nam châm điện khác nhau

δ - khe hở làm việc

Fdt, Mdt- lực và momen điện từ

(I.W) - sức từ động; hcd - chiều cao cuộn dây; h - chiều cao phần lõi tĩnh

U - điện áp cuộn dây

a) Nam châm điện nắp thẳng, hút chập

b) Lõi chuyển động thẳng, cực từ ở khe hở làm việc phẳng

c) Lõi phẳng và lõi hình nón ( Fph và Fn )

d) Nam châm điện xoay chiều có phần ứng chuyển động trong lòng cuộn dây (Ftr) và phần ứng ngoài cuộn dây (Fng)

đ) Không có lõi giữa

e) Ba pha, ba cuộn dây

g) Có phần ứng với dạng khác nhau, quay đến 1000, dạng phần ứng và góc quay ở hình g, đặc tính ở hình i

b) Nam châm điện có phần ứng chuyển động trong lòng ống dây (

H5-1, i ,k) thay đổi đặc tính bằng cách thay đổi chiều cao h của phần lõi tĩnh

(H5-5) Nếu đặc tính hình nón thì lực điện từ lớn hơn



sin

1

2 lần ( α là góc đỉnh nón ) so với loại cực từ phẳng (H5-5, c)

Những nam châm điện có phần ứng chuyển động trong lòng ống dây (H5-2c,d,h) cho lực tương đối lớn so với nam châm điện có phần ứng ở ngoài ( H5-5,d)

c) Nam châm điện có phần ứng chuyển động vuông góc với phương của

từ trường (H 5-1p) với nam châm điện một chiều có phần ứng quay đến góc

1000 hoặc lớn hơn nữa, thay đổi đặc tính lực hút bằng cách thay đổi hình dạng của cực từ phần ứng và gông Đặc tính lực hút ảnh hưởng rất lớn bởi hình dạng phần ứng, vị trí tương đối giữa cực từ và góc quay α , giữa trục phần ứng và pháp tuyến của mặt cực (H5-5h,u)

5/- Theo thời gian chuyển động của phần ứng chia làm 3 loại:

a) Nam châm điện tác động nhanh Thời gian tác động khoảng từ 1 đến

10 miligiây

b) Nam châm điện tác động bình thường Thời gian tác động khoảng từ

10 miligiây đến hàng trăm miligiây

c) Nam châm điện tác động chậm

B - CHỌN DẠNG KẾT CẤU TỐI ƯU

Trên cơ sở hàng loạt tính toán và thực nghiệm về các dạng nam châm điện khác nhau, người ta đưa ra phương pháp chọn dạng kết cấu tối ưu, theo chỉ tiêu hình học Ta có hệ số kết cấu Kkc được tính bằng công thức :

Với nam châm điện một chiều :

Kkc =



Fdt , N1/2/m ( 5-1) Với nam châm điện xoay chiều :

Kkc =

Fdt

2 , N1/2/m ( 5-2)

Vì nam châm điện có thể tính gần đúng :

Fdt    D2 và   l

do đó :

Kkc 

l D

Fdt - lực điện từ của nam châm điện, N

 - khe hở làm việc của nam châm điện, m

, l - tiết diện và chiều dài lõi mạch từ

D - đường kính lõi của nam châm điện hình trụ hoặc đường kính cuộn dây

Vậy hệ số kết cấu Kkc đặc trưng cho tỉ số giữa đường kính của lõi hoặc của cuộn dây và chiều dài của lõi hoặc chiều cao của cuộn dây

Ở mỗi dạng kết cấu của nam châm điện trong một phạm vi nhất định của hệ số kết cấu Kkc sẽ đặt tối ưu về khối lượng

Bảng 5-2 cho các giá trị của Kkc với những dạng nam châm điện khác nhau Đây là những giá trị dùng cho nam châm điện một chiều chế độ làm việc dài hạn có khả năng sinh công khoảng 11,5 kGm, độ chênh nhiệt là

700c Những số liệu này cũng dùng tham khảo cho các loại nam châm điện khác

Bảng 5-2:

Các giá trị của hệ số kết cấu với những nam châm điện khác nhau

Kkc

Dạng kết cấu

của nam châm điện

N1/2/mm kG1/2/cm

Ví dụ

số của hình vẽ

- Phần ứng hình trụ chuyển

động thẳng:

a) Lõi và cuộn dây

b) Mạch từ không khép kín

(không có lõi) phần ứng

hình nón cụt

c) Phần ứng hình nón góc

600

d) Phần ứng hình nón góc

900

e) Phần ứng phẳng

- Nam châm xoay chiều hút

thẳng dạng T và Ш có phần

ứng ngập trong cuộn dây

- Lõi hình trụ, phần ứng

hình đĩa

- Loại hai cuộn dây, hai lõi,

phần ứng phẳng nằm ngoài

cuộn dây

- Loại một cuộn dây, một

lõi phần ứng nằm ngoài

< 63

63 - 316

380 - 1600

1260 - 5100

5100 - 30000

316 - 25000

30000 - 140000

900 - 90000

630 - 63000

< 0,2

0,2 - 1,0 1,2 - 5,0

4 - 16

16 - 93

1 - 80

93 - 450

2,7 - 270 1,9 - 190

-5 - 1, s

5 - 1, k

5 - 1, k

5 - 1, u,l

5 - 2,e ,h

5 - 1 ,m

5 - 1, n

5 - 1,a, b, d

Hệ số kết cấu cho phép xác định dạng kết cấu trong bước tính toán sơ

bộ đầu tiên Nó không phẩn ánh được ảnh hưởng của các yếu tố quan trọng như nhiệt độ cuộn dây, điều kiện toả nhiệt, chế độ làm việc Vì vậy khi chọn dạng kết cấu phải lưu ý đến những yêu cầu về thiết kế, chế tạo, vận hành Tiêu chuẩn tối ưu cho trước có thể không phải theo khối lượng mà theo các yêu cầu khác ( công suất tiêu thụ, thời gian tác động ) tuy thế vẫn nên chọn dạng kết cấu theo hệ số kết cấu Có thể hiệu chỉnh các kích thước của nam châm điện với khối lượng bé nhất để đạt được các thông số tối ưu khác

§5.4 - CHỌN VẬT LIỆU TỪ

Mạch từ của nam châm điện một chiều, xoay chiều được chế tạo từ thép mềm ít cacbon ( bảng 5 -1)

Đặc tính cơ bản của vật liệu từ là quan hệ giữa từ cảm B và cường độ từ truờng H Đặc tính này được cho trong các sổ tay dưới dạng các đường cong

từ hoá ( H5-6) hoặc các bảng số ( Bảng 5-4) Đặc tính quan trọng khác của vật liệu từ là quan hệ giữa độ từ thẩm tương đối và từ cảm B ( H5-7) các số liệu cho ở đường cong và bảng là giá trị trung bình của mỗi loại vật liệu Trị

số thực dao động quanh trị số trung bình, nó phụ thuộc vào chế độ gia công nhiệt, công nghệ chế tạo ( vì gia công làm thay đổi tính chất của vật liệu )

hết trang 190 )

Hình 5-6 : các đường cong từ hóa của vật liệu từ

1 thép cácbon mã hiệu э được ủ

2 thép kết cấu chất lượng cao mã hiệu 10 được ủ

3 thép kết cấu chất lượng tốt mã hiệu 20 được ủ

4 lá thép kỹ thuật điện mã hiệu э41

5 thép lá kỹ thuật điện cán lạnh mã hiệu э 330

6 gang rèn ủ

7 gang hợp kim mã hiệu 00 được ủ

8 gang mã hiệu 00 không ủ

9 pecmalôi niken cao mã hiệu 79HM

10 pecmalôi niken thấp mã hiệu 50H

11 pecmalôi niken thấp mã hiệu 50HXC

12 pecmendiu

1/ Nam châm điện một chiều

Các chi tiết của mạch từ được gia công từ thép tròn, thép khối hoặc thép tấm

Với các nam châm điện kích thước bé như rơle, công tắc tơ thường dùng mạch từ bằng vật liệu thép kỹ thuật điện ít các bon э A và э (còn gọi là Apm co) Vì hệ số lực từ phản kháng thấp nên loại vật liệu này có

độ từ thẩm cao

Với nam châm điện kích

thước trung bình và không có

yêu cầu về giảm lực từ phản

kháng và từ thẩm cao, mạch từ

nên gia công từ thép kết cấu chất

lượng cao ít cacbon thép 0,5; 0,8;

10

Với các nam châm điện kích

thước lớn mạch từ nên chế tạo từ

gang (kỹ thuật điện) Để giảm

kích thước và khối lượng với

mạch từ các chi tiết cũng có thể

đúc từ thép ít cacbon

Hình 5-7: các đường cong của độ từ thẩm tương đối của vật liệu từ mềm số của đường cong tương ứng với hình 5-6

2/- Nam châm điện xoay chiều

Hầu hết các mạch từ được chế tạo từ thép silic Ở loại này vì lực từ phản kháng bé nên tổn hao do từ trễ không đáng kể, mặt khác do mạch từ được ghép với lá thép mỏng từ 0,1 – 1 mm tổn hao do dòng điện xoáy bé Thành phần hóa học và tính chất của các loại thép này ở bảng 5-4