CC BY
15SCIENTIFIC PROGRESS VOLUME 4 I ISSUE 1 I 2023 _ISSN: 2181-1601
Scientific Journal Impact Factor (SJIF 2022=5.016) Passport: http://sjifactor.com/passport.php?id=22257
О ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА
С. М. Абдурахмонов
Кандидат физико-математических наук,
доцент, кафедры «Электроника и приборостроение», факультета Системы
компьютерного проектирования, Ферганский Политехнический Институт
Э. С. Холматов
Ассистент кафедры «Электроника и приборостроение», факультета Системы
компьютерного проектирования, Ферганский Политехнический Институт
АННОТАЦИЯ
В статье указана, электромагнитные устройства широко применяются в промышленности в различных технологических узлах. Электромагниты производят переключение механизмов с одного состояния на другую или организуют блокировку работы оборудования. Так же, они масштабно используются в различных грузо-подъёмных конструкциях, клапанах и замках. Мощные электромагниты используются в сепараторных системах, которые отделяют железные примеси из измельченного сырья в непрерывных технологических линях. Ученые и исследователи провели многочисленные работы в области разработки мощных электромагнитов.
В настоящее время имеются различные учебные и методические пособия по построению электромагнитов в теоретическом и экспериментальном характере. Для разработчиков не имеются конкретные пособия, включающие в себя и теоретические и экспериментальные части в целом. На основе выше указанных обоснуется актуальность данной работы. В работе приводятся теоретическое описание возникновения магнитных полей и формулы отражающие основные параметры полей. Анализируется взаимосвязь между параметрами магнитных полей с учетом вклад среды. Приводятся результирующая формула для расчета по разработке электромагнитов постоянного электрического тока. Так же в расчетах приведены конкретные данные.
Ключевые слова: Электромагнит, сердечник, обмотка, магнитная индукция, напряженность, направление поля, длина пути силовых магнитных линий.
ABSTRACT
The article indicates that electromagnetic devices are widely used in industry in various technological units. Electromagnets switch mechanisms from one state to another or organize blocking of equipment operation. Also, they are widely used in
SCIENTIFIC PROGRESS VOLUME 4 I ISSUE 1 I 2023 _ISSN: 2181-1601
Scientific Journal Impact Factor (SJIF 2022=5.016) Passport: http://sjifactor.com/passport.php?id=22257
various lifting structures, valves and locks. Powerful electromagnets are used in separator systems that separate iron impurities from crushed raw materials in continuous process lines. Scientists and researchers have carried out numerous works in the development of powerful electromagnets.
Currently, there are various educational and methodological manuals for the construction of electromagnets in a theoretical and experimental nature. For developers, there are no specific manuals that include both theoretical and experimental parts in general. Based on the above, the relevance of this work is substantiated. The paper provides a theoretical description of the occurrence of magnetic fields and formulas reflecting the main parameters of the fields. The relationship between the parameters of magnetic fields is analyzed taking into account the contribution of the medium. The resulting formula for the calculation for the development of electromagnets of direct electric current is given. Specific data are also included in the calculations.
Key words: Electromagnet, core, winding, magnetic induction, strength, field direction, path length of magnetic lines of force.
ВВЕДЕНИЕ. Как известно, электромагниты широко применяются в промышленности в различных технологических узлах. С помощью электромагнитов производиться переключение механизмов с одного состояния на другую или организуется блокировка работы оборудования. Кроме этого, они масштабно используются в различных грузо подъёмных конструкциях, клапанах и замках. На основе мощных электромагнитов разработаны сепараторные системы, которые отделяют железные примеси из измельченного сырья в непрерывных технологических линях. [1]
В области разработки мощных электромагнитов проведены многочисленные теоретические и экспериментальные исследования. Имеются различные учебные и методические пособия по строению электромагнитов в теоретическом и экспериментальном характере. Но не имеются пособия, конкретные включающие в себя и теоретические и экспериментальные части в целом для разработки электромагнитов. По этому данная работа является актуальным.
ИССЛЕДОВАНИЕ. В первые Ампер экспериментально обнаружил, что в определенных расстояниях параллельные проводники с токами одного направления к друг другу притягиваются, а противоположного направления -отталкиваются. Эти явление приводить на мысль, что при движении заряженных частиц возникают особенные поля, которые обеспечивают взаимодействия между проводниками. Возникшее поле назвали магнитным полем. Магнитное поле создаётся движущимися зарядами (электрическим током) и действует также
SCIENTIFIC PROGRESS VOLUME 4 I ISSUE 1 I 2023 _ISSN: 2181-1601
Scientific Journal Impact Factor (SJIF 2022=5.016) Passport: http://sjifactor.com/passport.php?id=222ff7
только на движущиеся заряды. Эти явление привело к изобретению нового устройства, которого именовали электромагнитом. Разработанные
электромагниты могут обладать гораздо большей магнитной силой по сравнению с магнитной силой природных магнитов.[ 2,3]
Основными силовыми характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция и магнитная напряженность. Это векторные величины, и имеют направление, указываемое северным концом магнитной стрелки в данном магнитном поле.
F= Bllsina (1)
где a — угол между векторами магнитной индукции и тока, B — индукция магнитного поля, I — сила тока в проводнике, l — длина проводника.
Направление силы Ампера можно определить по правилу левой руки. Расположить левую руку так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, четыре пальца были направлены по току (по направлению от плюса к минусу), тогда отставленный в стороне большой палец покажет направление силы Fa .
Модуль магнитной индукции при этом равен a = 90 0С
+ B = Fmax II (2)
где Fmax - максимальная сила действия магнитного поля на проводник длины с током .
Единицей измерения индукции магнитного поля в СИ является тесла 1 И/(Лш)=1Тл . Направление вектора индукции в каждой точке поля совпадает силовым линиям. Плотности силовых линий магнитного поля определяется магнитным потоком:
Ф =B S cosa
Магнитный поток непрерывен по всему сечению магнитопровода (аналогия с потоком воды в трубе, который характеризуется расходом через сечение S ). Единицей измерения магнитного потока является вебер [1Вб = 1Тл ш2 ].
Влияние среды к параметрам магнитного поля определяется вектором напряжённости
H = Б/ц (3)
Напряжённость магнитного поля измеряется в единицах А /м, где - ц
п
относительная магнитная проницаемость среды, = 4 п 10 - Гн /м абсолютная магнитная проницаемость вакуума (и воздуха).
SCIENTIFIC PROGRESS VOLUME 4 I ISSUE 1 I 2023 _ISSN: 2181-1601
Scientific Journal Impact Factor (SJIF 2022=5.016) Passport: http://sjifactor.com/passport.php?id=222ff7
(3) указывает, что
B= Hj- (4)
В среде где ц >> 1 магнитное поле усиливается, эту среду называют ферромагнитом. Значение параметра показывает, во сколько раз ферромагнитный сердечник усиливает магнитное поле B , создаваемое током I. Ферромагнитные материалы имеют свойство легко намагничиваться, поэтому магнитная индукция в устройствах на основе ферромагнитов значительно больше, чем в окружающей среде. При постоянном электрическом токе I, направление потока Ф неизменно - это и есть магнитное поле с постоянной магнитодвижущей силой (МДС) - как аналогия ЭДС. Природные магниты материалы также являются источником такого магнитного потока.
В устройствах где используется переменный электрический ток i, направления магнитного потока Ф меняется - это обеспечивает магнитная цепь с переменной МДС. Для магнитных цепей, как и на электрические, распространяются понятия: узел, ветвь, контур, направления, сопротивления. При наличии нескольких источников магнитного поля, для общего магнитного поля также справедливо принцип суперпозиции, из которого следует, что результирующая магнитная индукция равна векторной сумме магнитных индукций полей, которые создаются каждым из этих источников в отдельности:
B=-Bi+-»2+...+В
Для определения значение параметров магнитного поле сначала рассмотрим неразветвленную однородную магнитную цепь из одного материала с постоянным сечением. По теореме циркуляции магнитного поля f W=ZI (5)
Формула указывает, что интеграл вектора B напряжённости по замкнутому контуру равен полному току, охваченному этим контуром. Используем этот закон к кольцевому соленоиду с ферримагнитном сердечником (рис. 1). Магнитный поток в сердечнике будем считать близким к равномерному.
Рис.1. Кольцевой соленоид круглим ферримагнитным
сердечникам
SCIENTIFIC PROGRESS
VOLUME 4 I ISSUE 1 I 2023 ISSN: 2181-1601
Scientific Journal Impact Factor (SJIF 2022=5.016) Passport: http://sjifactor.com/passport.php?id=222ff7
Выделим в соленоиде контур по его средней линии с радиусом R . В силу равномерности поля вектор H одинаков в каждой точке средней линии и касается её. Тогда согласно (5)
f Hdl=Hlcp=H2nR=Ito
где длина средней линии сердечника; ю - число витков обмотки сердечника.
Из этого можно определить
H=2nRIto (6)
а его направление в каждой точке магнитопровода определяется по правилу сверла. Значение напряжённости поле пропорционально к значению тока и количество обмотки. В экспериментальных исследованиях указаны, что измеряя одновременно ток I и магнитный поток Ф , можно снять экспериментально кривые намагничивания (рис. 2).
Рис.2. График кривой намагничивания сердечника
График указывает, что при увеличении значение тока начиная с определенных значений наблюдается насыщение.
Рис. 3 Схема магнитной цепи На рисунке(рис.З) отображены направление магнитного потока. Направления магнитного потока определяется по правилу «правой руки». Правило правой руки для катушки с током описывается таким образом: катушка берется в правую руку так, чтобы согнутые четыре пальца совпадали с направлением тока в обмотках, в этом случае отогнутый большой палец будет показывать направление линий потока магнитного поля внутри катушки. [ 4,5,6]
Основной характеристикой электромагнитов являются силы воздействия к другим магнитным полям. Силы воздействие определяется силой потока. Силовой поток магнитного поля зависит основном так называемой магнитодвижущей
SCIENTIFIC PROGRESS
VOLUME 4 I ISSUE 1 I 2023 ISSN: 2181-1601
Scientific Journal Impact Factor (SJIF 2022=5.016) Passport: http://sjifactor.com/passport.php?id=222ff7
силы (Ем), которая определяется числом ампер витков на 1см длины пути силовых линий и магнитный поток может быть выражен формулой:
Ф = Em / Rm (7) где магнитодвижущая сила
Em=1,3to (8)
ю - число витков катушки, I — сила текущего по катушке тока в амперах Вторая составляющая, магнитное сопротивление:
(9)
Л - магнитная проницаемость, Ь — средняя длина пути силовых магнитных линий, Б — поперечное сечение магнитопровода.
Выражение магнитодвижущей силы указывает (8), что для получение большого силового потока необходимо увеличить число ампер витков (1т) в конструкциях электромагнита. Кроме этого можно также увеличить силовой поток уменьшением магнитного сопротивления (7,9). Для этого надо выбрать магнитопровод с наименьшей длиной пути силовых линий и с наибольшим поперечным сечением, а в качестве материала — железо материал с большой магнитной проницаемостью.
В некоторых случаях увеличения силового потока путем увеличения ампер витков() не является приемлемым, так как в целях экономии проволоки и питания следует стремиться к уменьшению ампер витков. Обычно расчеты электромагнитов делаются по специальным схемам. В целях упрощения в расчетах мы будем также пользоваться некоторыми выводами из схем. Предположим, требуется определить ампер витки и силовой поток замкнутого железного магнитопровода, изображенного на рисунке 4а и сделанного из железа самого низкого качества. [ 2, 4]
Рис. 5. Электромагниты
SCIENTIFIC PROGRESS VOLUME 4 I ISSUE 1 I 2023 _ISSN: 2181-1601
Scientific Journal Impact Factor (SJIF 2022=5.016) Passport: http://sjifactor.com/passport.php?id=222ff7
Как показывают наши опыты, что наиболее приемлемой является магнитная индукция в пределах от 10 000 до 14 000 силовых линий на 1 см , что равносильно от 2 до 7 ампер виткам на 1 см. Для более экономичного в смысле, намотки катушек с наименьшим числом витков и питания, в расчетах надо
л
принимать именно эту величину (10 000 силовых линий на 1 см при 2 ампер витках на 1 см длины). В этом варианте расчет может быть произведен следующим образом. Так, при длине магнитопровода L = L1+L2 равной 20 см + 10 см = 30 см, потребуется 2x30=60 ампер витков.
Для упрощения диаметр D сердечника (рис.4,в) примем равным 2 см, то его площадь будет равна:
S = 3,14x(D/2)2 = 3,14 см2.
0тсюда образуемый магнитный поток будет равен:
Ф = B х S= 10000 x 3,14=31400 Вб силовых линий.
Исходя из этого можно приближенно вычислить и подъемную силу электромагнита (P).
P = B2 • S/25 • 1000000 = 12,4 кг.
Если применять двухполюсный магнит этот результат следует удвоить. Следовательно, Р=24,8 кг = 25 кг.
При расчете подъемной силы необходимо помнить, что она зависит не только от длины магнитопровода, но и от площади соприкосновения якоря и сердечника (якорем называется дополнительная ферромагнитная конструкция, перетягиваемая к сердечнику электромагнита). Поэтому якорь должен плотно прилегать к полюсным наконечникам в большом пространстве, иначе малейшие воздушные прослойки вызовут сильное уменьшение подъемной силы электромагнита.
Проводим расчет катушки электромагнита для различных вариантов. Приведенном примере подъемная сила в 25 кг обеспечивается 60 ампер витками. Рассмотрим, различные случае с разными средствами вариантов получения произведения NJ = 60 ампер витки.
Из расчетов видно, что этого можно добиться либо путем использования большого тока при малом количестве витков катушки, например, 2 А при 30 витков, либо путем увеличения числа витков катушки при уменьшении тока, например 0,25 А при 240 витков. [1,8,9].
Таким образом, чтобы электромагнит имел подъемную силу в 25 кг, на его сердечник можно намотать и 30 витков и 240 витков, но при этом изменить величину питающего тока. Конечно, можно выбрать и другое соотношение параметров. Но изменение величины тока в больших пределах не всегда
SCIENTIFIC PROGRESS VOLUME 4 I ISSUE 1 I 2023 _ISSN: 2181-1601
Scientific Journal Impact Factor (SJIF 2022=5.016) Passport: http://sjifactor.com/passport.php?id=22257
допускается, так как оно обязательно потребует изменения диаметра применяемой проволоки. Например, при кратковременной работе (несколько минут) для проводов диаметром до 1 мм допустимо плотность тока, при которой
л
не происходит сильное перегревание провода, можно принять равной 5 а/мм . В нашем примере проволока должна быть следующего сечения: для тока в 2 а — 0,4 мм2, а для тока в 0,25 а — 0,05 мм2, диаметр проволоки будет 0,7 мм или 0,2 мм соответственно.
При этом необходимо учесть, что значение токов управляется напряжением питание. Размер катушки (обмотки) определяется диаметром провод и количеством, которые образует сопротивление обмотки.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Промышленные электромагниты постоянного тока изготавливаются различных формах и конструкциях. Их технические параметры определяются: размером конструкции, количеством обмотки, материалом сердечника и якоря, толщиной провода. Сила тяги электромагнитных устройств в основном управляется регулированием напряжения подаваемых питание.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРА
1. С.М. Абдурахмонов, Э.С. Холматов. ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ УСТРОЙСТВ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ Scientific-technical journal (STJ FerPI, ФарПИ ИТЖ, НТЖ ФерПИ, спец.выпуск №5) 63
2. А.В. Михайлов, Н.В. Руссова, Д.В. Самуилов, Г.П. Свинцов "Минимизация массы стали и меди форсированного П-образного электромагнита с последовательно соединенными обмотками" Вестник Чувашского университета. 2017. № 3 .
3. Никитина О.А., Петров О.А., Руссова Н.В., Свинцов Г.П. Выбор размеров форсированного П-образного двухкатушечного привода контактора // Вестник Чувашского университета. 2015. № 1.
4. Алексеев И.В., Волков А.Н. Динамика быстродействующих цикловых механизмов с линейным электромагнитным приводом // Динамика, прочность и надежность технологических машин: сб. науч. тр. СПбГТУ. СПб., 1998. № 2
5. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Динамическая модель электромагнитного привода колебательного движения для систем генерирования низкочастотных вибраций // Доклады АН ВШ РФ. Серия «Технические науки». 2015. № 3
6. А.К. Землякова, Е.Р. Кайгородова, А.Н. Парыкин, Н.Е. Макеев, Н.Г. Кулев Обзор и анализ интегральных характеристик для оценки функционального состояния электромагнитов Инженерный вестник Дона, №7 (2021)
7. Ромшин, Я. А. К выбору системы управления многокатушечным длинноходовым электромагнитом . Технические науки в России и за рубежом :
SCIENTIFIC PROGRESS VOLUME 4 I ISSUE 1 I 2023 _ISSN: 2181-1601
Scientific Journal Impact Factor (SJIF 2022=5.016) Passport: http://sjifactor.com/passport.php?id=222ff7
материалы IV Междунар. науч. конф. (г. Москва, январь 2015 г.). — Москва : Буки-Веди, 2015. — С. 44-47.
8. Abdurakhmonov S.M.,Sayitov Sh. S. Khasanov U. Sh; Karabayev F. S.Modernization of industrial compressors based on
modern automation tools. ACADEMICIA: An International Multidisciplinary Research Journal. Vol. 11, Issue 4, April 2021.pp 1167-1172.
9. Абдурахмонов С.М.,Кулдашов О. Х. Автоматический уровнемер жидкости для взрывоопасных зон. НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 1, с. 66-72
