برای طراحی آهن‌ربای الکتریکی نخست مطالبی در خصوص آهن‌ربای الکتریکی و قوانین به کار رفته ارائه شده و سپس به محاسبات ]۱۳[ مورد نیاز اشاره می‌گردد. در ادامه آهن‌ربای الکتریکی طراحی شده توسط توسط نرم افزار VIZIMAG مورد تحلیل قرار گرفته و نتیجه ارائه گردیده شده است.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت nefo.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
آهن‌ربای الکتریکی
آهن‌ربای الکتریکی به آهن‌ربایی اطلاق می‌گردد که در آن میدان مغناطیسی توسط عبور جریان الکتریکی از یک سیم‌پیچ که معمولا دارای هسته آهنی میباشد حاصل گردیده شده باشد. با قطع جریان الکتریکی میدان مغناطیسی نیز تقریبا از بین می‌رود. قدرت میدان مغناطیسی با مقدار جریان الکتریکی عبوری از آن رابطه مستقیم دارد.
قانون بیووساوار[۱۳]
برای نخستین بار اورستد وجود میدان مغناطیسی اطراف سیم حامل جریان الکتریکی را کشف نمود. بعدها بیوت[۱۴] و ساوارت[۱۵] این رابطه را به صورت کمی بیان کردند که به قانون بیووساوار مشهور گردید. قانون بیووساوار عبارت است از رابطه دیفرانسیلی بین جریان و میدان مغناطیسی. این قانون را می‌توان برای حالت‌های مختلف محاسبه کرد که با توجه به روابط مورد نیاز ذیلا محاسبه میدان مغناطیسی نزدیک حلقه جریان و تعمیم آن به سیم پیچ ارائه می‌گردد.
میدان مغناطیسی نزدیک حلقه جریان
جریانی به شدت I از سیم حلقوی که در شکل (۷-۴) نشان داده شده است عبور می‌کند.
شکل(۷-۴): میدان ناشی از عبور جریان از سیم حلقوی
میدان مغناطیسی ناشی از عبور از سیم حلقوی در نقطه P توسط قانون بیووساوار به صورت زیر
محاسبه می‌گردد جدول (۱-۶):
(۱-۴)
(۲-۴)
۰µ عبارت است از ضریب نفوذ مغناطیسی هوای آزاد که مقدار آن برابر است با :
µ۰ = ۱٫۲۵۶۶۴ x 10-6 T.m/A
در رابطه فوق r به صورت متر و واحد I آمپر میباشد.
جهت محاسبه میدان در روی محور سیم حلقوی به شکل زیر عمل می‌نماییم:
بردار دیفرانسیلی میدان، dB، را همانند شکل فوق می‌توان در دو جهت عمود و موازی محور z تجزیه نمود. به لحاظ قرینه در فضای انتگرال‌گیری روی سیم حلقوی میدان حاصله از انتگرال‌گیری در مسیر حلقوی فقط در جهت z وجود خواهد داشت.
(۳-۴)
زاویه در طول مسیر انتگرال‌گیری ثابت بوده و عبارت است از :
(۴-۴)
و از آنجایی که بردار واحدr به المان جریان IdS عمود است لذا خواهیم داشت:
(۵-۴)
با اعمال موارد فوق در قانون بیووساوار خواهیم داشت:
(۶-۴)
همان گونه که می‌دانیم میدان روی محور z مورد نظر میباشد لذا:
(۷-۴)
آهن‌ربای الکتریکی در واقع نوعی سلنوئید است. میدان مغناطیسی حاصله از آهن‌ربای الکتریکی که در واقع مجموع میدانهای سیم‌های حلقوی است که دور یک هسته آهنی پیچیده شده‌اند. این میدان در محور طولی سیم‌پیچ تقریبا یکنواخت میباشد ولی در اطراف محور شرایط پیچیده خواهد بود. جهت سادگی محاسبه میدان در محور طولی سیم‌پیچ شرایطی را در نظر گرفته خواهد شد..
قطر سیم مورد استفاده در سیم‌پیچ نسبت به قطر خود سیم‌پیچ باید بسیار کوچکتر باشد
تعداد دور سیم‌پیچ باید عددی بسیار بزرگ باشد.
مطابق شکل زیر سلنوئیدی به طول L در نظر گرفته میشود. با فرض اینکه N دور اطراف هسته پیچیده شده‌باشد چگالی حلقه‌های جریان در واحد طول N/L خواهد بود. بنابراین در واحد طول سیم‌پیچ، (N/L)dx حلقه جریان خواهد بود. مطابق فرمول. خواهیم داشت:
(۸-۴)
با تغییر متغیر x به پارامتر زاویه β خواهیم داشت:
(۹-۴)
(۱۰-۴)
(۱۱-۴)
(۱۲-۴)
(۱۳-۴)
میدان کل از انتگرال‌گیری در طول سیم‌پیچ بدست خواهدآمد لذا:
(۱۴-۴)
میدان مغناطیسی در وسط سیم‌پیچ از β۱ = π و β۲ = ۰ و در دو انتهای سیم‌پیچ از β۱ = π/۲ و β۲ = ۰ بدست می‌آید.
نقش هسته در آهن‌ربای الکتریکی
معمولا هر آهن‌ربای الکتریکی مشتمل بر یا سیم‌پیچ و یک هسته که در داخل سیم‌پیچ قرار می‌گیرد میباشد. هسته را معمولا از مواد فرومغناطیس همانند آهن انتخاب می‌کنند. هسته از نگاه میکروسکوپیک از آهن‌رباهای کوچکی که دوقطبی نامیده میشود تشکیل شده‌اند.هر یک از این دوقطبی‌ها شامل یک قطب N و یک قطب S میباشد. سو و جهت‌گیری این دوقطبی‌ها به صورت نامرتب و نامنظم میباشد و در کل این بی‌نظمی باعث خنثی شدن میدانهای مخالف توسط یکدیگر میشود در نتیجه میدان کلی حاصله از میدانهای ذاتی صفر خواهد بود. ولی زمانی که جریان الکتریکی به سیم‌پیچ وصل شود این دوقطبی‌ها با خطوط میدان داخل سیم‌پیچ همسو و همراستا می‌شوند در نتیجه باعث ت
قویت میدان میدان حاصله از سیم‌پیچ شده و میان مغناطیسی بزرگتری توسط آهن‌ربای الکتریکی ایجاد می‌گردد. هر چقدر جریان عبوری از سیم‌پیچ بزرگتر باشد میدان حاصله از سیم‌پیچ توانایی همراستایی بیشتر این دوقطبی‌ها را خواهد داشت که در نتیجه میدان مجموع نهایی هم قویتر خواهد بود. البته این افزایش میدان ناشی از افزایش جریان هم خطی نمی‌باشد. بدین معنا که با افزایش جریان الکتریکی از یک حد مشخص افزایش میدان ناچیزی خواهیم داشت. این پدیده را اشباع هسته می‌نامند. اشباع مغناطیسی زمانی رخ می‌دهد که درصد زیادی از دوقطبی‌های مغناطیسی با خطوط میدان داخل سیم‌پیچ همراستا گردیده باشند. به عبارت دیگر برای بالا بردن میدان مغناطیسی متاثر از وجود هسته توسط جریان دیگر دوقطبی‌هایی جهت همراستایی باقی نخواهد ماند. تاثیر هسته در محاسبات توسط تعیین می‌گردد. در حالتی که سیم‌پیچ فاقد هسته باشد از۰µ که نشان دهنده ضریب نفوذ مغناطیسی هوا است استفاده میشود و زمانی که هسته به کار رفته‌باشد از µ که برای هر ماده تعریف و مشخص می‌گردد استفاده میشود.
طراحی آهن ربای الکتریکی
با توجه به مطالعات انجام یافته ]۹[ آهن‌ربای الکتریکی مورد نیاز باید قدرتی در حدود ۰٫۵ تا ۱٫۵ تسلا داشته باشد. لذا به کمک محاسبات ساده و نرم افزار VISIMAG آهن‌ربایی با مشخصات ذیل طراحی گردید.
دستگاه مورد نظر دارای یک واحد سیم پیچ و یک مرکز کنترل میباشد. واحد سیم پیچ شامل هسته با مقطع دایره ای به قطرmm 50 وارتفاع mm 60 و یک سیم پیچ با سیم مسی به قطر mm 0.4 و تعداد دور، ۹۰۰۰ دور میباشد. وزن این واحد در حدود Kg 5/3 میباشد .
علاوه بر هسته و سیم پیچ واحد کنترلری نیز جهت تنظیم و قطع و وصل جریان سیم پیچ در نظر گرفته میشود. به منظور دستیابی به میدانهای مغناطیسی مختلف، روی واحد کنترلر یک رئوستا تعبیه شده است. در صورتی که رئوستا در منتها الیه سمت چپ باشد، میدان مغناطیسی با توان ۰,۵ تسلا ایجاد میشود. در صورتی که رئوستا در وسط باشد، میدان مغناطیسی با توان تسلا ایجاد میشود. در صورتی که رئوستا در منتها الیه سمت راست باشد، میدان مغناطیسی با توان ۱,۵ تسلا ایجاد میشود.
شکل(۸-۴): اندازه ابعادی سیم پیچ و هسته
فرم در حال بارگذاری ...
