Solenoid

Solenoid je indukční cívka vyrobená ve formě izolovaného vodiče navinutého na válcovém rámu, kterým protéká elektrický proud. Solenoid je soustava kruhových proudů o stejném poloměru, které mají společnou osu podle obrázku 3.2-a.

Obrázek 3.2 - Solenoid a jeho magnetické pole

Pokud mentálně přeříznete závity solenoidu napříč, určíte směr proudu v nich, jak je uvedeno výše, a určíte směr magnetických indukčních čar podle „pravidla gimlet“, pak magnetické pole celého solenoidu bude mají tvar znázorněný na obrázku 3.2-b.

Na ose nekonečně dlouhého solenoidu, na jehož každé jednotce délky je navinuto n 0 závitů, je intenzita pole určena vzorcem:

V místě, kde magnetické čáry vstupují do solenoidu, vzniká jižní pól a kde vystupují, vzniká severní pól.

K určení pólů elektromagnetu používají „pravidlo gimletu“, které platí následovně: pokud umístíte gimlet podél osy solenoidu a otáčíte jím ve směru proudu v otáčkách solenoidu, translační pohyb gimletu ukáže směr magnetického pole podle obrázku 3.3.

Obrázek 3.3 - Aplikace pravidla gimlet

Solenoid, uvnitř kterého je ocelové (železné) jádro podle obrázku 3.4, se nazývá elektromagnet. Magnetické pole elektromagnetu je silnější než u solenoidu, protože kus oceli vložený do solenoidu je zmagnetizován a výsledné magnetické pole je zesíleno.

Póly elektromagnetu lze určit, stejně jako póly solenoidu, pomocí „pravidla gimlet“.

Obrázek 3.4 - Póly elektromagnetu

Magnetický tok solenoidu (elektromagnetu) se zvyšuje s počtem závitů a proudem v něm. Magnetizační síla závisí na součinu proudu a počtu závitů (počet ampérzávitů).

Vezmeme-li například solenoid, jehož vinutím prochází proud 5A a jehož počet závitů je 150, bude počet ampérzávitů 5*150=750. Stejného magnetického toku dosáhnete, pokud provedete 1500 otáček a propustíte jimi proud 0,5 A, protože 0,5 * 1500 = 750 ampérových otáček.

Magnetický tok solenoidu můžete zvýšit následujícími způsoby:

a) vložte ocelové jádro do solenoidu a přeměňte jej na elektromagnet;

b) zvětšit průřez ocelového jádra elektromagnetu (protože pro daný proud, intenzitu magnetického pole a tedy magnetickou indukci vede zvětšení průřezu ke zvýšení magnetického toku);

c) zmenšit vzduchovou mezeru elektromagnetu (protože při zmenšení dráhy magnetických čar vzduchem klesá magnetický odpor).

Indukčnost elektromagnetu. Indukčnost solenoidu je vyjádřena takto:

kde V je objem solenoidu.

Bez použití magnetického materiálu je hustota magnetického toku B uvnitř cívky prakticky konstantní a stejná

B = ?0 Ni/l (3,9)

N - počet otáček;

l je délka cívky.

Zanedbáme-li okrajové efekty na koncích solenoidu, zjistíme, že vazba toku skrz cívku se rovná hustotě toku B vynásobené plochou průřezu S a počtem závitů N:

To znamená vzorec pro indukčnost elektromagnetu ekvivalentní předchozím dvěma vzorcům

DC solenoid. Pokud je délka elektromagnetu mnohem větší než jeho průměr a není použit magnetický materiál, pak při protékání proudu vinutím uvnitř cívky vzniká magnetické pole směřující podél osy, které je rovnoměrné a pro stejnosměrný proud je stejné v velikost

Kde? 0 - magnetická permeabilita vakua;

n = N / l - počet závitů na jednotku délky;

I je proud ve vinutí.

Když proud protéká, solenoid ukládá energii rovnající se práci, kterou je třeba vykonat k vytvoření proudu já. Velikost této energie se rovná

Při změně proudu v elektromagnetu dochází k samoindukčnímu emf, jehož hodnota je

AC solenoid. Se střídavým proudem vytváří solenoid střídavé magnetické pole. Pokud je solenoid použit jako elektromagnet, pak se při střídavém proudu mění velikost přitažlivé síly. V případě kotvy z měkkého magnetického materiálu se směr přitažlivé síly nemění.

V případě magnetické kotvy se směr síly mění. Na střídavý proud má solenoid komplexní odpor, jehož aktivní složka je určena aktivním odporem vinutí a jalová složka je určena indukčností vinutí.

Aplikace solenoidů. Jako lineární pohon se nejčastěji používají stejnosměrné solenoidy. Na rozdíl od běžných elektromagnetů poskytuje dlouhý zdvih. Výkonová charakteristika závisí na struktuře magnetického systému (jádro a pouzdro) a může být blízko lineární. Solenoidy pohánějí nůžky pro stříhání lístků a účtenek v pokladnách, jazýčky zámků, ventily v motorech, hydraulické systémy atd.

Střídavé solenoidy se používají jako induktory pro indukční ohřev v indukčních kelímkových pecích.

Elektromagnety našly široké uplatnění v přístrojové technice jak jako prvek pohonu zařízení (stykače, spouštěče, relé, automaty, spínače), tak jako zařízení vytvářející síly např. ve spojkách a brzdách.

Pro daný tok klesá úbytek magnetického potenciálu s klesajícím magnetickým odporem. Protože odpor je nepřímo úměrný magnetické permeabilitě materiálu, měla by být pro daný tok magnetická permeabilita co nejvyšší. To vám umožní snížit m.f. vinutí a výkon potřebný pro provoz elektromagnetu; Zmenšují se rozměry navíjecího okna a celého elektromagnetu. Pokles m.f.s. při nezměněných ostatních parametrech snižuje teplotu vinutí.

Druhým důležitým parametrem materiálu je indukce nasycení. Síla vyvinutá elektromagnetem je úměrná druhé mocnině indukce. Čím větší je tedy přípustná indukce, tím větší je vyvinutá síla pro stejné rozměry.

Po odbuzení vinutí elektromagnetu je v systému zbytkový tok, který je dán koercitivní silou materiálu a vodivostí pracovní mezery. Zbytkový průtok může způsobit přilepení kotvy. Aby se tomuto jevu zabránilo, musí mít materiál nízkou koercitivitu.

Základními požadavky jsou nízká cena materiálu a jeho vyrobitelnost.

Spolu s uvedenými vlastnostmi musí být stabilní i magnetické charakteristiky materiálů (nemění se teplotou, časem, mechanickými rázy).

V důsledku výpočtu magnetického obvodu se určí požadovaná magnetomotorická síla (MMF) vinutí. Vinutí musí být navrženo tak, aby na jedné straně poskytovalo požadovaný MMF a na druhé straně aby jeho maximální teplota nepřekročila přípustnou pro použitou třídu izolace.

V závislosti na způsobu připojení se rozlišují napěťová a proudová vinutí. V prvním případě je napětí aplikované na vinutí konstantní ve své efektivní hodnotě, ve druhém případě - odpor vinutí elektromagnetu je mnohem menší než odpor zbytku obvodu, což určuje konstantní hodnotu proudu.

Výpočet vinutí stejnosměrného elektromagnetu.

Obrázek 72 ukazuje magnetický obvod a cívku elektromagnetu. Navíjení 1 cívky jsou vyrobeny z izolovaného drátu, který je navinut na rámu 2.

Kotouče mohou být i bezrámové. V tomto případě jsou závity vinutí upevněny páskou nebo fóliovou izolací nebo zalévací hmotou.

Pro výpočet napěťového vinutí je třeba specifikovat napětí U a MDS. Průřez drátu vinutí q najdeme na základě požadovaného MDS:

kde je odpor;

– průměrná délka cívky (Obrázek 72);

R– odpor vinutí rovný

Při konstantní průměrné délce cívky a daném MMF je určena součinem.

Pokud je při konstantním napětí a průměrné délce závitu nutné zvýšit MMF, pak je nutné vzít drát většího průřezu. V tomto případě bude mít vinutí méně otáček. Proud ve vinutí se zvýší, protože jeho odpor se sníží v důsledku snížení počtu závitů a zvětšení průřezu drátu.

Na základě zjištěného průřezu se pomocí dimenzačních tabulek zjistí nejbližší standardní průměr drátu.

Obrázek 72 – Výpočet vinutí elektromagnetu

Výkon uvolněný ve vinutí ve formě tepla se určuje takto:

Počet závitů vinutí pro daný průřez cívky je určen faktorem plnění mědí

kde je plocha obsazená mědí vinutí;

– průřez vinutí pro měď.

Počet otáček

.

Potom je výkon spotřebovaný vinutím určen výrazem

.

Pro výpočet proudového vinutí jsou počáteční parametry MMF a proud obvodu. Počet závitů vinutí se zjistí z výrazu. Průřez vodiče lze zvolit na základě doporučené proudové hustoty rovnající se 2...4 A/mm 2 pro dlouhodobé, 5...12 A/mm 2 pro přerušované, 13...30 A/ mm 2 pro krátkodobé provozní režimy. Tyto hodnoty lze zvýšit přibližně 2krát, pokud životnost vinutí a elektromagnetu nepřesáhne 500 hodin Plocha okna obsazená běžným vinutím je určena počtem závitů a průměrem drát d

Jednovrstvý induktor je drát stočený do spirály. Pro zajištění tuhosti je drát obvykle navinut kolem válcového rámu. Proto se v Coil32 jako výchozí parametry berou rozměry rámu a průměr drátu, protože jsou snadněji měřitelné prakticky. Výpočtové vzorce však využívají geometrické parametry samotné spirály. Abyste předešli nejasnostem, můžete se o těchto jemnostech dozvědět více na této stránce nápovědy.

Jednovrstvé cívky se rozšířily zejména pro krátkovlnné a středovlnné amatérské a vysílací pásmové konstrukce. Hlavní vlastnosti jednovrstvých cívek jsou vysoký kvalitativní faktor, relativně malá vnitřní kapacita a snadná výroba. Zvažme metody pro výpočet takové cívky bez mezery mezi závity - " otočit se otočit"...

Začněme tím, že na konci 19. století H.A. Lorentz odvodil vzorec pomocí eliptických integrálů pro výpočet solenoidu. Rozdíl mezi Lorentzovým modelem a Maxwellovým modelem byl v tom, že závity elektromagnetu nebyly reprezentovány nekonečně tenkým kruhovým drátem, ale nekonečně tenkým spirálově vodivým páskem o šířce rovné skutečné tloušťce drátu, bez mezera mezi zatáčkami. Vzorec je vysoce přesný při výpočtu skutečné cívky, pokud má cívka velký počet závitů a je navinuta jedna za druhou. V roce 1909 japonský fyzik H. Nagaoka transformoval Lorentzovu formuli a přivedl ji do podoby, z níž vyplynul důležitý závěr – Indukčnost solenoidu závisí pouze na tvaru a velikosti cívky. Nagaokův vzorec je následující:

• L s - indukčnost cívky
• N- počet závitů cívky
• r- poloměr vinutí
• l- délka vinutí
• kL- Nagaoka koeficient

Nejdůležitějším závěrem z analýzy tohoto vzorce bylo, že Nagaokova koeficient závisel pouze na poměru l/D, který byl tzv. tvarový faktor cívky. Nagaokova koeficient byl vypočten pomocí eliptických integrálů. Nebudeme se tímto vzorcem blíže zabývat, protože... Coil32 jej ve výpočtech nepoužívá. Za zmínku stojí pouze to, že v případě dlouhého solenoidu se vzorec zjednoduší do následující podoby:

kde S je plocha průřezu cívky. Tento vzorec má pouze akademický zájem a není vhodný pro výpočet skutečných cívek, protože platí pouze pro nekonečně dlouhé solenoidy, které v přírodě neexistují.

Jednovrstvou cívku lze vypočítat numericky pomocí Maxwellova vzorce nebo Nagaokova solenoidového vzorce. Moderní empirické vzorce však poskytují velmi vysokou přesnost výpočtu a pro praktické účely zcela postačují.

Revizi a výběr empirických vzorců zahájíme nejznámějším vzorcem G. Wheelera. Obvykle se tento vzorec nejčastěji používá v různých programech, online kalkulačkách, referenčních knihách a článcích věnovaných výpočtům indukčnosti.

V originále tento vzorec vypadá takto:

L = a 2 N 2 / (9 a + 10 b)

Kde N - počet otáček a A A b - poloměr a délka vinutí cívky, resp. Rozměry v palcích. Přizpůsobením tohoto vzorce pro metrický systém (nebo spíše pro GHS) a změnou poloměru na průměr získáme následující:

• L- indukčnost cívky [µH];
• N- počet závitů cívky;
• D- průměr vinutí [cm];
• l- délka vinutí [cm];

Toto je naše nejznámější verze tohoto vzorce. Dříve byl na stránkách Petrohradské univerzity telekomunikací - sut.ru spíše informativní zdroj - dvo.sut.ru, kde jste mohli najít spoustu informací o induktorech, včetně tohoto vzorce. Tento zdroj byl nyní bohužel smazán. Podařilo se nám ale objevit klon tohoto zdroje na qrz.ru, na který migrovala i stará chyba (0,5е1,0) ve vzorci 2.37. Zde můžete najít jak Nagaokovu formuli (vzorec 2.28), tak výraz pro Nagaoka koeficient prostřednictvím Wheelerova vzorce (vzorec 2.29).

Vzorec navrhl Wheeler již v roce 1928, kdy se o počítačích ještě jen snilo a v té době byl velmi užitečný, protože umožnil vypočítat praktickou cívku „ve sloupci“ na kus papíru. Vzorec se „zakořenil“ v ​​masovém povědomí radioamatérů. Málokdo však ví, že jako každý empirický vzorec má svá omezení. Tento vzorec udává chybu až 1 % pro l/D > 0,4, to znamená, pokud cívka není příliš krátká. Tento vzorec není vhodný pro krátké cívky.

Následovalo několik pokusů tento nedostatek odstranit. V roce 1985 publikoval R. Lundin své dva empirické vzorce, jeden pro „dlouhé“ cívky, druhý pro „krátké“ cívky, umožňující vypočítat koeficient Nagaoka s přesností ne menší než 3 ppM (±0,0003 %), což je nepochybně vyšší než výrobní přesnost nebo měření indukčnosti cívky. Zde je kalkulačka založená na těchto vzorcích.
V roce 1982, o 54 let později, s příchodem počítačové éry, Wheeler zveřejnil svůj „dlouhý“ vzorec, který vypočítal jednovrstvou cívku s chybou ne větší než ±0,1 %, a to jak dlouhou, tak krátkou. Tento vzorec později vylepšil R. Rosenbaum a následně R. Weaver (Robert Weaver - rozbor a odvození vzorce na jeho webu).

• Dk- průměr vinutí
• N- počet otáček
• k = l/Dk- tvarový faktor cívky, poměr délky vinutí k jeho průměru

Výsledkem je vzorec, který nám umožňuje vypočítat jednovrstvou cívku s přesností nejméně 18,5 ppM (ve srovnání s Nagaokovým vzorcem), což je horší než použití vzorců Lundin, ale za prvé je to docela dostačující pro praktické výpočty a za druhé, máme jeden jednodušší vzorec místo dvou, který počítá jednovrstvou cívku bez ohledu na její tvarový faktor.

Vzorec je použit v online jednovrstvé kalkulačce cívek, starších verzích Coil32, dále ve všech verzích programu pro Linux a v aplikaci J2ME pro mobilní telefony.

Hlavní verze Coil32 pro Windows, stejně jako počínaje verzí 3.0 pro Android, používá pro výpočet jednovrstvé cívky složitější metodu, která bere v úvahu spirálový tvar závitů a libovolnou rozteč vinutí.

V roce 1907 E. Rosa porovnáním výpočtů pomocí Maxwellovy metody a Lorentzovy metody odvodil

Náčrtky jednofázových: střídavých elektromagnetů s různými typy magnetických jader jsou na obr. 2.1 - 2.3. Hodnota amplitudy magnetického toku Ф m při efektivní hodnotě napájecího napětí U, frekvence f a počtu závitů vinutí W bez zohlednění aktivního odporu vinutí je určena vzorcem

A m = U/(4, 44 fW). (2.1)

Počet závitů vinutí je přibližně roven

W = U/ (4,44 f Ф m). (2.2)

Při zohlednění aktivního odporu vinutí (koeficient k n =0,7 + 0,9) při dané indukci v pracovní mezeře B em a aktivním průřezu magnetického obvodu S m počet závitů

W = knU/ (4,44 fBemSm). (2.3)

Hodnota amplitudy síly pro jednofázové systémy bez stínící cívky s rovnoměrným polem v pracovní mezeře a nenasyceným magnetickým systémem je určena Maxwellovým vzorcem (2):

R em = Ф 2 m / (2 m 0 S p), (2,4)

kde Sp je plocha pólu, m 2.

Průměrná síla

Р mψ = Р em / 2. (2,5)

Pokud se magnetický tok mění podle sinusového zákona Ф i = Ф m sinwt, pak okamžitá hodnota elektromagnetické síly podle (2.4),

R e i = R em sin 2 wt = R em (1- cos 2wt). (2.6)

Metody pro stanovení elektromagnetické síly Р e v závislosti na velikosti mezery, stejně jako čas pro střídavé elektromagnety jsou uvedeny v práci.

Obr.2.1. Náčrt elektromagnetu na střídavý proud s výsuvnou kotvou mající čtvercový průřez: 1 - kotva; 2 - kostra; 3 – vinutí

Při určování hlavních rozměrů a parametrů jednofázových elektromagnetů se stínícími závity lze plochu průřezu pólu (m2) zjistit pomocí přibližného vzorce získaného z Maxwellovy rovnice na základě podmínky nepřítomnosti vibrací kotvy.

S p = 1,12 k p R pr k · 10-5 / V 2 d m, (2,7)

kde k p = (1,1 - 1,3) - faktor bezpečnosti síly; B 2 d m = (1/1,2) T l - indukce v pracovní mezeře, která se volí v blízkosti kolena magnetizační křivky použitých ocelí; P pr.k – vypočtená protisíla s přitahovanou kotvou, N (pro dvoucívkový elektromagnet se dvěma pracovními mezerami P'pr.k = 0,5P pr.k; S p =b·a - plocha průřezu pól, g; v/a= 1…2 - poměr šířky tyče k její tloušťce.

Rýže. 2.3 Náčrt solenoidu AC ventilu ve tvaru U; 1 - kotva; 2 - jádro; 3 - základna; 4 - vinutí; 5 - stínící cívka

U dvoucívkového elektromagnetu se čtvercovým pólovým průřezem je velikost strany čtverce (m), určená přibližným vzorcem a podmínkami, aby průměrná elektromagnetická síla překročila protipůsobící sílu, rovna

kde R p p je síla pro ten bod opačné charakteristiky, ve kterém je součin síly a mezery maximální.

S plochou pólu Sp zvolenou podle rovnice (2.7) je šířka pólu (m) (za předpokladu čtvercového průřezu) rovna

kde ∆ drážka je šířka drážky pro stínící cívku zvolená z konstrukčních důvodů, m; k зс - faktor plnění pro ocel.

Dimenzujte 2 stíněné pólové díly

a 2 = (b - ∆ drážka)/ (1+ A e), (2.10)

Kde A e = 0,25 - 0,5 - poměr plochy nestíněné části sloupu a stíněné části.

Zakótujte 1 nestíněnou část tyče

a 1 = a e a 2. (2.11)

Elektrický odpor stínící cívky (Ohm)

1,11 π f μ 0 S n /δ k, (2,12)

kde δ k je konečná mezera mezi kotvou a pólem, m.

Výška stínící cívky (m)

h in = 2 (b +a 2 +2∆ in) / r v ∆ in, (2.13)

kde ∆ in je tloušťka cívky, m; = - měrný elektrický odpor materiálu stínící cívky při teplotě ohřevu Q. Ohm-m; d- teplotní koeficient odporu, I/ o C; - měrný elektrický odpor materiálu cívky při Q 0 , Ohm.

Stanoví se plocha pólu S e = a 2 b pokrytá obratem a plocha pólu S n = a 1 b nepokrytá obratem. Pokud zanedbáme výkonové ztráty ve zkratované cívce a pokles MMF na ocelových částech magnetického obvodu, pak můžeme vypočítat úhel posunu mezi magnetickými toky procházejícími těmito částmi pólu.

φ = arctg φ ≈ arctg ω λ δeq / τ in, (2.14)

kde λ δek je vodivost mezery ve stíněné části sloupu s přitahovanou kotvou. Prakticky dosáhnout φ = 90 o nemožné a obvyklé φ = 50 - 80°.

Okamžité hodnoty síly pro nestíněné části P en i a stíněné části P e i sloupu lze určit pomocí vzorců, resp.

P en i = P en m (1-cos 2 ωt) /2. (2,15)

P ee i = P ee m (1-cos 2 ωt) /2. (2.16)

kde jsou amplitudy sil

Pen m = Ф 2 n m / (2 μ 0 S n). (2.17)

P eet = Ф 2 e m / (2 μ 0 S 0). (2,18)

Amplitudy magnetického toku:

Fnm = FnmSn/Sn. (2,19)

F e m = F e m S e / Sn. (2,20)

Průměrná hodnota celkové síly působící na kotvu je

P eΣ = P en m / 2 + P e e m / 2 = P ensr + P eesr. (2.21)

Maximální a minimální síly působící na kotvu

P eΣ max = P eΣ + P ~ m, (2,22)

P eΣ min = P eΣ - P ~ m, (2,23)

Kde je amplituda síly proměnné složky.

Změna elektromagnetických sil v čase je znázorněna na obr. 2.4.

Pro eliminaci vibrací kotvy musí být splněna podmínka P Σ min >P mech. Pokud jeho podmínka není splněna, pak se parametry obrazovky liší.

MMF vinutí (A) pro dvoucívkový elektromagnet se dvěma stínícími závity je určen přibližným vzorcem

, (2.24)

U magnetických systémů s vnější přitahovací kotvou se MMF vinutí (A) bez zohlednění magnetického odporu oceli při daném toku v pracovní mezeře Ф δm zjistí podle vzorce

, (2.25)

kde Z δ Σ je celkový magnetický odpor G n -1, jehož výraz je zjištěn z ekvivalentního obvodu magnetického obvodu. Pro přibližné výpočty to lze akceptovat. Z δ Σ ≈ R δ Σ.

Průřez vinutého drátu (m2)

q = F / W ∆ pr, (2,26)

kde ∆ pr je hustota proudu ve vodiči, N/m.

Plocha okénka vinutí jedné cívky ve dvoucívkovém elektromagnetu (m2) se rovná

Q0 = 0,5 g W/k z.m, (2,27)

kde k z.m. - faktor plnění vinutí pro měď. Indukčnost vinutí

L = W 2 λ mΣ, (2,28)

kde λ mΣ je ekvivalentní magnetická vodivost systému, H.

Startovací proud (A) při počáteční opačné síle P pr (N) pro dvoucívkový elektromagnet se dvěma pracovními mezerami je roven

, (2.29)

kde dL/dδ je derivace indukčnosti podél kotvy v počáteční pracovní mezeře, H/m.

Hodnota amplitudy rozběhového proudu při odporu vinutí r 0

, (2.30)

kde U m je hodnota amplitudy napájecího napětí.

Doba odezvy relé

Minimální a maximální čas startu

t tr min = (arcsin k i tr) / (2 π f), (2,32)

t tr max = [(arcsin (1-k i tr) – arcsin (1-k i tr)] / (2 π f) (2,33),

kde k i tr = I tr /I m

Minimální a maximální doba jízdy

kde d je koeficient rozptylu; Ф m - amplituda magnetického toku B Σ, rovna

Průměrná hodnota tažné (elektromagnetické) síly elektromagnetu (N) je určena energetickým vzorcem

, (2.38)

kde I = U/Z - proud ve vinutí, A; ψ = E/(2 π f) – efektivní hodnota vazby průměrného toku, V δ ;

EMF vinutí; dψ/dδ, dI/dδ - derivace určené metodou grafického derivování závislostí I = f (δ) a ψ = f (δ); -

impedance vinutí.

Konstrukce trakční charakteristiky P esr = f (δ) se provádí v tomto pořadí: vzhledem k velikosti mezery určete λ me, Z, I, E, ψ, vykreslete závislosti I = f (δ) a Obr. ψ = f (δ), určete graficky derivace a dψ/dδ, dI/dδ. Tyto hodnoty se dosadí do vzorce (2.38).

Zkušební úloha č. 3. Výpočet stejnosměrných napěťových relé na jazýčkových spínačích

Počáteční údaje

Studenti, jejichž předposlední číslice v evidenční knize jsou od 0 do 3, používají jazýčkové spínače typu KEM-1, od 3 do 7 - typu KEM-2 a od 7 do 9 - typu KEM-6. Číslo volby se vybírá podle poslední číslice čísla klasifikační knihy v tabulce 3.1.

U napěťových relé s vnitřními jazýčkovými kontakty je nutné zvolit parametry ovládacího vinutí.

Válcové vinutí, které má délku výrazně větší než jeho průměr, se nazývá solenoid. V překladu z angličtiny toto slovo znamená „jako potrubí“, to znamená, že je to cívka podobná potrubí.

Typy solenoidů

Podle účelu jsou solenoidy rozděleny do dvou tříd:

1. Stacionární. Tedy pro stacionární magnetická pole, která při určitých hodnotách vydrží dlouho.
2. Puls. K vytvoření pulzních magnetických polí. Mohou existovat pouze po krátkou dobu, ne déle než 1 sekundu.

Stacionární schopné vytvářet pole o velikosti maximálně 2,5x10 5 Oe Pulzní elektromagnety mohou vytvářet pole 5x10 6 Oe Pokud při vytváření pole nedochází k deformaci elektromagnetů a nejsou příliš horké, pak magnetické pole. přímo závisí na procházejícím proudu: Н = k*I, Kde k– konstantní hodnota solenoidu, vhodná pro výpočet.

Stacionární se dělí:

• Odporový.
• Supravodivé.

Odporový solenoidy jsou vyrobeny z materiálů, které mají elektrický odpor. V tomto ohledu se veškerá energie, která se k nim blíží, promění v teplo. Aby nedošlo k tepelné destrukci zařízení, je nutné odstranit přebytečné teplo. Pro tyto účely se používá kryogenní nebo vodní chlazení. To vyžaduje pomocnou energii srovnatelnou s energií potřebnou k napájení solenoidu.

Supravodivé solenoidy jsou vyrobeny ze slitin se supravodivými vlastnostmi. Jejich elektrický odpor je při různých teplotách během experimentu nulový. Při provozu supravodivého elektromagnetu vzniká teplo pouze ve vhodných vodičích a zdroji napětí. V tomto případě může být zdroj energie vyloučen, protože solenoid pracuje ve zkratovém režimu. V tomto případě může pole existovat bez spotřeby energie nekonečně dlouhou dobu za předpokladu zachování supravodivosti.

Zařízení pro vytváření silných magnetických polí se skládají ze tří hlavních částí:

1. Solenoid.
2. Aktuální zdroj.
3. Chladící systém.

Při návrhu solenoidu se berou v úvahu rozměry vnitřního kanálu a výkon napájecího zdroje.

Vytvoření zařízení s odporovým elektromagnetem pro tvorbu stacionárních polí je celosvětovým vědeckým a technickým úkolem. Ve světě, tedy i u nás, je jen málo laboratoří s podobnými přístroji. Používají se solenoidy různých konstrukcí, jejichž provoz se provádí v blízkosti tepelné hranice.

K servisu takových zařízení je zapotřebí personál složený z vysoce kvalifikovaných pracovníků, jejichž práce je vysoce ceněna. Většinu financí vynaloží na platby za elektrickou energii. Provoz a údržba tak výkonných solenoidů se časem vyplatí, protože vědci a výzkumníci v různých oblastech vědy z různých zemí mohou získat nejdůležitější výsledky pro rozvoj vědy.

Nejsložitější a nejdůležitější problémy lze vyřešit použitím supravodivých solenoidů. Tato metoda je efektivnější, ekonomičtější a jednodušší. Například můžeme zmínit vytváření výkonných stacionárních polí pomocí supravodivých solenoidů. Nejpůvodnější vlastností supravodivosti je absence elektrického odporu u některých slitin a kovů při teplotách pod kritickou hodnotou.

Fenomén supravodivosti umožňuje vyrobit solenoid, který při průchodu elektrického proudu neztrácí energii. Vzniklé pole má však omezení v tom, že při dosažení určité hodnoty kritického pole dochází ke zničení vlastnosti supravodivosti a obnovení elektrického odporu.

Kritické pole se zvyšuje, když teplota klesá z 0 na nejvyšší hodnotu. Ještě v 50. letech minulého století byly objeveny slitiny, jejichž kritická teplota je v rozmezí 10 až 20 K. Navíc mají vlastnosti velmi silných kritických polí.

Technologie vytváření takových slitin a výroby materiálů pro cívky elektromagnetů z nich je velmi pracná a složitá. Proto mají taková zařízení vysokou cenu. Jsou však levné na provoz a snadno se udržují. To vyžaduje pouze nízkonapěťový zdroj nízkého výkonu a kapalné helium. Zdrojový výkon nebude potřebovat více než 1 kilowatt. Zařízení takových solenoidů se skládá z cívky vyrobené z mědi a supravodiče s lankovým drátem, páskou nebo přípojnicí.

Je možné snížit náklady na energii a vytvořit ještě výkonnější pole. Tato příležitost je realizována v několika předních zemích, včetně Ruska. Tato metoda je založena na použití kombinace vodou chlazených a supravodivých solenoidů. Říká se mu také hybridní solenoid. Toto zařízení integruje nejvyšší dosažitelná pole obou typů solenoidů.

Vodou chlazený solenoid musí být umístěn uvnitř supravodivého. Vytvoření hybridního solenoidu je rozsáhlý a komplexní vědecký a technický problém. Jeho řešení vyžaduje práci několika týmů vědeckých institucí. Podobné hybridní zařízení se u nás používá v Akademii věd. Tam má solenoid se supravodivými vlastnostmi hmotnost 1,5 tuny. Vinutí je vyrobeno ze speciálních slitin niobu se zinkem a titanem. Vinutí vodou chlazeného solenoidu je vyrobeno z měděné přípojnice.

Zařízení a princip činnosti

Solenoid může být také nazýván indukční cívkou, která je navinuta drátem na rámu ve formě válce. Takové cívky mohou být navinuty v jedné nebo několika vrstvách. Protože délka vinutí je mnohem větší než průměr, při připojení konstantního napětí na toto vinutí se uvnitř cívky vytvoří napětí.

Elektromechanická zařízení, která obsahují cívku s feromagnetickým jádrem uvnitř, se často nazývají solenoidy. Taková zařízení jsou vyrobena ve formě relé navíječe autostartéru, různých elektrických ventilů. Zatahovacím prvkem takového unikátního elektromagnetu je jádro vyrobené z feromagnetického materiálu.

Pokud v solenoidovém zařízení není žádné jádro, pak při připojení stejnosměrného proudu se podél vinutí vytvoří magnetické pole. Indukce tohoto pole je rovna:

Kde, N– počet závitů vinutí, l- délka cívky, já– proud protékající elektromagnetem, μ0

Na koncích solenoidu je velikost magnetické indukce dvakrát nižší ve srovnání s vnitřní částí, protože dvě části solenoidu dohromady tvoří dvojité magnetické pole. To platí pro dlouhý nebo nekonečný solenoid v porovnání s průměrem navíjecího rámu.

Na okrajích solenoidu je magnetická indukce rovna:

Protože solenoidy jsou induktory, solenoid může ukládat energii v magnetickém poli. Tato energie se rovná práci, kterou zdroj vykoná při generování proudu ve vinutí.

Tento proud vytváří magnetické pole v solenoidu:

Pokud se proud v cívce změní, dojde k samoindukovanému emf. V tomto případě je napětí na elektromagnetu určeno:

Indukčnost solenoidu je určena:

Kde, PROTI– objem cívky elektromagnetu, z– délka vodiče cívky, n- počet otáček, l- délka cívky, μ0 - vakuová magnetická permeabilita.

Při připojení elektromagnetu střídavého napětí k vodičům bude také magnetické pole vytvořeno jako střídavé. Solenoid má odpor proti střídavému proudu ve formě komplexu dvou složek: . Závisí na indukčnosti a elektrickém odporu vodiče cívky.