Общие сведения о катушках индуктивности

3.2 Общие сведения о катушках индуктивности

Катушка индуктивности представляет собой свёрнутый в спираль изолированный проводник, обладающий значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении.

Катушка индуктивности состоит из одножильного, реже многожильного, изолированного провода, намотанного на каркас из диэлектрика цилиндрической, тороидальной или прямоугольной формы в соответствии с рисунком 3.1, существуют также бескаркасные катушки индуктивности.

Намотка бывает однослойная (рядовая и с шагом) и многослойная (рядовая, внавал, универсальная).

Для увеличения индуктивности применяют сердечники из ферромагнитных материалов: электротехнической стали, пермаллоя, карбонильного железа, ферритов. Сердечники используют также для изменения индуктивности резонансных контуров в небольших пределах.

Значение индуктивности катушки индуктивности пропорционально линейным размерам катушки, квадрату числа витков намотки и магнитной проницаемости сердечника и изменяется от десятых долей мкгн до десятков гн.

К основным параметрам катушки индуктивности относятся сопротивление потерь, добротность, температурный коэффициент индуктивности, собственная ёмкость.

Катушки индуктивности широко применяют в качестве элементов фильтров и колебательных контуров, в трансформаторах, в качестве дросселей, в реле, магнитных усилителях, электромагнитах и др.

Рисунок 3.1 – Катушки индуктивности:

а) цилиндрическая однослойная;

б) тороидальная многослойная;

в) с цилиндрическим сердечником;

г) с П-образным сердечником;

д) образцовая индуктивность на керамическом тороиде;

1 – намотка (провод);

2 – каркас;

3 – сердечник;

h – длина намотки;

d – внутренний диаметр намотки;

D – наружный диаметр намотки.

3.3 Соленоид

 

Соленоид – катушка индуктивности, выполненная в виде намотанного на цилиндрический каркас изолированного проводника, по которому течет электрический ток. Соленоид представляет собой систему круговых токов одинакового радиуса, имеющих общую ось в соответствии с рисунком 3.2-а.

Рисунок 3.2 – Соленоид и его магнитное поле

Если мысленно разрезать витки соленоида поперек, обозначить направление тока в них, как было указано выше, и определить направление магнитных индукционных линий по «правилу буравчика», то магнитное поле всего соленоида будет иметь такой вид, как показано на рисунке 3.2-б.

На оси бесконечно длинного соленоида, на каждой единице длины которого намотано n₀ витков, напряженность поля определяется формулой:

Н = In₀ (3.4)

В том месте, где магнитные линии входят в соленоид, образуется южный полюс, где они выходят – северный полюс.

Для определения полюсов соленоида пользуются «правилом буравчика», применяя его следующим образом: если расположить буравчик вдоль оси соленоида и вращать его по направлению тока в витках соленоида, то поступательное движение буравчика покажет направление магнитного поля в соответствии с рисунком 3.3.

Рисунок 3.3 – Применение правила буравчика

Соленоид, внутри которого находится стальной (железный) сердечник в соответствии с рисунком 3.4, называется электромагнитом. Магнитное поле у электромагнита сильнее, чем у соленоида, так как кусок стали, вложенный в соленоид, намагничивается и результирующее магнитное поле усиливается.

Полюсы у электромагнита можно определить, так же как и у соленоида, по «правилу буравчика».

Рисунок 3.4 – Полюса соленоида

Магнитный поток соленоида (электромагнита) увеличивается с увеличением числа витков и тока в нем. Намагничивающая сила зависит от произведения тока на число витков (числа ампер-витков).

Если, например, взять соленоид, по обмотке которого проходит ток 5А, и число витков которого равно 150, то число ампер-витков будет 5•150=750. Тот же магнитный поток получится, если взять 1500 витков и пропустить по ним ток 0,5А, так как 0,5• 1500 = 750 ампер-витков.

Увеличить магнитный поток соленоида можно следующими путями:

а) вложить в соленоид стальной сердечник, превратив его в электромагнит;

б) увеличить сечение стального сердечника электромагнита (так как при данных токе, напряженности магнитного поля, и стало быть, магнитной индукции увеличение сечения ведет к росту магнитного потока);

в) уменьшить воздушный зазор электромагнита (так как при уменьшении пути магнитных линий по воздуху уменьшается магнитное сопротивление).

Индуктивность соленоида. Индуктивность соленоида выражается следующим образом:

 (3.8)

где V – объём соленоида.

Без использования магнитного материала плотность магнитного потока B в пределах катушки является фактически постоянной и равна

B = μ0Ni / l (3.9)

где μ₀ – магнитная проницаемость вакуума;

N – число витков;

i – ток;

l – длина катушки.

Пренебрегая краевыми эффектами на концах соленоида, получим, что потокосцепление через катушку равно плотности потока B, умноженному на площадь поперечного сечения S и число витков N:

 (3.10)

Отсюда следует формула для индуктивности соленоида эквивалентная предыдущим двум формулам

 (3.11)

Соленоид на постоянном токе. Если длина соленоида намного больше его диаметра и не используется магнитный материал, то при протекании тока по обмотке внутри катушки создаётся магнитное поле, направленное вдоль оси, которое однородно и для постоянного тока по величине равно

 (3.5)

где μ₀ – магнитная проницаемость вакуума;

n = N / l – число витков на единицу длины;

I – ток в обмотке.

При протекании тока соленоид запасает энергию, равную работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока I. Величина этой энергии равна

 (3.6)

При изменении тока в соленоиде возникает ЭДС самоиндукции, значение которой

 (3.7)

Соленоид на переменном токе. При переменном токе соленоид создаёт переменное магнитное поле. Если соленоид используется как электромагнит, то на переменном токе величина силы притяжения изменяется. В случае якоря из магнитомягкого материала направление силы притяжения не изменяется.

В случае магнитного якоря направление силы меняется. На переменном токе соленоид имеет комплексное сопротивление, активная составляющая которого определяется активным сопротивлением обмотки, а реактивная составляющая определяется индуктивностью обмотки.

Применение соленоидов. Соленоиды постоянного тока чаще всего применяются как поступательный силовой электропривод. В отличие от обычных электромагнитов обеспечивает большой ход. Силовая характеристика зависит от строения магнитной системы (сердечника и корпуса) и может быть близка к линейной. Соленоиды приводят в движение ножницы для отрезания билетов и чеков в кассовых аппаратах, язычки замков, клапаны в двигателях, гидравлических системах и проч.

Соленоиды на переменном токе применяются в качестве индуктора для индукционного нагрева в индукционных тигельных печах.

4. Расчет намагничивающего устройства для магнитопорошкового метода неразрушающего контроля

 

Исходные данные для расчета:

1 Соленоид круглого сечения диаметром 30 мм и длиной 200 мм;

2 Материал сердечника – Сталь 20;

3 Провод обмотки соленоида – медный;

4 Напряженность магнитного поля в центре соленоида – 100 А/см при постоянном токе 1А.

Магнитная индукция поля В связанна с напряженностью магнитного поля Н соотношением , для воздуха , поэтому формула представляется в виде

 (4.1)

Если витки соленоида расположены вплотную или очень близко друг к другу, то соленоид можно рассматривать, как систему последовательно соединенных круговых токов одинакового радиуса с общей осью.

Рассмотрим поле кругового витка с током. В центре О кругового витка радиуса R с электрическим током I векторы dB магнитных полей всех малых элементов витка направлены одинаково – перпендикулярно плоскости витка (за чертеж) в соответствии с рисунком 4.1.

Рисунок 4.1 – Магнитная индукция кругового витка с током

Также направлен и вектор В результирующего поля всего витка. По закону Био – Савара – Лапласа:

 (4.2)

где - угол, под которым из очки О виден элемент dl витка.

Интегрируя это выражение по всем элементам витка, т.е. по l от 0 до 2πR или по α от 0 до 2π, получаем:

 (4.3)

Определим теперь магнитную индукцию поля витка с током в точке, лежащей на оси витка, т.е. на прямой ОО', проходящей через центр витка перпендикулярно его плоскости в соответствии с рисунком 4.2.

Рисунок 4.2 – Магнитная индукция поля витка с током в произвольной точке

На рисунке показан круговой виток радиуса R, плоскость которого перпендикулярна плоскости чертежа, а ось ОО' лежит в этой плоскости. В точке А на оси ОО' векторы для полей различных малых элементов dl витка с током I не совпадают по направлению. Векторы dВ₁ и dВ₂ для полей двух диаметрально противоположных элементов витка dl₁ и dl₂, имеющих одинаковую длину (dl₁= dl₂= dl), равны по модулю:

 (4.4)

Результирующий вектор dВ₁ + dВ₂ направлен в точке А по оси ОО' витка, причем

 (4.5)

Вектор В индукции в точке А для магнитного поля всего витка направлен также вдоль оси ОО', а его модуль

 (4.6)

Если воспользоваться понятием вектора p_m магнитного момента витка с током I

 (4.7)

где S – площадь поверхности, ограниченной контуром,

то выражение (4.6) можно переписать в форме

 (4.8)

Рисунок 4.3 – Сечение соленоида

На рисунке 4.3 показано сечение соленоида радиуса R и длины L с током I. Пусть n – число витков, приходящихся на единицу длины соленоида.

Магнитная индукция В поля соленоида равна геометрической сумме магнитных индукций B_i полей всех витков этого соленоида. В точке А, лежащей на оси соленоида О₁О₂, все векторы B_i и результирующий вектор В направлены по оси О₁О₂ в ту сторону, куда перемещается буравчик с правой резьбой при вращении его рукоятки в направлении электрического тока в витках соленоида. На малый участок соленоида длиной dl вдоль оси приходится ndl витков. Если l – расстояние от этих витков до точки А, то согласно формуле (4.8), магнитная индукция поля этих витков

 (4.9)

Так как  и , то

 (4.10)

 (4.11)

В нашем случае , поэтому

 (4.12)

Учитывая формулу (4.1) приравняем значения магнитной индукции и получим выражение для напряженности магнитного поля:

 (4.13)

Из этой формулы найдем число витков намотки, приходящихся на единицу длины соленоида:

 (4.14)

Подставив известные нам значения в формулу (4.14) получим n=102 витка в 1 см.

Число витков намотки находится по формуле:

 (4.15)

Получаем N=2040 витков.

Для обмотки соленоида в соответствии с током, проходящим по ней, выбираем медную проволоку в соответствии с таблицей 4.1.

Таблица 4.1 – Основные параметры медных обмоточных проводов

Таким образом, выбираем провод марки ПЭВ-1 с диаметром сечения 0,86 мм.

Число витков проволоки данного сечения, укладывающихся в длину соленоида определяется по формуле:

 (4.16)

Подставив известные данные получаем N=233 витка. То есть в нашем случае получена девятислойная катушка.

Рассчитаем массу соленоида. Для этого сначала рассчитаем массу его обмотки. Для этого нам нужно вычислить длину проволоки обмотки. Ее можно вычислить зная количество витков и длину каждого витка. Учитывая, что радиус витка в каждом слое намотки будет меняться в соответствии с рисунком 4.4, рассчитаем длину проволоки намотки каждого слоя отдельно.

Рисунок 4.4 – Сечение соленоида

Для первого слоя обмотки радиус витка будет равен сумме диаметра соленоида и двух радиусов проволоки.

 (4.17)

Получаем D₁=30,86 мм.

Длину витка обмотки рассчитываем по формуле

 (4.18)

Длина витка обмотки первого слоя С₁=96,9 мм.

Длину обмотки первого слоя вычисляем как произведение числа витков и длину одного витка:

 (4.19)

Получаем l₁=22,6 м.

Проводя подобные вычисления получим длины всех поледующих обмоток:

l₂=23,8 м;

l₃=25,1 м;

l₄=26,4 м;

l₅=27,6 м;

l₆=28,9 м;

l₇=30,1 м;

l₈=31,4 м;

l₉=32,6 м.

Длина всей проволоки представляется как сумма длин обмотки каждого слоя:

 (4.20)

Получаем l=248,5 м.

В соответствии с таблицей 3.1 на 100 м проволоки приходится 455г.

Получаем массу обмотки m_обм=1,13 кг.

Рассчитаем массу сердечника. Для этого нужно вычислить его объем по формуле:

 (4.21)

Получаем объем соленоида V=141,3 см³.

Зная плотность вещества, из которого изготовлен сердечник соленоида, в нашем случае это сталь-20, можно вычислить массу сердечника по формуле:

 (4.22)

Плотность вещества ρ=7859 кг/м³.

Таким образом масса сердечника равна m_серд=1,1 кг.

Масса всего соленоида является суммой масс обмотки и сердечника.

m=m_обм + m_серд (4.23)

Тогда масса соленоида равна m=2,23 кг.

Мы получили соленоид с сердечником из материала сталь-20 с девятислойной обмоткой медной проволокой марки ПЭВ-1 массой 2,23 кг.

Заключение

В данном курсовом проекте было рассчитано намагничивающее устройство для магнитопорошкового метода неразрушающего контроля.

В настоящее время магнитопорошковый метод неразрушающего контроля широко распространен. Магнитный контроль используется для обнаружения дефектов в объектах с самыми различными размерами и формами. С его помощью можно довольно быстро обнаружить волосовины, трещины различного происхождения, закаты и непровары сварных соединений.

Магнитный метод неразрушающего контроля активно применяется сегодня при поиске микродефектов в различных изделиях из ферромагнитных материалов.

Магнитопорошковый контроль нашел очень широкое применение на железнодорожном транспорте, в авиации, судостроении, химическом машиностроении, автомобилестроении, нефтедобывающей и газодобывающей отраслях (контроль трубопроводов). Магнитно порошковый контроль имеет очень высокую производительность, чувствительность, также удобную наглядность результатов контроля. При грамотном использовании данного метода могут быть обнаружены дефекты даже в начальной стадии их появления.

В ходе работы над курсовым проектом были рассмотрены природа магнитного поля, его основные характеристики; магнитные свойства различных веществ и источники магнитного поля.

Также рассмотрено устройство электромагнитов, их классификация, применение и примеры использования.

Рассмотрены катушки индуктивности и их частный случай – соленоид, а также его применение.

По заданным параметрам сердечника и провода обмотки был рассчитан соленоид круглого сечения, который является составной частью намагничивающего устройства для магнитопорошкового метода неразрушающего контроля.

Список использованной литературы

1 Бессонов Л.А., Теоретические основы электротехники – М., 1989;

2 Волгов В.А. Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры – М.: Энергия, 1992;

3 Вонсовский С.В., Магнетизм – Москва: Наука. – 1971;

4 Гершензон Е.М., Радиотехника / Е.М. Гершензон, Г.Д. Полянина, Н.В. Соина – М.: Просвещение, 2001;

5 Грабовский Р.И., Курс физики – М.: Высш. школа, 1992;

6 Детлаф А.А., Курс физики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский – М.: Высшая школа, 1989;

7 Дмитриева В.Ф., Прокофьев В.Л., Основы физики – М.: Высшая школа, 2001;

8 Зисман Г.А., Курс общей физики: В 3 т. Т. 2. / Г.А. Зисман, О.М. Тодес – М.: Наука, 1979;

9 Иванов Б.С., Энциклопедия начинающего радиолюбителя: Описания практических конструкций – М.: Патриот, 1992;

10 Иродов И.Е., Основные законы электромагнетизма – М.: Высш. шк., 1991;

11 Калантаров П.Л., Цейтлин А.А., Расчет индуктивностей. Справочная книга – М.: Энергоатомиздат, 1986;

12 Карпов Р.Г., Карпов Н.Р., Электрорадиоизмерения – М.: Высш. школа, 2004;

13 Клюев В.В., Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. Т. 4 – М.: Машиностроение, 2006;

14 Коваль А.В., Радиодетали, радиокомпоненты и их расчет – М.: Сов.радио, 2003;

15 Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике – М.: Наука, 1988;

16 Немцов М.В., Справочник по расчету параметров катушек индуктивности – М.: Энергоатомиздат, 1992;

17 Поляков В.Т., Посвящение в радиоэлектронику – М.: Радио и связь, 1988;

18 Рычина Т.А. Электрорадиоэлементы – М.: Сов. Радио, 2001;

19 Рычина Т.А., Зеленский А.В. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы – М.: Радио и связь, 1989;

20 Савельев И.В., Курс общей физики – М.: Наука, 2002;

21 Сивухин Д.В., Курс общей физики – М.: Физматлит, 2004;

22 Сидоров И.Н., Христинин А.А., Скорняков С.В., Малогабаритные магнитопроводы и сердечники. Справочник – М.: Радио и связь, 1989;

23 Сифоров В.И., Радиоприемные устройства – М., 1988;

24 Смиренина Б.А., Справочник по радиотехнике – М.: Л., 1992;

25 Терещук Р.М., Полупроводниковые приемно-усилительные устройства. Справочник радиолюбителя – Киев: Наукова думка, 1989;