Расчёт катушек постоянного тока

Проектирование катушек

Обмоточные провода

Эля изготовления катушек электрических аппаратов применяются обмоточные провода с жилами из проводниковой меди или проводникового алюминия. Жилы могут иметь эмалевую, волокнистую и эмалево-волокнистую изоляцию.

Эмалевая изоляция имеет толщину 0,003-0,06 мм. Это гибкое лаковое покрытие, полученное в результате отвердения сплошного слоя эмаль-лака.

К основному типу обмоточных проводов нагревостойкости класса А (105^оС) относятся провода ПЭВ-1, ПЭВ-2, ПЭМ-1, ПЭМ-2 с механически прочной эмалевой изоляцией на основе поливинилацеталевых смол. Эти провода широко применяются для изготовления обмоток электрических аппаратов общепромышленного применения. Изоляция проводов ПЭМ-1, ПЭМ-2 стойка к нефтяному маслу, и поэтому провода с такой изоляцией применяются для изготовления обмоток маслонаполненных аппаратов.

К основному типу обмоточных проводов нагревостойкости класса Е (120^оС) относятся провода ПЭВТЛ-1 и ПЭВТЛ-2, эмалированные полиуретановыми эмаль-лаками. Это покрытие является термопластичным с температурой размягчения 160^оС. Особенностью этих проводов является то, что их можно облуживать и паять без предварительной зачистки изоляции, т.к. последняя является флюсующим веществом, облегчающим пайку.

Более высокой нагревостойкостью класса В (130^оС) обладают провода типа ПЭТВ, эмалированные полиэфирным лаком на основе лавсана. С целью повышения механической прочности изоляции увеличивают толщину изоляции этого же типа – выпускают провода ПЭТВМ. Она позволяет производить механизированную намотку обмоток аппаратов, т.к. хорошо выдерживает многократные перегибы и растяжения.

Для изоляции класса нагревостойкости F (155^оС) выпускают провода ПЭТ-155 с эмаль-лаковой изоляцией на полиэфимиридной основе, обладающей хорошими изоляционными свойствами. Для механизированной намотки катушек выпускают провода марки ПЭТМ с повышенной механической прочностью изоляции.

Эмаль-лаковую изоляцию для работы при температуре 180, 200^оС (классов Н и С) имеют провода марокПЭТ-180 и ПЭТ200, эта изоляция изготавливается на основе полиимидов.

Для работы при температуре 220^оС предназначены провода ПНЭТ-имид, состоящие из медной никелированной жилы, покрытой полиимидным лаком.

Применяются обмоточные провода типа ПЭЖБ с неорганической изоляцией (стеклоэмаль), которые могут работать при температуре 300^оС, а кратковременно – до 600^оС.

Провода ПЭВА, ПЭТВА имеют алюминиевые жилы. Практически все перечисленные выше провода выпускаются диаметрами от 0,02 (или 0,05) до 2,5 мм.

Провода с бумажной изоляцией изготавливают из медных и алюминиевых жил, обмотанных кабельной бумагой толщиной 0,1-0,12 мм. Из них в основном изготавливают обмотки высоковольтных аппаратов с внутренней масляной изоляцией. Бумага пропитывается маслом и имеет электрическую прочность 80 МВ/м.

Провода с волокнистой изоляцией изготавливают из медных и алюминиевых жил круглого и прямоугольного поперечного сечения. Изоляция - одинарная или двойная из хлопчатобумажной, шёлковой пряжи или пряжи из синтетических (лавсан, капрон) или стеклянных волокон. Электрическая прочность такой изоляции да ещё и пропитанной лаком или компаундом намного выше, чем эмаль изоляции.

Изготавливаются провода: ПБД, АПБД – медная (0,38-5,2 мм) и алюминиевая (1,35-8 мм) жила, с двумя слоями хлопчатобумажной пряжи.

ПЛБД, АПЛБД – медный (0,38-5,2 мм) или алюминиевый (1,35-8 мм) с одним слоем лавсанового волокна и одним слоем хлопчатобумажного волокна.

ПЛД – медный (0,38-1,3 мм) с двумя слоями лавсанового волокна.

ПСД, АПСД – медный (0,31-5,2 мм) или алюминиевый (1,65-5,2 мм) с двумя слоями стекловолокна, пропитанного нагревостойким лаком.

ПСДК – медный (0,31-5,2 мм) с двумя слоями стекловолокна, пропитанного кремнеорганическим лаком.

Провода с эмалево-волокнистой изоляцией состоят из эмалированной медной жилы круглого поперечного сечения с такой же изоляцией как у предыдущих марок. Они обладают наиболее высокой механической и электрической прочностью.

ПЭВБД – медный (0,69-2,1мм), изолированный эмалью и двумя слоями хлопчатобумажной пряжи.

ПЭВШО – медный (0,2-1,5мм), изолированный эмалью и одним слоем натурального шёлка.

ПЭТЛО – медный (0,2-1,3 мм), изолированный лаком и одним слоем лавсанового волокна.

ПЭТКСОТ – медный (0,33-1,56 мм), изолированный кремнеорганическим лаком и одним слоем утончённого стекловолокна, пропитанного нагревостойким кремнеорганическим лаком.

 

Изоляция катушек

Применяются следующие виды изоляционных материалов:

Полистирол – термопластичный диэлектрик, размягчающийся при температуре 110-120^оС. Из него изготавливают каркасы катушек. Его характеристики: плотность – 1050 кг/м³; σ_р = (3-5)^.10⁷ Н/м²; холодостойкость – до -60^оС; ρ_v = 10¹³-10¹⁴ Ом^.м; tg δ = (2-4)^.10^-4; Е _пр = 25-30 МВ/м. Недостаток: хрупкость, чтобы её устранить его смешивают с синтетическими каучуками.

Винипласт – получается при горячем прессовании порошкообразного поливинилхлорида. Он отличается стойкостью к минеральным маслам, разбавленным щелочам и кислотам, обладает высокой механической прочностью и электроизоляционными свойствами: плотность – 1350 кг/м³; σ_р = (4-5)^.10⁷ Н/м²; холодостойкость – до -20^оС; ρ_v = 10¹⁰-10¹² Ом^.м; Е _пр = 20-22 МВ/м; размягчается при 150^оС.

Полиформальдегид – твёрдый термопластичный диэлектрик, диапазон рабочих температур: -55^оС – +100^оС. Идёт на изготовление каркасов катушек сложного профиля.

Лавсан – прозрачный высокополимерный диэлектрик. Его плёни стойки к растворителям, содержащимся в лаках, к плесневелым грибам и влаге. Применяется в аппаратах тропического исполнения низкого напряжения, класс нагревостойкости Е, не стоек к короне.

Фторопласт-4 – нагревостойкий диэлектрик, работает при температуре от -269^оС до +250^оС. Химически стоек, не растворяется в концентрированных щелочах и кислотах, не поглощает воду и не смачивается ею. Плотность 2100 кг/м³; σ_р = (1,4-2,5)^.10⁷ Н/м²; ρ_v = 10¹⁵-10¹⁷ Ом^.м; Е _пр = 30 МВ/м. Характеристики стабильны. Механические напряжения в нём не должны превышать 1,3^.10⁷ Н/м².

Полиимиды – нагревостойкие (220^оС) органические диэлектрики. Чуть мее стойкие, чем фторопласт-4. Используются в виде плёнок; σ_р = (10-12)^.10⁷ Н/м²; ρ_v = 10¹⁵ Ом^.м; Е _пр =100-150 МВ/м. Влагопоглощающие.

Электроизоляционные резины – применяются также в виде лент, например, ЛЭТСАР – термостойкая самосклеивающаяся, при намотке вполнахлёста и выдержке 48 час при 20^оС превращается в монолит, электрическая прочность 20 кВ/мм.

Лаки и эмали: 152 – масляный; БТ-987 – масляно-битумный, температура сушки 105 ^оС, время сушки 6 час., используется для пропитки катушек; ГФ-95 – глифталевый, температура сушки 105 ^оС, время сушки 1,5 час., используется для пропитки катушек; КО-964 – кремнеорганический; ЭП-91 – эпоксидная эмаль, температура сушки 190 ^оС, время сушки 1,5 час., используется как внешнее покрытие катушек; ГФ-920ХС – глифталевая.

Компаунды: МБ-70, МБМ-1, МБК-1 и т.д.

Бумаги и картоны: Электрическая прочность 5-10 кВ/мм. Выпускаются: кабельная бумага К-120,К-170, КВ-030, КВ-120 и др. – однослойные; КМ-120, КВМ-170 – двухслойные и многие другие. Намоточная бумага используется для изготовления гильз для катушек, есть микалентная бумага, крепированная бумага применяется для изолирования отводов и мест соединений в обмотках маслонаполненных аппаратов. Электроизоляционные картоны применяют для изготовления каркасов катушек. Фибра – бумага, обработанная раствором хлористого цинка и прессованная в несколько слоёв. Картон: марки ЭВ, толщина 0,1-3 мм, ЭВС, ЭВП, ЭВТ имеют толщину 0,1-0,5 мм, электрическая прочность 8-13 кВ/мм

Лакоткань – ткань, пропитанная лаком. Электрическая прочность 20-70 кВ/мм ЛХМ-105, ЛХБ-105 – хлопчатобумажные на масляном и масляно-битумном лаке. ЛСК-180 – стеклянная на кремийорганических лаках; Стеклоткани: ЛСМ-105/120 – для работы в воздухе при нормальных климатических условиях, ЛСЭ-105/120 – то же при повышенной влажности.

Пластмассы – минимальная толщина стенок 1,5 мм (при горячем прессовании) и 4-5 мм при холодном. Нагревостойкость – 120^оС – фенопласты, аминопласты; 220^оС – на основе кремнийорганических связующих с наполнителем: кварц, стеклянное волокно.

Гетинакс – слоистый пластик, толщиной от 0,2 мм до 50 мм, 8 марок; рабочие температуры: от -65 до +180^оС. Состав: бумага, пропитанная бакелитом, электрическая прочность 20-22 кВ/мм.

Текстолит – ткань, пропитанная бакелитовой смолой, 4 марки, рабочие температуры: от -65 до +180^оС. Толщина от 0,2 мм до 50 мм.

Стеклотекстолит – стеклянная ткань, пропитанная бакелитовой смолой, 4 марки, более нагревостоек, может пропитываться эпоксидной и кремнийорганической смолами. Толщина от 0,5 мм до 30 мм.

Бумажнобакелитизированные изделия – трубки, цилиндры(диаметром от 10 до 1200 мм, толщиной стенки от 1,5 до 8 мм).

Слюдяные материалы: мусковит – нагревостойкость до 500^оС; флогопит – до 800^оС; они химически стойкие, но поглощают влагу. Флагопит – нагревостойкость до 1000^оС, имеет малое влагопоглощение. Миканиты – склеенные с помощью смол или лаков листочки щипанной слюды. Выпускаются коллекторный, прокладочный, формовочный и гибкий миканиты, гибкий стекломиканит, микафолий, микалента.

Слюдинитовые и слюдопластовые материалы – ленты, слюдиниты имеют нагревостойкость по классам Н и С.

Минеральные диэлектрики – природный минерал асбест имеет рабочую температуру 500^оС, электрическая прочность 2,4-4,6 кВ/мм. Из него делают бумагу, пряжу, ленту и картон. Асбоцемент – асбестовое волокно и портландцемент, электрическая прочность 2-3 кВ/мм, нагревостойкость 250^оС.

 

Катушки электромагнитов

Бывают катушки последовательного и параллельного включения, первые, как правило, имеют малое число витков и большое поперечное сечение провода, вторые – наоборот. По роду тока бывают катушки постоянного и переменного тока. Они также отличаются друг от друга числом витков.

В любой катушке площадь сечения металла провода из-за наличия воздушных зазоров и изоляции всегда меньше, чем общая площадь поперечного сечения катушки. Отношение этих площадей называется коэффициентом заполнения катушки: площади поперечных сечений металла (меди) и катушки. Для катушки круглой (цилиндрической) формы, рис. 13.1, намотанной проводом круглого поперечного сечения:

k _к зависит от многих факторов: формы поперечного сечения провода (круг, прямоугольник), толщины и вида изоляции провода и катушки, диаметра провода, вида намотки и т.д. При расчётах обычно используются опытные значения коэффициента заполнения.

 

По данным ХЭМЗ, рис.13.2: 1 – шахматная намотка; 2 – рядовая; 3 – ручная намотка на круглую катушку; 4 – ручная намотка на прямоугольную катушку; 5 – намотка на станке с бумагой 0,035 мм через один слой, катушка круглая; 6 – то же, но катушка прямоугольная; 7 – ручная намотка на прямоугольную катушку, бумага через два слоя; 8 – то же, но бумага через один слой.

Различают три вида намотки:

1) неравномерная, производится без специальных приспособлений, имеет самый низкий коэффициент заполнения;

2) рядовая, витки одного слоя укладываются плотно друг к другу, а витки смежных слоёв располагаются один над другим;

3) шахматная, витки верхнего слоя укладываются в промежутки между витками нижнего слоя, имеет самый высокий коэффициент заполнения.

 

Расчёт катушек постоянного тока

Исходными данными для расчёта являются: МДС обмотки (номинальная или срабатывания), значение напряжения или тока, размеры магнитопровода, режим (длительный, кратковременный и т.д.) и условия работы (температура окружающей среды θ_ос, вид охлаждения, диапазон изменения питающего напряжения и т д.).

В результате расчёта должны быть определены: число и размеры катушек, тип обмоточного провода, его диаметр или площадь поперечного сечения (для проводов с прямоугольным поперечным сечением), число витков, сопротивление и ток обмотки, мощность, потребляемая в нормальном режиме работы.

В качестве ограничения выступает требование того, чтобы максимальная температура нагрева обмотки не превышала допустимую по классу нагревостойкости используемого обмоточного провода.

Расчёт проводится методом последовательных приближений. Рассмотрим упрощенный алгоритм расчёта для катушек напряжения, работающих в длительном режиме.

В соответствии с ТЗ или по конструктивным соображения выбираем число катушек, составляющих обмотку, и тип обмоточного провода, а, следовательно, материал проводящей жилы и допустимую температуру нагрева θ_д.

По определению активное сопротивление катушки

(1)

где ρ₀, ς – удельное электрическое сопротивление и температурный коэффициент сопротивления металла провода; θ – средняя температура нагрева катушки; l _ср, w – длина среднего витка и число витков катушки; q _м, d – площадь поперечного сечения и диаметр провода; U, I – напряжение и ток катушки.

Из выражения (1) определям

(2)

Здесь для катушки, рис.13.1, l _ср = 0,5π(D ₀ + d ₀), θ = θ_д, Iw = F – МДС катушки, U – минимальное значение питающего напряжения.

По справочным данным выбирается ближайший больший диаметр провода. Уточняется коэффициент заполнения катушки k _к.

Число витков находится из выражения для коэффициента заполнения катушки

(3)

Из выражения (1) определяется r и I.

Превышение температуры на поверхности катушки можно определить по формуле Ньютона:

(4)

где k _тн – коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности катушки; если не учитывать форму и цвет поверхности охлаждения, её расположение в пространстве, высоту над уровнем моря, то при естественном охлаждении в воздухе k _тн = 9,3^.10^-4(1+0,0059τ_д);

S _н, S _вн – площади наружной и внутренней поверхностей охлаждения; ξ – коэффициент, учитывающий различие условий охлаждения с S _вн по сравнению с S _н, например для бескаркасных бандажированных катушек ξ = 0,9; для катушек на металлической трубе ξ = 1,7; для катушек, наматываемых непосредственно на сердечник магнитопровода ξ = 2,4.

Превышение максимальной температуры (внутри катушки) над температурой нагрева поверхности определяется по формуле М.А.Любчика:

где V – объём обмотки, см³; k ₁ – поправочный коэффициент, меняющийся от 1,6 до 7 при изменении k _к от 0,2 до 0,6 для рядовой намотки; Δ_п, Δ_и – толщины изоляции провода и прокладки; 2 i определяется по (5) для рядовой намотки и по (6) для шахматной намотки, I – эквивалентная толщина участка, заполненного воздухом; λ₁, λ₂, λ₃ – коэффициенты теплопроводности материала изоляции провода, воздуха (если это не пропитанная катушка) и прокладки, Вт/(см^.град).

Если τ_макс > θ_д – θ_ос, то необходимо увеличить размеры катушки (следовательно и магнитопровода), или выбрать, если это возможно, провод с большей нагревостойкостью, или использовать искусственное охлаждение и повторить расчёт.

При расчёте токовой обмотки вначале определяют число витков w = F / I, затем площадь поперечного сечения провода Из выражения (1) определяется r.

Выполняется тепловой расчёт обмотки по (4).