Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Budowa elektromagnesu. Co i jak zbudować?

26 Maj 2018 23:23 1971 29
  • Poziom 5  
    Witam,

    Ostatnio wpadłem na pomysł budowy niewielkiego elektromagnesu. I w tym momencie nasuwa się mnóstwo pytań.

    1. Jakiej średnicy drut użyć do nawinięcia cewki?
    2. Ile zwojów i jaka długość cewki?
    3. Jaki rdzeń zastosować i o jakich wymiarach?

    Rozważam zasilanie go napięciem stałym 19v, (nie chcę, aby prąd przekraczał 4A). Elektromagnes ma służyć raczej do zabawy, ewentualnie utrzymać z 1kg lub więcej o ile to możliwe.

    Chętnie przeczytam opinie, rady bardziej doświadczonych kolegów. Jeśli ktoś ma lepszy pomysł na realizację tego urządzenia to chętnie poczytam.
    Darmowe szkolenie: Ethernet w przemyśle dziś i jutro. Zarejestruj się za darmo.
  • Poziom 1  
  • Poziom 5  
    Warunki pracy będą następujące. Brak obudowy cewki w celu lepszego chłodzenia, brak wymuszonego przepływu powietrza, praca raczej ciągła. Jeżeli wymogi techniczne zmuszą do zmian, zastosuję się. Chciałbym jednak w miarę możliwości uzyskać odpowiedź na powyższe pytania.
  • Pomocny post
    Poziom 43  
    Czyżby źródłem zasilania miałby zasilacz do laptopa? Może lepiej zostawić mu trochę zapasu obciążenia. Co prawda opór drutu ogranicza prąd ale podczas przyciągania jakiegoś obiektu może szarpnąć więcej dla skompensowania swojego pola magnetycznego.
  • Poziom 5  
    Zgadza się, źródłem ma być stary zasilacz od laptopa. Zostawiłem mu zapas mocy. Jego maksymalna obciążalność jest bliska 5 amperów z tego co pamiętam. Myślę, że zapas 0.93A wystarczy, a podaną wartość 4A uznałem za maksymalną, może być niższa jeśli będzie trzeba z jakiegoś powodu ograniczyć prąd. Chyba, że tak nie jest to napiszcie.
  • Pomocny post
    Specjalista elektronik
    Do ciągłego przepływu prądu 4A w uzwojeniu drut o przekroju nawet 0.75mm2 jest za cienki - to by oznaczało gęstość prądu ponad 5A/mm2. Dopuszczalna gęstość prądu zależy od materiału (jaką temperaturę wytrzyma izolacja), od grubości uzwojenia, od sposobu chłodzenia (można brać pod uwagę np. użycie pasty termoprzewodzącej, żeby ciepło lepiej odpływało). Może 410m drutu miedzianego 1.5mm2? Ale z tego wyjdzie spora konstrukcja, 5.5kg miedzi.
  • Poziom 5  
    Z tego co widzę te 19V to chyba zbyt dużo. Nie widzę konstrukcji >400m x 1.5mm2. Mógłbym w przyszłości dostać w posiadanie zasilacz impulsowy 12V 5 lub nawet 10A. Myślę, że to by trochę uprościło sprawę. Na pewno rozmiary cewki znacząco się zmniejszą. W takim przypadku wystarczyłoby 250 metrów, to trochę upraszcza konstrukcję, Chociaż to i tak jest duży koszt ze względu na ponad 3kg drutu nawojowego. Chyba, żeby jeszcze obniżyć napięcie. Ktoś ma jakieś propozycje? A i czy 3 7805 ograniczyłyby prąd do 3A?
  • Poziom 5  
    Mogę też zdobyć zasilacz 5V 5A. Co o tym sądzicie?
  • Pomocny post
    Specjalista elektronik
    Niższe napięcie oznacza mniejszą długość drutu (potrzebna długość jest z grubsza proporcjonalna do napięcia), który musi być użyty, więc pewnie będzie korzystne, mniej roboty z nawijaniem. Przy mocy 25W (jeśli będzie użyta) trzeba by ze 2kg drutu.

    Warto by policzyć jeszcze coś innego: powiedzmy, że na 1 zwój będzie 0.1 metra drutu - jeśli będzie 120m, to 1200 zwojów; prąd 5A da 6000 ampero-zwojów. Nie jest to bardzo dużo - uzyskanie indukcji 2T przy takim prądzie będzie wymagało sumy szczelin poniżej 2.4mm (byłoby 2.4mm, gdyby materiał rdzenia był idealny).
  • Poziom 5  
    W takim razie jakiego drutu powinienem użyć? No i jaki rdzeń o jakich wymiarach zastosować? Z miękkiej stali?
  • Pomocny post
    Poziom 33  
    Nikt nie napisał o kształcie rdzenia. Rdzeń w kształcie podkowy lub litery E (jak blaszki transformatora) znacznie zmniejszy opór magnetyczny i rozproszenie pola.
    Może wykorzystać magnes z uszkodzonego dużego głośnika i wówczas przy mniejszej ilości zwojów przełączać kierunek przepływy prądu:
    - gdy wytworzone pole dodaje się do pola magnesu, to jest duża siła udźwigu i magnes mocno trzyma stalowy przedmiot.
    -gdy zmienisz kierunek prądu, to wytworzone pole magnetyczne odejmuje się od pola magnesu i siła trzymania jest na tyle słaba, że przedniot stalowy spada.
    Ciężko tutaj liczyć. Trzeba praktycznie sprawdzić działanie i wnosić poprawki poprzez dobranie prądu lub między magnesem a przedmiotem umieścić płytkę z tekstolitu zwiększającą szczelinę.
  • Poziom 5  
    @wieswas Sugerujesz, aby użyć, magnesu trwałego zawierającego ferromagnetyk, jako rdzenia? Możesz zasugerować jakieś wymiary? I jak sprawa się ma jeśli użyty byłby rdzeń w kształcie I, kształcie E oraz C? Który kształt najlepszy i jaka jest alternatywa do materiału rdzenia?
  • Pomocny post
    Poziom 33  
    Najlepszym kształtem jest konstrukcja głośnika, ale bez tokarki trudno jest to zrobić.
    Stąd propozycja wykorzystania gotowego elementu.
    Używając magnesu można ustawić jego odległość od podnoszonego przedmiotu lekko poniżej progu przyciągnięcia. Wówczas sekundowy impuls prądu w cewce wystarczy, aby przedmiot dźwignąć. Gdy magnes go złapie prąd już nie jest potrzebny. Obwód magnetyczny zamyka się przez podniesiony przedmiot.
    Będzie problem, aby go oderwać. I tu potrzebny będzie silny, odwrotny impuls prądu, który wytworzy strumień magnetyczny odejmujący się od strumienia magnesu. Jest to najbardziej ekonomiczna praca. Prąd pobierany jest tylko w chwili podnoszenia i opuszczania. W pozostałym czasie prąd nie płynie i nic się nie grzeje.
    Można więc sobie pozwolić na znaczne przekraczanie gęstości prądu w cewce i nie potrzeba wielu kilogramów miedzi.
    Nie opisałeś dokładnie zastosowania, czy na taśmie produkcyjnej ma podnosić identyczne 1-kilogramowe przedmioty stalowe, przenieść w nowe miejsce i opuścić ?
    W innych zastosowaniach, gdy przedmioty mają różną wagę i kształt obecność magnesu stałego mógłby być utrudnieniem.
    Wówczas lepiej wytoczyć taki rdzeń z miękkiej stali. lub wykorzystać blaszki E wraz z karkasem od transformatora.
  • Poziom 5  
    Elektromagnes nie będzie stosowany do przenoszenia przedmiotów, a raczej do ich utrzymania oraz stosowany do wytwarzania silnego pola elektromagnetycznego (jeśli można będzie nazwać go silnym) w celu eksperymentów. Nadal prosiłbym o proponowane wymiary możliwych rdzeni w wszelkich możliwych konfiguracjach, czyli I,E,C. Magnes w głośniku. Chodzi o toroidalny magnes ferrytowy? Wtedy cewka nawinięta byłaby na nim jak w transformatorze tego typu? A jeśli nie znalazłbym takowego? Jakieś alternatywy?
  • Specjalista elektronik
    To, ile utrzyma elektromagnes, zależy od kształtu i materiału rdzenia, od nierówności powierzchni, od prądu...

    Jeśli ma utrzymać dużo przy małym prądzie, to pożądany jest zamknięty obwód magnetyczny (a więc nie I), z materiału o dużej przenikalności (albo małej koercji) i dużej indukcji nasycenia.

    Typowa miękka stal ma przenikalność kilka tysięcy - supermalloy ma tysiąc razy więcej, a stal krzemowa monokrystaliczna jeszcze dużo więcej - tyle, że co lepsze materiały są dużo droższe. Dobre materiały są przyciągane przez magnes, ale nie magnesują się - materiał, który daje się zauważalnie namagnesować, nie nadaje się na rdzeń elektromagnesu. Z pewnością łatwo namagnesujesz typowy śrubokręt, nóż, nożyczki; nie namagnesujesz typowego taniego gwoździa.

    Jeśli powierzchnia jest nierówna i jej nierówności nie pozwalają na dobry styk, zostaje szpara, to uzyskanie silnego pola wymaga większego prądu - 1mm szpar to ze 2000 ampero-zwojów.

    Przy przenikalności np. 1000 1m obwodu rdzenia (liczonego wzdłuż pola magnetycznego) działa tak, jak 1mm szpar. Ale stal niskowęglowa powinna mieć większą przenikalność.

    Przy odpowiednim (do szpar i obwodu rdzenia) prądzie w uzwojeniu 1cm2 powierzchni daje siłę kilkanaście kG (to jeszcze zależy od materiału, np. supermalloy da dużo mniej, niż żelazo); przy mniejszym siła jest proporcjonalna do kwadratu prądu (2X mniejszy prąd = 4X mniejsza siła).
  • Poziom 5  
    Zdobycie supermalloy będzie raczej dość trudne. Zastanówmy się więc nad stalą niskowęglową i żelazem. Jakie wymiary musiałby mieć taki rdzeń?
  • Poziom 33  
    Odpowiedź na pytanie autora tematu:
    "Chodzi o toroidalny magnes ferrytowy? Wtedy cewka nawinięta byłaby na nim jak w transformatorze tego typu ?"
    Nie. Nawijanie uzwojenia elektromagnesu na rdzeniu troidalnym tak jak nawija się transformator wogóle nie ma sensu. Wytworzony strumień magnetyczny zamknie się całkowicie w rdzeniu i na zewnątrz będzie tylko niewielkie pole rozproszenia.
    Nawijanie wokół zewnęrznej średnicy toroidu też nie ma sensu. Wyjdzie dużu drutu, a środek rdzenia byłby pusty. Rdzeń toroidalny jest nagorszym z możliwych.
    Ja, proponując wykorzystanie uszkodzonego, dużego głośnika miałem na myśli jego doskonałą konstrukcję:
    1-Wewnętrzny rdzeń w kształcie walca, na którym nawinięto uzwojenie.
    2-na uzwojenie nałożona grubościenna rura.
    3-Tylna część rury i tylna część środkowego rdzenia połączone stalowym krążkiem.
    Całość tworzy układ współśrodkowy, gdzie jednym biegunem jest przednia powierzchnia rdzenia, a drugim biegunem przednia powierzchnia rury.
    Obie powierzchnie tworzą jedną płaszczyznę.
    Przyciągnięty do tej płaszczyzny przedmiot stalowy zamyka strumień magnetyczny, przez co siła trzymania jest największa z możliwych.
    Używając taki rdzeń do eksperymentów największą indukcję magnetyczną mamy w szczelinie między środkowym rdzeniem a zewnętrzną rurą.
  • Specjalista elektronik
    W głośniku jest bardzo mało miejsca na cewkę, a rdzeń bywa magnesem (duża koercja), jakkolwiek były i głośniki z zewnętrznymi magnesami.

    Jeśli cewka ma mieć 1200 zwojów i wytrzymać stale płynący prąd 5A, to trzeba użyć drutu o grubości ze 2mm, a przekrój cewki będzie 50cm2.

    Układ współśrodkowy nie ma dużego znaczenia - może da wynik z 10% lepszy od innych - a materiał może zmienić wynik np. o czynnik 100.
  • Poziom 33  
    Taki właśnie kształt rdzenia jest optymalny:
    Budowa elektromagnesu. Co i jak zbudować?Budowa elektromagnesu. Co i jak zbudować?
    Oczywiście materiał, z którego go wykonano ma też duże znaczenie.
    Ten za zdjęciu (przód i tył) jest w ofercie handlowej.
    Kosztuje 95PLN i ma siłę 20N. Zasilany 24V i pobiera 2,5W
    Możesz więc zgrubnie oszacować ile mocy potrzebujesz dla większej ilości Newtonów siły.
    Proponuję zamiast budować jeden duży elektromagnes, zbudować mały, zoptymalizować i w miarę potrzeby zbudować kolejne. Udźwig będzie się sumował a całość będzie bardziej uniwersalna. Łatwiejsze będzie także zasilanie każdego z nich.
  • Poziom 5  
    @wieswas Dziękuję za sprecyzowanie o jaki rdzeń chodzi i jaki jest sposób nawinięcia cewki. W dużym stopniu rozwiało to moje wątpliwości. W tym temacie padło wiele bardzo pouczających postów. Mam już w głowię pewien obraz co i jak powinno być wykonane. Dziękuję wszystkim za poświęcony mi czas i cierpliwe odpowiadanie na zadawane pytania. Jeśli ktoś ma coś do dodania lub chce podzielić się jeszcze jakąś radą to śmiało niech pisze, chętnie dowiem się czegoś jeszcze.
  • Poziom 33  
    W internecie jest wiele ofert elektromagnesów.
    Jeżeli nie masz bezpłatnego dostępu do tokarki, to może taniej i łatwiej będzie kupić gotowy. Poczytaj oferty i porównaj ceny. Spisz jakie moce stosują do jakiej siły, jaki mają napięcia i prądy oraz wymiary. Wówczas skalkulujesz ile cię wyniosą koszty budowy, a ile wyniósłby zakup gotowych.
    Przykładowe parametry i wymiary od jeszcze innego gotowego elektromagnesu oferowanego w sklepie dla modelarzy:
    Budowa elektromagnesu. Co i jak zbudować?
    Chciałbym jeszcze dodać, że zupełnie inna siła jest potrzebna do dźwignięcia elektromagnesem trzymanego już za płaską powierzchnię przedmiotu, a złapaniem przedmiotu oddalonego choćby o 2 mm. Wraz z odległością wymagana siła rośnie conajmniej w 3 potędze.
  • Poziom 43  
    LisekPLH napisał:
    Mógłbym w przyszłości dostać w posiadanie zasilacz impulsowy 12V 5 lub nawet 10A.
    Nie. Z tego co już szacowali koledzy,potrzebujesz napięcia 3-6V w zależności od grubości i długości użytego drutu.
    Tu masz kalkulator do obliczania rezystancji drutu: http://ekalk.eu/ro_pl.html
    Znając rezystancję cewki, obliczysz jaki prąd popłynie w zależności od przyłożonego napięcia i czy dopuszczalna gęstość prądu nie została przekroczona.

    Siła przyciągania elektromagnesu zależy od liczby amperozwojów (Az) czyli ilości zwojów cewki i natężenia prądu płynącego przez cewkę.
    Taki sam efekt uzyskasz przepuszczając 3A przez 100 zwojów cewki lub 1A przez 300 zwojów.
  • Poziom 5  
    @vodiczka Dziękuję za pomoc. Tak, wiem. Doszedłem już do wniosku, że napięcie nie powinno przekraczać 5V, nawet umieściłem post informujący o możliwości pozyskania zasilacza impulsowego 5V 5A lub 10A. Chciałbym też nadmienić, że znam prawo Ohma i wszelkie wzory je opisujące ;-). Niemniej dziękuję za link do strony z kalkulatorem, na pewno ułatwi to rachunki w przyszłości. Na razie nie będę zamykał tematu, bo może ma ktoś jeszcze jakieś cenne wskazówki.
  • Poziom 43  
    LisekPLH napisał:
    nawet umieściłem post informujący o możliwości pozyskania zasilacza impulsowego 5V 5A lub 10A.
    Wcześniej napisałeś:
    LisekPLH napisał:
    zasilacz impulsowy 12V 5 lub nawet 10A
    i ja się odniosłem do 12V. Zasilacz 5V będzie OK.
  • Specjalista elektronik
    zupełnie inna siła jest potrzebna do dźwignięcia elektromagnesem trzymanego już za płaską powierzchnię przedmiotu, a złapaniem przedmiotu oddalonego choćby o 2 mm. Wraz z odległością wymagana siła rośnie conajmniej w 3 potędze.

    Przy małym odstępie (znacznie mniejszym od rozmiarów) prąd, potrzebny do uzyskania określonej siły przyciągania, rośnie z odstępem liniowo (i nie startuje od 0, więc rośnie nieco wolniej, niż proporcjonalnie do odstępu), natomiast przy niezbyt dużym prądzie siła jest proporcjonalna do kwadratu prądu, czyli dla utrzymania stałej siły potrzebny prąd zależy od kwadratu sumy odległości + stałej.

    Przy dużym odstępie uzyskiwalna siła przyciągania (dla rozsądnej wartości prądu) maleje, i na dużych odległościach dużo szybciej - dla przyciągania przedmiotu ferromagnetycznego nie ulegającego trwałemu namagnesowaniu siła maleje odwrotnie proporcjonalnie do siódmej potęgi odległości, jeśli i przedmiot, i (elektro)magnes są znacznie mniejsze od ich odległości (dla przyciągania dwóch magnesów z dużej odległości - do czwartej potęgi).

    Te chińskie elektromagnesy mają sporą siłę, jak na takie rozmiary - wewnętrzny biegun ma średnicę około 15mm, więc oba razem mają około 3.5 cm2 - 20 kG to około 5.7 kG/cm2, to odpowiada indukcji ponad 50% indukcji nasycenia dla żelaza.

    Pytanie, z jakich materiałów oni je robią, i co potrafią z taką siłą przyciągnąć, bo przy użyciu np. metglasu 2714 i dokładnym dopasowaniu powierzchni do samego namagnesowania rdzenia (przy idealnym styku) wystarczy prąd 80mA, szczeliny po 0.01 mm na obu biegunach wymagałyby 20A (i już widać, że nie ma co się wysilać na taki materiał, skoro on daje tylko 0.4% wymaganego prądu - ale z kolei stal "elektryczna" wymagałaby o 20A więcej, to i tak niewiele, miękka stal martenowska ze 100A).

    Chyba używają zwykłej stali niskowęglowej, przekrój uzwojenia jest około 1.5 cm2, czyli gęstość prądu około 1.5 A/mm2 przy starannym ułożeniu cewki pozwoli uzyskać ze 200A; na to przy podanych parametrach (8W 12V) trzeba 300 zwojów.

    Raczej mają dużo więcej zwojów, bo 300 drutem 0.4 mm2 (taki by się zmieścił "na styk") miałoby opór kilkanaście razy mniejszy... to oznacza, że zwojów jest około 1200, a przekrój drutu 0.1mm2, i podają parametry dla dużo większej gęstości prądu (6 A/mm2 - to bardzo dużo, albo to nie jest do pracy stałej, albo muszą stosować dobrą pastę termoprzewodzącą).

    Dane materiałów magnetycznych z Wikipedii: https://en.wikipedia.org/wiki/Permeability_(electromagnetism) - rdzeń ma długość obwodu magnetycznego około 8cm, przy przenikalności 1000 prąd 80A na rdzeń + te 20A na styki (prąd w drucie X ilość zwojów) daje pole (indukcja 1.25T) wystarczające do uzyskania takiej siły przyciągania, jak piszą. Oni dają prawie 10X większy prąd - może gorszy materiał, może przewidują dużo mniej dokładny styk. Przy odstępie 1mm dla choćby najlepszego materiału pole będzie 2X słabsze, niż trzeba do uzyskania podanej siły (a siła 4X mniejsza).
  • Poziom 43  
    W internecie można spotkać projekty użycia transformatora MOT (rdzeń i uzw pierwotne) jako materiału na elektromagnes.
  • Poziom 43  
    jarek_lnx napisał:
    W internecie można spotkać projekty użycia transformatora MOT
    Niekoniecznie MOT. Każdy transformator (poza toroidem) to dobry materiał wyjściowy na elektromagnes.
    Rdzeń typu EI "przerabiamy" na E a typu [] na U.
    W zależności jakim napięciem zamierzamy zasilać transformator, wykorzystujemy uzwojenie pierwotne lub wtórne.
    Również w transformatorze MOT można wykorzystać uzwojenie wtórne.
    Jeżeli to ma być elektromagnes zasilany prądem stałym to lepiej wykorzystać wtórne, które np. w MOT ma rezystancję ok. 100Ω podczas gdy pierwotne ok. 1,5Ω