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

Generator silnego pola magnetycznego

23 Maj 2007 22:51 6692 7
  • Poziom 2  
    Witam Wszystkich.
    Od razu przejdę do setna sprawy. Mam do zbudowania generator silnego pola magnetycznego. Urządzenie ma być zasilane z sieci (220-240V 50Hz) a natężenie pola magnetycznego ma osiągnąć min. 5000 Gs. (przez około 25 sek.) Mam parę pytań natury ogólniejszej :
    - czy trudno skonstruować takie urządzenie ?
    - jakie sa głowne elemety takiego urządzenia ?
    - czy da sie urządzenie zminimalizować (kubatury np.: tostera :)

    Z góry dzięki za jakieś wskazówki!
    Darmowe szkolenie: Ethernet w przemyśle dziś i jutro. Zarejestruj się za darmo.
  • IGE-XAOIGE-XAO
  • Pomocny post
    Poziom 43  
    Witam,
    zasadnicze pytanie, to gdzie ta indukcja magnetyczna B o wartości 0,5T (tesli) [10000Gs <=> 1T] ma być uzyskana?
    Jeśli w powietrzu, to na jakiej długości i przekroju?
    Dla powietrza jest to b. duża wartość natężnia pola magnetycznego H, przecież; B = μ•μo•H, czyli;
    H = B/(μ•μo) = 0,5T/(1•4•Π•10^-7H/m)=(3.978874E+0005)A/m=397887,4A/m≈4000A/cm

    Zasadniczym elementem elektromagnesu jest przecież uzwojenie wiodące prąd (jeśli pole magnetyczne ma być niezmienne w czasie, to musi to być prąd stały).

    Pozdrawiam
  • IGE-XAOIGE-XAO
  • Poziom 2  
    Chciałbym aby maksymalna wartość indukcji magnetycznej otrzymał , powiedzmy , w przestrzeni równej walcowi o wysokości 3 cm i promieniu 5 cm. Jeśli dobrze zrozumiałem kiedy w tym polu umieszczę przedmioty z rożnego materiału (drewno, metal ,plastik) będzie mi łatwiej lub trudniej uzyskać odpowiednie natężenie p. m.? Co do zmienności (okresowości) wartości tego pola nie jest to krytyczne dla projektu. Dlatego przyjąłem około 25 sek czas działania i min wartość indukcji którą musi przekroczyć.
  • Pomocny post
    Poziom 43  
    Witam,
    phenix napisał:
    Chciałbym aby maksymalna wartość indukcji magnetycznej otrzymał , powiedzmy , w przestrzeni równej walcowi o wysokości 3 cm i promieniu 5 cm.

    chyba nie bardzo zdajesz sobie sprawę jakie urządzenie jest Tobie potrzebne.
    Zrobiłem pierwszą przymiarkę i zobacz jak to wygląda; Prawo Ohma dla obwodu magnetycznego ze szczeliną powietrzną (bo taki to musi być magnetowód) jest takie:
    Θ = z•I = Φ•Rµ = Φ•[lż/(µ•µo•Sż) + lp/(µo•Sp)], gdzie;
    Θ - Przepływ magnetyczny - Siła Magnetomotoryczna (odpowiednik napięcia źródłowego w nierozgałęzionym obwodzie elektrycznym) w amperozwojach [Azw],
    z - ilość zwoi elektromagnesu w zwojach [zw],
    I - wartość prądu (stałego) płynącego przez elektromagnes w amperach [A],
    Φ - strumień magnetyczny (odpowiednik prądu w obwodzie elektrycznym) w weberach (woltosekundach) [Wb],
    - reluktancja (rezystancja magnetyczna) w odwrotność_henra [1/H],
    - długość drogi strumienia magnetycznego w żelazie w metrach [m],
    lp - długość drogi strumienia magnetycznego w szczelinie powietrznej w metrach [m],
    µ - przenikalność magnetyczna względna żelaza, liczba niemianowana,
    µo - przenikalność magnetyczna próżni, równa 4•Π•10^-7H/m, henr_na_metr,
    - pole przekroju poprzecznego żelaza magnetowodu w metrach_kwadratowych [],
    Sp - pole przekroju poprzecznego szczeliny powietrznej magnetowodu w metrach_kwadratowych [].
    Tu należy się wyjaśnienie, jeśli pole przekroju magnetowodu nie jest jednolite, to zamiast wyrażenie;
    lż/(µ•µo•Sż), należy w powyższym wzorze wstawić sumę reluktancji rdzenia:
    Σlżn/(µn•µo•Sżn), gdzie lżn, Sżn, µn odpowiednio; długości dróg, pola przekroju magnetowodu, przenikalności względnej, gdzie przekrój poprzeczny jest jednolity.
    Natomiast w przypadku zwężeń (stożków), to zagadnienie obliczeniowo znacznie komplikuje się.
    Poza tym, w takim przypadku nie można założyć stałej wartości przenikalności względnej µ dla żelaza i należy skorzystać z Pierwotnej Charakterystyki Magnesowania, ale wtedy obliczenia znacznie komplikują się, ponieważ mamy do czynienia z obwodem magnetycznym nieliniowym.
    Jaki powinien być kształt tego elektromagnesu zobacz TAM, oczywiście średnica nadbiegunników w Twoim przypadku jest znacznie mniejsza, ale też chcesz uzyskać znacznie większe (wielokrotnie) natężenie pola magnetycznego w przestrzeni pomiędzy nabiegunnikami.
    Przez proste przekształcenie zależności, którą zapisałem powyżej, można wzór (dla; Sż = Sp) na natężenie pola magnetycznego w szczelinie , zapisać tak;
    w szczelinie elektromagnesu tak:
    Hδ = z•I/[lp + lż/µ], oraz porównać warości wyrażeń występujących w mianowniku, mamy więc:
    lp =3cm, oraz lż/µ i jeśli przyjmiemy. iż lż ≤ 100•lp, a µ ≈3500, to mamy:
    lż/µ =100•3cm/3500=(8.57142857142857E-0002)cm=0,085cm, co w sumie z 3cm jest do zaniedbania.
    Dlatego też zależność na natężenie pola magnetycznego w szczelinie elektromagnesu można zapisać prościej:
    Hδ = z•I/lp, a stąd wyliczyć wartość amperozwoi;
    z•I = Hδ•lp=4000A/cm•3cm=12000Azw

    phenix napisał:
    Jeśli dobrze zrozumiałem kiedy w tym polu umieszczę przedmioty z rożnego materiału (drewno, metal ,plastik) będzie mi łatwiej lub trudniej uzyskać odpowiednie natężenie p. m.? Co do zmienności (okresowości) wartości tego pola nie jest to krytyczne dla projektu. Dlatego przyjąłem około 25 sek czas działania i min wartość indukcji którą musi przekroczyć.

    To są, ogólnie rzecz biorąc; para-, czy dia- magnetyki, więc nie bardzo rozumiem co chcesz przez to osiągnąć w zmianie ich struktury magnetycznej? Jak długo będzie ten elektromagnes "odpoczywał" po jednorazowym użyciu?
    Pytanie o tyle istotne, iż dla czasu pracy 25 sekund jest to praca dorywcza, a wtedy (gdy uzwojenie ostygnie przed następnym użyciem) można przyjąć znacznie większe gęstości prądu w uzwojeniu z porównaniu jak dla pracy ciągłej.

    Pozdrawiam
  • Poziom 2  
    Witam.
    Chciałem na początku podziękować za dość solidny wykład dzięki któremu zaczynam rozumieć co chce zbudować (a dokładniej magnetowód).
    Sadze ze na tym etapie można przyjąć Twoje założenie o jednolity polu przekroju magnetowodu. Przeglądałem stronę która mi podesłałeś (Elektromagnes cyklotronu) i trochę mnie martwi średnica nadbiegunników i Twoje stwierdzenie ze moje tez będą podobnej średnicy (choć piszą tam o wartościach rządu 0.8 do 1.8 T) Co do ciągłości pracy to zakładam że urządzenia będzie działać sporadycznie , w przerwach 3-4 godz. w nawet rzadziej.
  • Pomocny post
    Poziom 43  
    Witam,
    phenix napisał:
    Witam.
    Chciałem na początku podziękować za dość solidny wykład dzięki któremu zaczynam rozumieć co chce zbudować (a dokładniej magnetowód).

    proszę bardzo.

    phenix napisał:
    Sadze ze na tym etapie można przyjąć Twoje założenie o jednolity polu przekroju magnetowodu. Przeglądałem stronę która mi podesłałeś (Elektromagnes cyklotronu) i trochę mnie martwi średnica nadbiegunników i Twoje stwierdzenie ze moje tez będą podobnej średnicy (choć piszą tam o wartościach rządu 0.8 do 1.8 T)

    To był przykład kształtu, ale nie rozmiarów, skoro Tobie wystarczy, jak sam napisałeś, średnica 10cm.
    Wobec tego, jak przyjmiesz z 20% zapasem średnicę nabiegunnika to w zupełności wystarczy.
    Z tej średnicy łatwo jest znaleźć pole przekroju tego nabiegunnika i podobne zastosować dla jarzma, przyjmując jego grubość ok. 15cm, a wtedy okrągły nabiegunnik łatwo do niego ściśle wpasować.
    Jako materiał powinno służyć tu czyste żelazo (takie, jakie stosuje się na jarzma i rdzenie w przekaźnikach prądu stałego), ale dla takich rozmiarów to jego zdobycie może nie być łatwe.
    W zastępstwie można użyć stali konstrukcyjnej, ale z najmniejszą ilością dodatków (szczególnie węgla, oraz innych metali).
    Nie jestem metaloznawcą, ale pamiętam, iż pokazywano mi przekaźniki (które badałem), których rdzenie były wykonane ze stali konstrukcyjnej typu ST1 i trudno było im odmówić poprawności w działaniu z porównaniu z przekaźnikiem wykonanym ze żelaza ARMCO, ZOBACZ, o identycznym magnetowodzie.
    Oczywiście, po obróbce mechanicznej, taki magnetowód musi być wyżarzony w odpowiedniej temperaturze i przy odpowiednim gradiencie spadku temperatury.
    I tu możesz mieć zasadniczy kłopot, ponieważ nie tylko odpowiednie studzenie, ale i samo wyżarzanie (do temperatury ok. 400°C) powinno być w atmosferze gazowego wodoru (taka sobie potencjalna bomba...), co może być na dzień obecny (po upadku naszego rodzimego przemysłu produkcji przekaźników prądu stałego) trudne do zrealizowania.
    Natomiast użycie magnetowodu niewyżarzonego spowoduje, iż po pierwszym wytworzeniu w nim pola magnetycznego, pozostanie w nim znaczny magnetyzm szczątkowy (namagnesuje się).

    Jeszcze wytyczne do projektu kształtu magnetowodu (wyczytane w starych monografiach, sprzed 50 lat i więcej); podstawowa sprawa to odpowiednia odległość kolumn (pionowe) zewnętrznych od kolumny środkowej w której znajduje się szczelina powietrzna (sama konstrukcja, jak na rysunki z linki, to klasyka).
    Chodzi o to, by strumień magnetyczny rozproszenia (w powietrzu) nie chciał, częściowo, zamykać się (a właściwie, by był on tam znikomym) do kolumny bocznej, to odległość ta powinna być co najmniej od 3 do 5 wysokości szczeliny powietrznej (u Ciebie będzie to od 9cm do 15cm).

    Znalezienie oodpowiedniej średnicy drutu i ilości zwojów, to następna sprawa rozwiązywana metodą kolejnych przybliżeń, jeśli chce się osiągnąć daną wartość prądu (wartość rezystancji uzwojenia) przy zadanym napięciu zasilającym (prąd stały) i potrzebnych amperozwojach (12000Azw).
    Skoro chcesz ten elektromagnes zasilać z sieci napięcia przemiennego 230V, to potrzebny jest prostownik mostkowy i odpowiedni filtr.
    Ze względu na wartość płynącego prądu stałego, powinien to być filtr typu - Γ z wejściem indukcyjnym (jeszcze jeden dławik potrzebny).
    Wbrew pozorom, ale prąd płynący przez uzwojenie musi być dobrze wyfiltrowany.
    Indukcyjność elektromagnesu nie może tu być filtrem prądowym, ponieważ w przypadku przeciwnym, prąd o częstotliwości drugiej harmonicznej sieci będzie nagrzewał (straty na prądy wirowe) lity rdzeń magnetowodu.
    Dla zabezpieczenia przed przeładowaniem (zmiana polaryzacji) kondensatora elektrolitycznego, przy wyłączaniu prądu tego elekromagnesu, należy doń przyłączyć odwrotnie równolegle odpowiednią diodę półprzewodnikową, tak by ciągłość zanikającego prądu (kiedy już kondensator zostanie rozładowany) w znacznej indukcyjności elektromagnesu zamknęła się właśnie przez ową diodę.
    Zapobiegnie to również powstaniu (ewentualnie) zanikających drgań oscylacyjnych prądu tego elektromagnesu.
    Za nominalną wartość napięcia stałego trzeba tu przyjąć wartość ok. 200V (to przez filtr z wejściem idukcyjnym, tylko tyle) napięcia stałego.
    Oczywiście jako całość uzwojenia należy rozumieć dwie cewki, każda o połowie ilości znalezionych zwoi i umieszczone na jarzmach po obu stronach szczeliny powietrznej oraz połączone (zawsze) szeregowo i zgodnie.

    phenix napisał:
    Co do ciągłości pracy to zakładam że urządzenia będzie działać sporadycznie , w przerwach 3-4 godz. w nawet rzadziej.

    Przy takim cyklu pracy (i tak krótkiej pracy) tego elektromagnesu można przyjąć, iż będzie to praca dorywcza (następne użycie, po prawie całkowitym wystudzeniu), a więc gęstość prądu w uzwojeniu można przyjąć z przedziału od 10A/mm² do 15A/mm².
    Taki duży rozrzut, ponieważ zależy to również od rodzaju izolacji (im wyższa dopuszczalna temperatura pracy, tym większa wartość gęstości prądu) drutu nawojowego.
    Kwestię wymiany ciepła z otoczeniem, to przy tak krótkim czasie pracy, można zaniedbać, ponieważ nie dojdzie do równowagi cieplnej, czyli stanu ustalonego.

    Pozdrawiam
  • Poziom 2  
    Cały czas analizuje wskazówki (już dość szczegółowe i bardzo pomocne) które mi podesłałeś. Ale jeszcze chciałem Cię spytać ,kiedy jestem powiedzmy w fazie wczesnego projektowania, czy istnieją alternatywne źródła tak silne pola magnetycznego iż magnetowód ?
  • Pomocny post
    Poziom 37  
    Sam magnetowód nie jest oczywiście źródłem pola a wręcz robi się wszystko żeby nie był. Mimo to jakiś magnetyzm szczątkowy niestety pozostaje. W każdym razie jakość wykonania magnetowodu decyduje o sprawności przemiany. Dlatego dobór jego parametrów, kształtów a nawet rodzajów materiałów pomocniczych, ma wpływ na rozkład pola w szczelinie roboczej. Wiedzą to doskonale producenci. I np. w głośnikach lepszej klasy stosują w celu ograniczenia strumienia rozproszenia i zwiększenia indukcji w szczelinie-ciecze magnetyczne. Cały czas toczy się batalia o sprawność. Chłodzenie uzwojeń i oczekiwanie maksymalnej gęstości prądu jest w ciągłej sprzeczności z apetytem na małe wymiary. Ale pojawiają się skoki technologiczne w postaci nowych materiałów czy metod które radykalnie poprawiają sprawność. /np magnesy neodymowe/