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

Jak dobrać parametry elektromagnesu?

ld84 20 Lut 2008 17:53 14231 51
  • #1 20 Lut 2008 17:53
    ld84
    Poziom 10  

    Witam, mam zbudowac elektromagnes, założenia są nastepujące: mam rdzeń stalowy w kształcie litery C o przekroju kolumny 10mmx40mm. Jak dobrać liczbę zwojów i grubość drutu oraz parametry zasilania, aby z odległości max 5mm zahamować tarczę stalowo-aluminiową zamontowaną na wale silnika o mocy 300W. Aha, hamować mają 2 takie same elektromagnesy zasilane prądem przemiennym.
    Krótko mówiąc - hamownica wiroprądowa.

    Dodano po 3 [minuty]:

    ..i jeszcz mały szczegół, promień tarczy to 100mm.

    0 29
  • #2 22 Lut 2008 21:31
    _jta_
    Specjalista elektronik

    Nie napisałeś, ile masz miejsca na cewkę, a to jest najważniejszy parametr - przydałoby się choć z kilka cm2.
    Skoro rdzeń ma być na prąd zmienny, to mam nadzieję, że jest z oddzielnych blaszek? Bo inaczej to przede
    wszystkim w nim wytworzą się prądy wirowe - i to takie, że go stopią. Tarczę też możesz stopić w ten sposób.
    Nawet jak zasilisz elektromagnes prądem stałym, to cała moc silnika pójdzie na rozgrzewanie tarczy!

    Tarczę trzeba umieszczać w szczelinie między rdzeniami - od szerokości tej szczeliny zależy, ile musi być
    miejsca na cewkę, żeby to hamowanie dobrze działało. Orientacyjnie: na każdy mm szczeliny przydadzą się
    ze 4cm2 przekroju uzwojenia - tyle potrzeba, żeby dało się uzyskać indukcję bliską nasycenia w stali.

    Siła hamowania jest proporcjonalna do szybkości - więc do zera zahamować się nie da. Przy 50obr/sek
    masz prędkość na obwodzie ponad 30m/s, pole 2T wytworzy pole elektryczne 60V/m, więc napięcie -
    na tych 4cm - ponad 2V; biorąc pod uwagę przewodność aluminium powinno to nieźle hamować, :)
    ale jeszcze wiele zależy od tego, czy wytworzysz takie pole, na ile gruba jest ta tarcza...

    0
  • #3 23 Lut 2008 14:38
    ld84
    Poziom 10  

    Rdzeń jest wykonany z litej stali, jest to wycinek z rdzenia RZC-25-60-40, o wymiarach jak na rysunku:
    Jak dobrać parametry elektromagnesu?

    Tarcze będą 2 skręcone razem, pierwsza aluminiowa o grubość 2mm, a za nią stalowa o grubości 3mm (dla zamknięcia obwodu magnetycznego). A co do szczeliny między tarczami a elektromagnesem, to myślę że ok 3mm.

    Dodano po 4 [minuty]:

    Czy lepszym rozwiązaniem będzie zasilanie cewek
    prądem stałym?

    Dodano po 7 [minuty]:

    Zrobiłem kilka rysunków, przestawię jak to moim zdaniem miałoby wyglądać. Tarcze zamocowane są do piasty, a ta będzie osdzona na wale silnika.

    Jak dobrać parametry elektromagnesu?

    Jak dobrać parametry elektromagnesu?

    0
  • #4 23 Lut 2008 19:05
    _jta_
    Specjalista elektronik

    ... czyli razem masz dwie szczeliny po 5mm (3mm powietrza, 2mm aluminium), co razem daje 10mm; drugie
    ograniczenie, to nasycanie tarczy stalowej - obwód przekroju rdzenia jest 104mm, i przekrój tarczy stalowej
    na tym obwodzie to 3.12cm2, a nie 4.8 - więc indukcja w rdzeniu wychodzi mniejsza od indukcji nasycenia
    (to się trochę komplikuje, bo i brzeg tarczy, i szczelina trochę zniekształcą to pole magnetyczne, bezpiecznie
    można przyjąć, że mamy ograniczenie do 0.5 indukcji nasycenia, czyli około 1.2T).

    Żeby uzyskać 1.2T mając drodze po 1cm powietrza, potrzebny jest prąd 960A; nawet jeśli włączasz to
    na ograniczony czas, to nie należy przekraczać gęstości prądu 5A/mm², a masz 87.5mm², więc prąd może
    być ze 400A, i indukcja będzie ograniczona do 0.5T... przydałoby się więcej, ale trzeba policzyć, jak szybko
    cewki będą się wtedy nagrzewać, i na jak długo można je włączać, żeby nie zaczęła się palić izolacja.

    Miedź ma opór 17µOm*mm, ciepło właściwe 0.8cal/cm³/stopieńC=3.3mJ/mm³/stopieńC, więc przy gęstości
    prądu 12A/mm² będzie się nagrzewać około 0.8 stopniaC/sekundę - możesz taki prąd włączyć na minutę.

    Kolejna rzecz do policzenia, to długość drutu - powinna być taka, by napięcie zasilania podzielone przez nią
    dawało gęstość prądu razy opór miedzi - czyli: U/L = 204µV/mm = 204mV/m (to przy zasilaniu prądem stałym,
    zmiennym, jeśli tylko jest to możliwe, nie warto, bo wyjdzie z tego grzałka o dużej mocy), może zasilać to z 24V?
    wtedy cewka powinna mieć 118m drutu; długość zwoju będzie od 104mm do 144mm, więc średnio 124mm - to
    daje około 950 zwojów, jak się da, to lepiej obniżyć napięcie, i mieć mniej zwojów do nawijania. Uwaga: to 950
    zwojów wypada na rdzeń, a będą po dwie cewki, więc każda 475 zwojów, i prąd około 1A.

    Przy pełnej prędkości obrotowej (zakładam, że to będzie 50 obrotów/sekundę) średnia prędkość ruchu tarczy
    będzie 25m/s, co w polu 1.2T da pole elektryczne 30V/m = 1.2V/4cm, i prądy wirowe będą z kilkadziesiąt kA.
    Pewnie warto zrobić jeszcze jedno obliczenie - za ile czasu tarcza aluminiowa zacznie się od nich topić. ;)

    Jeszcze jedna sprawa do uwzględnienia: takie duże prądy wirowe nie popłyną, bo już znacznie mniejsze
    zniekształcą pole magnetyczne, "wyciągając" je poza bieguny rdzenia; to ograniczy wielkość tych prądów
    do porównywalnych z prądem, jaki płynie w cewce - czyli około 1kA, i pewnie siła będzie około 50N.
    Zależność proporcjonalna siły od obrotów jest tylko dla małych obrotów, potem siła robi się stała. :(

    0
  • #5 24 Lut 2008 10:52
    ld84
    Poziom 10  

    Bardzo dziękuję za pomoc:) teraz muszę uporać się z tym, jak zapewnić stabilne warunki termiczne dla belki tensometrycznej , bo może wyjść z tego niezły termometr ;/

    0
  • #6 09 Paź 2009 20:31
    kubano321
    Poziom 10  

    Witam. Jako ze buduję taki sam hamulec. Potrzebuje także elektromagnesu ale nie wiem jak zrobić aby nie grzał się tak strasznie (czy to sam opór przewodnika daje takie ciepło?). Ile będzie to brało energii w Watach- taki jeden elektromagnes jak pisał założyciel tego tematu?

    0
  • #7 09 Paź 2009 22:57
    J. Kleban
    Poziom 25  

    tarcza musi byc segmentowa bo innaczej slabo taki hamulec bedzie dzialal.

    Nie lepiej uzyc tarczy i szczek hamulca rowerowego i jednej mocnej cewki (silownika)ktory zacisnie szczeki ?
    Pewniejsze hamowanie i mniej energii elektrycznej na zatrzymanie (zatrzymanie calkowite )

    Dodano po 1 [godziny] 28 [minuty]:

    tak w ogole to ma to byc do hamowania silnika czy do pomiarow ?

    0
  • #8 09 Paź 2009 23:03
    _jta_
    Specjalista elektronik

    Kiedyś w drukarkach był magnetyczny hamulec do zatrzymywania bębna (plus sprzęgło do napędzania)
    - ciężar kilkadziesiąt kg, 5 obrotów na sekundę, droga hamowania/przyspieszania rzędu stopnia kątowego.

    0
  • #9 13 Paź 2009 22:21
    kubano321
    Poziom 10  

    Mam jeszcze takie pytanie czysto techniczne. Jak zrobić aby elektromagnes mógł być włączony na długi czas 1-2h i się nie spalił/stopił?. Opornik jakiś bo jestem zielony a trochę się fizyką interesuje.

    0
  • #10 13 Paź 2009 22:25
    _jta_
    Specjalista elektronik

    Należy odpowiednio dobrać prąd, który przez niego płynie, do warunków chłodzenia - poszukaj,
    jak się oblicza transformatory (podawałem na forum), dopuszczalny prąd też tam powinien być.
    Jak już będziesz wiedział, jaki może być prąd, to możesz dobrać np. żarówkę, by go ograniczać.

    0
  • #11 19 Paź 2009 21:27
    kubano321
    Poziom 10  

    Mam już wszystkie prawie wszystkie rzeczy do mojego hamulca. Kupiłem aluminiową tarczę która ma aktualnie wymiary:
    Fi 200mm
    Grubość 40mm

    Jak duży musiał by być elektromagnes aby ją choć trochę hamował???
    Mogę ją zmniejszyć nie ma problemu.

    0
  • #12 19 Paź 2009 23:21
    _jta_
    Specjalista elektronik

    Prawdopodobnie nie zrobisz elektromagnesu dającego pole silniejsze, niż 2T; do tego prąd uzwojenia
    (iloczyn prądu w przewodzie i ilości zwojów) powinien, przy grubości 40mm (4cm) być 64000A... żeby
    taki prąd mógł płynąć stale i nie przegrzać uzwojenia, powinno mieć przekrój kilkuset cm2. Pole około
    2 razy słabsze (dające 4 razy mniejsze hamowanie) można uzyskać z magnesów "neodymowych", ale
    musiałyby być kilka razy większe od tarczy; przykładając do niej magnesy o grubości 2cm z obu stron
    i łącząc ich zewnętrzne bieguny obejmą z żelaza możesz uzyskać pole około 0.6T - a więc 9% siły,
    jaką da mocny elektromagnes - może zacznij od próby z takimi magnesami i zobacz, ile to jest?

    Można też wyliczyć siłę - wzór prawie daje się odgadnąć z jednostek wielkości, które występują:
    siła hamowania jest wprost proporcjonalna do B^2, B jest w T=V*s/m^2; wprost proporcjonalna
    do prędkości v, v jest w m/s; i odwrotnie proporcjonalna do oporności właściwej przewodnika ro,
    ro jest w V*m/A; v*B^2/ro jest w (V^2*s^2/m^4)*(m/s)*(A/(V*m))=V*A*s/m^4, jednostką siły jest
    N=J/m, J=V*A*s, więc v*B^2/ro trzeba pomnożyć przez m^3 (objętość), aby wyszła jednostka siły.
    Można przyjąć dla uproszczenia, że siła=objętość*v*B^2/(2*ro), objętość to grubość przewodnika
    * powierzchnia bieguna magnesu, jeśli grubość jest mniejsza od rozmiarów bieguna magnesu.
    Siła zależy jeszcze od kształtu bieguna - współczynnik 1/2 jest dla okrągłego, dla wydłużonego
    prostopadle do kierunku ruchu będzie większy (ale mniejszy od 1), a równolegle - mniejszy.

    0
  • #14 21 Paź 2009 21:25
    _jta_
    Specjalista elektronik

    To takie samo pole uzyskasz przy użyciu 2 razy mniejszego prądu, albo 2 razy cieńszych magnesów.

    0
  • #15 21 Paź 2009 22:23
    kubano321
    Poziom 10  

    Nie musi hamować bardzo mocno chodzi o to żeby był jaki kolwiek opór magnetyczny i żeby miał co rozpędzać trenując na rowerze.
    Tak mniej więcej jakiej wielkości był by elektromagnes do tego hamulca potrzebny? Bo nie wiem czy jestem w stanie go wykonać.

    0
  • #16 21 Paź 2009 22:40
    _jta_
    Specjalista elektronik

    Masz wzór, to policz, jaka siła hamowania wychodzi. Może lepiej magnes stały, niż elektromagnes? nie pobiera prądu. ;)

    0
  • #17 21 Paź 2009 23:46
    J. Kleban
    Poziom 25  

    A nie lepiej byloby zainstalowac mala pradnice i zwiekszajac jej obciazenie zwiekszac opor rowerka , a przy okazji mozna sobie naladowac komorke .

    Dodano po 1 [minuty]:

    Zamiast zuzywac energie elektryczna to troszke jej wyprodukowac aby energia miesni nie byla marnowana i elektryczna przy okazji.

    0
  • #18 22 Paź 2009 00:41
    _jta_
    Specjalista elektronik

    Z pewnością lepiej, tylko może nie całkiem małą - jeśli to ma być porządny trening, to parędziesiąt watów nie zawadzi. Może mały alternator?

    0
  • #19 22 Paź 2009 01:14
    J. Kleban
    Poziom 25  

    Tak szczerze mowiac to niektore wieksze silownie moglyby nie tylko miec wlasna energie elektryczna ale i ja sprzedawac. :-)
    Ile to energii sie marnuje !

    0
  • #20 22 Paź 2009 01:39
    _jta_
    Specjalista elektronik

    Myślisz, że jakby użyć do oświetlenia sali żarówek enegooszczędnych, to przy intensywnym treningu można by je zasilić, i jeszcze by była nadwyżka? ;)

    0
  • #21 22 Paź 2009 02:17
    J. Kleban
    Poziom 25  

    Jesli intensywny trening to 300-400 W :-). Nad jednym stanowiskiem wystarczy zwykla zarowka 60W (nie musi to byc swietlowka 60 W) , a nadwyzka do sieci , oczywiscie przy odpowiedniej frekwencji na silowni.
    Chociaz co do emisji CO2 i innych gazow nie bylbym optymista i dodalbym 30 W na wentylacje. :-)

    Dodano po 2 [minuty]:

    :-)
    Ale to moglby byc tez trick reklamowy "cwiczac ladujesz jednoczesnie komorke"

    Dodano po 5 [minuty]:

    Dla zawodowcow znizka 30% :-)

    Dodano po 9 [minuty]:

    Zwykla zarowk bylaby lepsza dlatego ze mniej reaguje na spadki napiecia , a takze ze nie popieram swietlowek . :-)

    0
  • #22 22 Paź 2009 10:37
    _jta_
    Specjalista elektronik

    300-400W to wchodzenie po schodach o piętro w ciągu 5 sekund - może spróbuj szybko wejść 10 pięter i zmierz czas?

    Ale nawet przy 300W z każdego stanowiska dochód ze sprzedaży energii raczej nie wystarczy na pokrycie kosztów lokalu
    - chyba. żeby urządzić taką siłownię pod namiotem - mogłaby być reklama "jak ostro ćwiczysz, to dostajesz zwrot opłaty".

    0
  • #23 22 Paź 2009 17:17
    kubano321
    Poziom 10  

    Może ci mi podać jakieś orientacyjne wymiary elelktromagnesu i napiecia oraz natężenia żeby to hamowało jako tako. Tarczę już mam fi 200mm i 40mm grubości. Oczywiście będę musiał odciąć z niej jeszcze kawał tylko nie wiem jaką na ile. Na 2cm grubości na 1cm? Nie ma pojęcia a nie chce jej spieprzyć bo kosztowała 65zł.
    Jaką moc w Watach taki elektromages pobiera. To się liczy zwykłym wzorem na moc?

    Czy magnes neodymowy nie da lepszej siły hamowania tarczy?. Np. taki widziałem za 45zł i podnosi 55kg blachy 10mm. Chyba nie zrobie za tą kasę mocniejszego lektromagnsu (to znaczy podnoszącego więcej)

    0
  • #24 22 Paź 2009 19:34
    _jta_
    Specjalista elektronik

    1mm grubości magnesu neodymowego odpowiada prądowi około 800A (prąd razy ilość zwojów); "około", bo jeszcze zależy, z jakiego materiału ten magnes;
    przekrój uzwojenia, przez jaki można przepuścić taki prąd, zależy od warunków chłodzenia, zwykle się przyjmuje nie więcej, niż 2A/mm2 dla dużych uzwojeń
    bez sztucznego chłodzenia (np. szpary między zwojami i wentylator, który do nich dmucha) - to daje 4cm2 miedzi w uzwojeniu za 1mm grubości magnesu.

    Im bardziej nierównomierne pole, tym silniejsze hamowanie: jak cena magnesu ma być z grubsza proporcjonalna do wagi (czy objętości), to lepiej użyć
    kilku mniejszych, umieszczonych w różnych miejscach, niż jednego dużego - o ile te mniejsze nie są mniejsze od grubości tarczy, którą hamujesz.

    Lepiej byłoby użyć tarczy miedzianej, a nie aluminiowej - takie samo przewodnictwo przy półtora raza mniejszej grubości - więc półtora raza cieńszy magnes
    wytworzy takie samo pole. Zresztą policz siłę hamowania dla różnych wersji, masz przecież wzory, podałem 19 Paź 2009 23:21

    0
  • #25 23 Paź 2009 17:44
    kubano321
    Poziom 10  

    Nawet jeśli policzę siłę hamowania to skąd mam wiedzieć ile tej siły potrzeba na zahamowanie tarczy?

    Czyli mam sobie tarczę 2cm i duży magnes neodymowy o grubości 50mm co daje (50*800A= 4000A). Objętość tej tarczy wyniesie wtedy ok. 628cm2. Tarcza będzie się kręcić ok. 50obr/s

    0
  • #26 26 Paź 2009 13:57
    _jta_
    Specjalista elektronik

    Dla magnesu neodymowego pole magnetyczne jest z grubsza proporcjonalne do grubości magnesu tylko kiedy magnes jest dużo cieńszy od tarczy;
    dokładniejszy wzór: pole = Mr*suma_grubości_magnesów/(suma_grubości_magnesów+grubość_tarczy), gdzie Mr jest parametrem magnesu,
    dla magnesów neodymowych ma wartości od 1.0 do 1.4T (według http://en.wikipedia.org/wiki/Neodymium_magnet).

    Siła hamowania jest proporcjonalne do prędkości ruchu, więc nie ma możliwości zahamowania (takiego żeby prędkość zmalała do zera);
    można natomiast określić, jaki będzie czas, w którym prędkość obrotowa będzie malała e-krotnie - dla ruchu liniowego to by było F=-C*v
    (gdzie C do wyliczenia, minus bo to siła hamowania), i F=m*a (zasada dynamiki), stąd m*a=C*v, m*dv/dt=-C*v, i wyjdzie v=v0*exp(-C*t/m),
    czyli prędkość zmaleje e-krotnie w czasie m/C. Dla ruchu obrotowego będzie potrzebny moment bezwładności I, i odległość magnesu
    od osi obrotu r: I*dω/dt=r*F, F=-C*v=-C*r*ω, I*dω/dt=-C*r^2*ω, i wyjdzie ω=ω0*exp(-C*r^2*t/I); ω to prędkość obrotu.

    Aha, wygląda na to, że użycie kilku mniejszych magnesów zamiast jednego dużego poprawia sytuację tylko na takiej zasadzie,
    że mniejsze mogą być bliżej brzegu tarczy (magnes nie powinien wystawać poza tarczę, a nawet kawałek tarczy powinien
    wystawać poza magnes - inaczej hamowanie jest słabsze), więc r, które występuje w tym wzorze, może być większe.

    I jeszcze jedno: do siły wchodzi nie objętość tarczy, a objętość tej jej części, w której jest pole magnetyczne - czyli powierzchnia bieguna
    magnesu razy grubość tarczy. To pole nie może sięgać osi, inaczej hamowanie będzie słabsze (część magnesu wystająca poza oś działa
    odwrotnie - zmniejsza hamowanie reszty, i w szczególności magnes umieszczony na osi nie daje żadnego hamowania).

    0
  • #27 26 Paź 2009 18:47
    kubano321
    Poziom 10  

    A jeśli nasz elektromagnes ustawię tak jak na obrazku poniżej???
    Jak dobrać parametry elektromagnesu?

    0
  • #28 26 Paź 2009 19:09
    _jta_
    Specjalista elektronik

    Właśnie tak należy go ustawić.

    0
  • #29 28 Paź 2009 09:29
    kubano321
    Poziom 10  

    Czy grubość tarczy ma wpływ na hamowanie? Jest to jakoś proporcjonalne?
    Pytałem się nauczycielki od fizyki która też nie bardzo się orientuje i powiedziała że: "Być może w cieńszej tarczy energi cieplnej będzie mniej a więcej jej będzie na hamowanie, mniej jest materiału do ogrzania"
    Autor tego tematu pisał coś o zamontowaniu tarczy ze stali dla zamknięcia obwodu magnetycznego. Czy to bardziej skupi pole w jednym miejscu?

    Czy jeśli szczelina będzie miał łącznie 2mm (po każdej stronie tarczy 1mm) to będzie dobrze. Z tego co w tym temacie pisze im mniejsza szczelina tym pola jest lepiej wykorzystane.

    0
  • #30 28 Paź 2009 13:29
    _jta_
    Specjalista elektronik

    :arrow: https://www.elektroda.pl/rtvforum/viewtopic.php?p=7150407#7150407 _jta_ 19 Paź 2009 22:21

    Cytat:
    Można przyjąć dla uproszczenia, że siła=objętość*v*B^2/(2*ro), objętość to grubość przewodnika
    * powierzchnia bieguna magnesu, jeśli grubość jest mniejsza od rozmiarów bieguna magnesu.

    Osobna sprawa jest taka, że im większa grubość tarczy (+ szczeliny), tym trudniej wytworzyć takie
    samo pole magnetyczne - dla słabego źródła jest odwrotnie proporcjonalne do grubości tarczy.
    Z tego wynika, że źródło pola magnetycznego i grubość tarczy muszą być do siebie dobrane.

    Można jeszcze inaczej: w tarczy wywiercić otwory (dość gęsto), i powkładać w nie rdzenie z żelaza.
    Siła hamowania jest z grubsza niezależna od średnicy otworów, natomiast zależy od stosunku ich
    odstępów do średnicy - jakiś jest optymalny, i to zależy od właściwości źródła pola magnetycznego.

    0