Đề tài Nghiên cứu thiết kế phần mềm trợ giúp chế tạo phần mềm trợ cảm (Phần 1)

Nội dung text: Đề tài Nghiên cứu thiết kế phần mềm trợ giúp chế tạo phần mềm trợ cảm (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ PHẦN MỀM TRỢ GIÚP CHẾ TẠO PHẦN MỀM TRỢ CẢM S K C 0 0 0 2 8 1 MÃ SỐ: T2009 - 07 S K C 0 0 3 2 8 8 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2009
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH  ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ PHẦN MỀM TRỢ GIÚP CHẾ TẠO PHẦN TỬ ĐIỆN CẢM MÃ SỐ: T2009-07 THUỘC NHĨM NGÀNH: KHOA HỌC KỸ THUẬT NGƯỜI CHỦ TRÌ: ĐẬU TRỌNG HIỂN ĐƠN VỊ: KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TP. HỒ CHÍ MINH – 8/2009
3. Trang 1 PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ I. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU Đề tài nghiên cứu phương thức và mối quan hệ giữa các thành phần trong cuộn dây từ đĩ hỗ trợ tính tốn cũng như thiết kế cuộn dây phục vụ sinh viên, kỹ sư ngành điện, điều khiển tự động, cơ điện tử. II. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƢỚC Đã cĩ một số phần mềm tính tốn phần tử điện cảm nhưng cịn đơn giản chưa đáp ứng tốt được nhu cầu thực tế. III. NHỮNG VẤN ĐỀ CỊN TỒN TẠI Phần tử điện cảm là phần tử quan trọng trong mạch điện, đặc biệt trong ngành viễn thông. Hiện nay thị trường không có bán sẵn linh kiện này nên các kỹ sư cũng như sinh viên khi thiết kế thi công mạch đều phải mày mò tự chế tạo phần tử này. Công việc chế tạo này đòi hỏi phài tính toán phức tạp vì vậy việc thiết kế xây dựng phần mềmtrợ giúp chế tạo phần tử điện cảm là rất cần thiết
4. Trang 2 PHẦN II: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I) MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu thiết kế phần mềm hỗ trợ chế tạo phần tử điện cảm như tính toán số vòng dây, vật liệu chế tạo lõi, hình dáng, đường kính vòng dây . II) PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu tính chất, đặc tính của phần tử điện cảm và các phương tình tốn học liên quan. Từ đĩ đưa ra các giải thuật tính tốn phù hợp. III) NỘI DUNG 1. Các tính chất và vật liệu từ 1.1 cuộn dây một lớp Cuộn dây một lớp cĩ hai thuận lợi. Thứ nhất nĩ khơng bị tổn hao lõi sắt và phi tuyến. Thứ hai, cuộn dây một lớp cĩ điện dung ký sinh thấp vì vậy tần số tự cộng hưởng rất cao. Loại cuộn cảm này thường được sử dụng với tần số trên 3Mhz. Một cách tương đối chúng ta cĩ thể tính tốn điện cảm của cuộn dây theo biểu thức sau: L = 0.001 N2r2 / (228r + 254l) Trong đĩ L(H): cảm kháng , r(m): bán kính cuộn dây, l(m): chiều dài cuộn dây, N: số vịng cuộn dây. Cơng thức này áp dụng cho tần số thấp. Tại tần số đủ cao xảy ra hiệu ứng da thì suy giảm 2%. Chúng ta cĩ thể làm suy giảm cảm kháng bằng cách kéo các vịng dây xa nhau một chút. Điều này cũng ảnh hưởng tới tần số cộng hưởng riêng của
5. Trang 3 cuộn dây. Đây cũng chính là khuyết điểm khi ta cần một cuộn dây cĩ cảm kháng ổn định. Để khắc phục khuyết điểm này sau khi thực hiện xong cuộn dây và cân chỉnh được giá trị phù hợp ta đổ sáp lên cuộn dây để cố định khoảng cách giữa các vịng dây. 1.2 Cuộn dây đa lớp Hình dưới đây mơ tả cuộn dây đa lớp. Kiểu cuộn dây này rất phổ biến vì nĩ cĩ thể dễ dàng được quấn bởi máy quấn dây kết hợp với một cái lõi quấn. Điều quan trọng ở đây là kiểu hình dạng nào của cuộn dây cho hiệu quả cao nhất. Tỉ số giữa độ dày và chiều dài cuộn dây c/b gần bằng 1. Vì thế cuộn dây cĩ phần giao nhau theo hình vuơng. Bởi vì hình vuơng sẽ giữ các vịng dây gần nhau để duy trì hệ số ghép từ tính.
6. Trang 4 Trong hình 2 chúng ta thấy 3 cuộn dây theo mặt cắt phần giao nhau. Mỗi cuộn dây đều cĩ chung chiều dài nhưng đường kính cuộn dây thì khác nhau. Cảm kháng của một vịng dây tỉ lệ tuyến tính với đường kính của nĩ. Vì thế chúng ta muốn đường kính cuộn dây lớn để đạt được cảm kháng lớn. Và chúng ta cũng cần các vịng dây này gần nhau. Cuộn dây phía bên trái thỏa mãn được điều này, nhưng vấn đề ở đây là chúng ta sẽ khơng đủ dây để quấn nhiều vịng. 2 Ta đặt S1 = (c/2a) thì cảm kháng được tính như sau: -7 2 L = 4×10 πa N ((0.5+S1/12)ln(8/S1) -0.84834+0.2041S1) Trong đĩ bán kính cuộn dây đo bằng mm. Nếu chúng ta sử dụng phương pháp Brooks để quấn cuộn dây thì ta cĩ thể tính cảm kháng theo cơng thức sau: L = 1.6994×10-6aN2 henrys 1.3 Mật độ từ thơng trong cuộn dây cĩ lõi khơng khí Ở một vài ứngdụng cuộn dây được sử dụng để tạo ra một khoảng khơng gian cĩ mật độ từ thơng xác định chẳng hạn như cuộn lái ngang và lái dọc trong ống tia cathode để điều khiển chùm tia. Khi chúng ta xác định được từ trường xung quanh cuơn dây chúng ta cĩ thể tính được cảm kháng cuộn dây.
7. Trang 5 Phương trình Biot-Savart: 2 dB = μ0 I ds sinθ / (4π r ) teslas Biot-Savart equation 1.4 Mối quan hệ giữa các đại lƣợng từ hĩa Magnetic quantities in the SI Quantity Quantity Quantity Quantity name symbol name symbol coercivity Hc core factor Σl/A effective area Ae effective length le effective permeability μe flux linkage λ induced voltage e inductance L inductance factor Al initial permeability μi intensity of magnetic field I H magnetization strength magnetic flux magnetic flux Φ B density magnetic mass χρ magnetic moment m susceptibility magnetic magnetic polarization J χ susceptibility magnetomotive magnetization M Fm force
8. Trang 6 permeability of permeability μ μ0 vacuum relative permeability μr reluctance Rm remnance Br Chúng ta lấy ví dụ cuộn “toroid” dƣới đây để tính tốn: Data for approved toroid Parameter Symbol Value -3 Effective magnetic path length le 27.6×10 m -6 2 Effective core area Ae 19.4×10 m Relative permeability μr 2490 Inductance factor Al 2200 nH saturation flux density Bsat 360 mT Giả sử ta muốn tính cảm kháng cuộn dây trong trường hợp số vịng dây là 2: -3 -6 -1 Σl/A = le / Ae = 27.6×10 / 19.4×10 = 1420 m -6 -3 -1 μ = μ0 × μr = 1.257×10 × 2490 = 3.13×10 Hm -3 5 -1 Rm = (Σl/A) / μ = 1420 / 3.13×10 = 4.55×10 A-t Wb 9 9 5 2 Al = 10 / Rm = 10 / 4.55×10 = 2200 nH per turn
9. Trang 7 1.5 đƣờng cong từ hĩa Đường cong từ hĩa biểu diễn mối quan hệ giữa B và H: 1.6 Vật liệu sắt từ Điều quan trọng nhất của vật liệu từ chính là tính sắt từ.