¿Cómo optimizar la selección del calibre de los cables para las aplicaciones electromagnéticas?

Question

Descargo de responsabilidad: Aficionado "maker" con experiencia limitada y sin formación relevante. Por favor, sea considerado y responda con detalle. Siéntase libre de pasar a la "Pregunta".

Contexto

Tengo la intención de construir un solenoide simple sin otra razón que mi propio interés. Una revisión básica de la teoría me llevó a la ecuación B = IN/L por lo que B = Field Strength , = Magnetic Permeability , I = Current , N = Coil Turns y L = Coil Length . Por la razón que sea, mi primera observación fue que seguramente había una optimización que resolver en la selección del calibre del cable, ya que un aumento de la sección transversal del cable aumentaría su disponibilidad. Current Capacity (I) pero disminuye el Coil Turns (N) a lo largo de una longitud constante. Entonces me detuve sin intentar ningún cálculo ya que I siendo proporcional al área de la sección transversal de un cable (en términos de Ampacidad) y N siendo una relación de primer orden, parecía lógico que el "Cuanto más grande sea el cable mejor, los giros no importan tanto" ... esto no puede ser correcto. Lo que me confundió aún más fue investigar el consumo de corriente de los motores BLDC comerciales, sean del tamaño que sean, y observar que su amperaje era seguramente superior al que suelen soportar los calibres de los cables utilizados para los estatores. ¿Tiene algo que ver con la conducción de CA? Me siento confundido.

Pregunta

• ¿Cuál es el enfoque de diseño óptimo para seleccionar el calibre de los cables de las bobinas electromagnéticas de una longitud y un diámetro determinados?
• ¿Qué factores son los más importantes a tener en cuenta?
• ¿Hay convenciones o normas que deba conocer?

Answer 1

El número de vueltas y la corriente son variables que dependen de los objetivos del diseño. Sin embargo, hay es una optimización que se puede tener en términos de geometría. Una "bobina de Brooks" es una bobina con una sección transversal cuadrada y un radio interior de la misma dimensión que un lado de la sección transversal cuadrada. (de www.circuits.dk )

La bobina de Brooks tiene la propiedad de maximizar el flujo magnético para una longitud de cable determinada.

Answer 2

No hay un "óptimo", sino un compromiso. Un cable de menor sección permitirá más vueltas pero tendrá una mayor resistencia, lo que significa un mayor aumento de la temperatura. En última instancia, el factor limitante es la temperatura a la que falla el aislamiento del cable.

¿Durante cuánto tiempo quiere que se active este solenoide? Para un uso a corto plazo de bajo ciclo de trabajo podría tolerar el aumento de temperatura. Por ejemplo, estoy trabajando con algunos solenoides de 12V en este momento. Consumen 20A y se calientan mucho si se dejan activados durante más de un par de minutos. Están destinados a desbloquear un mecanismo, por lo que esta limitación no es un problema.

Por el gusto de experimentar, te sugiero que elijas 2 o 3 diámetros de cable diferentes y enrolles tres solenoides. Vea cuál es el resultado y utilice esta información para guiar su próxima iteración.

Answer 3

Curiosamente, la elección del calibre del cable no es tan importante. Puedes diseñar todo el resto del sistema y luego elegir el calibre del cable en función de cómo quieras compensar la tensión y la corriente en cualquier nivel de potencia (P=VI).

Digamos que empiezas con algún sistema electromagnético que tiene una bobina hecha de cable AWG 21...

Se puede medir I amperios a V voltios alrededor de N vueltas, y se puede medir la resistencia DC de la bobina como R. La potencia perdida por el calor es I 2 R. El flujo es proporcional a IN.

Mantenga todas las dimensiones iguales, pero cambie a AWG 24 o así (finja que es exactamente la mitad del área de la sección transversal), Ahora:

• El número de vueltas de la bobina puede duplicarse hasta 2N, porque la sección transversal del cable se reduce a la mitad.
• La resistencia de CC aumenta a 4R, porque es proporcional a las vueltas/área.
• La corriente necesaria para conseguir el mismo flujo se reduce a la mitad, a I/2, porque I/2 * 2N = IN
• La tensión necesaria para conseguir ese flujo se duplica a 2V, porque el EMF magnético es proporcional a las vueltas, y (I/2)*(4R) = 2IR.
• La potencia de entrada se mantiene exactamente igual: 2V*I/2 = VI
• La potencia perdida por el calor sigue siendo exactamente la misma: (I/2) 2 *4R = I 2 R

Así que tras cambiar el calibre del cable, las capacidades y la eficiencia del sistema no cambian. Sólo hemos cambiado su tensión de funcionamiento y su corriente de funcionamiento en proporciones inversas.

Las capacidades del sistema dependen del forma de la bobina y otros componentes, el densidad de corriente en la bobina y el material de la que está hecha la bobina. (las pérdidas de calor son K * densidad_de_corriente * volumen_de_bobina, para una constante K que depende del material)