Выбор материала и конструктивных форм коммутирующих контактов реле тока с клапанной магнитной системой. Определение размеров основных элементов магнитопровода и обмоточного пространства. Расчет коэффициентов рассеяния и построение тяговых характеристик.
Аннотация к работе
По величине коммутирующей мощности контакта выбираем средненагруженные контакты, коммутирующие электрические цепи с током, при котором уже возникает электрическая дуга, но еще не происходит оплавления и разбрызгивания металла контакта. Конструктивный фактор для электромагнитов постоянного тока определен по формуле: где - начальное тяговое усилие, развиваемое электромагнитом, принимается равной начальной противодействующей силе, приведенной к рабочему воздушному зазору, Н; расчетная электромагнитная сила (для электромагнитов клапанного типа), при которой срабатывает электромагнит, принимается равной начальной противодействующей силе, приведенной к рабочему воздушному зазору, Н; Производная проводимости[1]: Магнитная проводимость воздушных промежутков в месте сочленения сердечника и ярма (Рисунок 5.3): Рисунок 5.3 - Эскиз к расчету магнитной проводимость воздушных промежутков в месте сочленения сердечника и ярма диаметр сердечника магнитопровода диаметр посадки зазор в месте сочленения скобы и сердечника толщина скобы. где - диаметр посадки, м; с учетом обеспечения жесткости крепления принимаем dп.=0,3 0,024=0,0072,(м); угол, характеризующий конструктивную изменяющуюся часть нерабочего воздушного зазора, Удельная магнитная проводимость потока рассеяния, отнесенная к единице длины участка при равномерно распределенной по сердечнику намагничивающей силе [1]: Суммарная магнитная проводимость между якорем и сердечником: Суммарная магнитная проводимость воздушных зазоров и промежутков, расположенных со стороны якоря: Максимальный магнитный поток , разделяющий магнитную цепь на части, каждая из которых содержит воздушный зазор (рисунок 5.6): Рисунок 5.
Введение
Целью данной курсовой работы было более глубокое освоение основных разделов теоретического курса «Электрические аппараты», применение полученных теоретических знаний для решения конкретных практических задач, привитие навыков самостоятельного мышления, умелого использования справочной, учебной и нормативной литературы.
Выполнение курсовой работы являлась инженерной комплексной задачей, которая требовала понимания зависимостей между основными параметрами аппарата, его характеристиками, конструкцией и размерами.
Конструирование электрического аппарата представляло собой решение задачи со многими неизвестными. Вследствие этого приходилось задаваться некоторыми параметрами, вводить ограничения, упрощения и допущения. В расчетной работе нужно было руководствоваться как общими положениями теории, так и практическими примерами, при этом сочетая физические законы и опытные данные, полученные при разработке, изготовлении и испытании сходных аппаратов. Учтено, что многие расчетные формулы основаны на приближенных опытных зависимостях.
Применяя расчетную формулу, было необходимо ясно представлять физику явлений, описываемую формулой. При использовании эмпирических формул необходимо было помнить, что они базируются на ограниченных экспериментальных данных, поэтому область их применения не может быть шире пределов, в которых велись наблюдения.
1. Исходные данные
Номинальный ток катушки Ін 5 A Ток срабатывания Ісрб 5,5 А Воздушный зазор при отпущенном якоре ? 0.005 м
Приведенная начальная противодействующая сила F’махнач 2,15 H
Номинальный ток контакта Ін.к. 26,2 А Номинальное напряжение коммутирующей цепи Uн.к. 24 В
Тип аппарата Реле тока
Магнитная система Клапанная
Род тока постоянный
Режим работы длительный
2. Эскиз разрабатываемого аппарата
1 - подвижный контакт
2 - неподвижный контакт
3 - сердечник
4 - катушка
5 - ярмо
6- якорь
3. Расчет коммутирующих контактов
3.1 Выбор материала и конструктивных форм коммутирующих контактов
Общие требования, предъявляемые к свойствам материалов коммутирующих контактов: 1. низкое удельное и контактное переходное электрическое сопротивление, 2. высокие теплопроводность, теплоемкость и температура плавления, 3. высокая стойкость против коррозии, эрозии и сваривания, 4. высокая твердость, 5. хорошие технологические свойства.
Материал контакта должен обладать высокой электропроводностью для уменьшения потерь мощности в замкнутом состоянии, уменьшения нагрева контактов и устранения опасности их приваривания.
По величине коммутирующей мощности контакта выбираем средненагруженные контакты, коммутирующие электрические цепи с током, при котором уже возникает электрическая дуга, но еще не происходит оплавления и разбрызгивания металла контакта.
Для контактов работающих при токах ( ), одним из наиболее подходящих будет являться сплав: серебро - окись кадмия.
Материал серебро-окись кадмия при коммутации индуктивных нагрузок существенно более устойчив к механическому износу и оплавлению, чем чистое серебро. Композиция отличается высокой проводимостью и теплопроводностью и низким устойчивым контактным сопротивлением. Контакты из серебра и окиси кадмия надежны в работе при повышенных токовых нагрузках и небольших контактных нажатиях (1,5-10 Н), так как на их поверхности не образуются непроводящие окисные пленки, требующие для их разрушения высоких контактных давлений. Они стойки к привариванию и обладают повышенной дугостойкостью.
При номинальном токе =26,2 А целесообразно применять линейные (полусферические) контакты. Узкая площадка линейного контакта создает хорошие условия для стирания окислов, пыли и продуктов разрушения металла дугой в процессе скольжения одного контакта по другому.
3.2 Расчет сильноточных коммутирующих контактов
3.2.1 Определение основных размеров
Основные размеры контактов определяются из следующих соотношений: Сечение прямоугольной шины определено по выражению:
где - номинальный ток контакта;
- ширина и толщина прямоугольной части шины;
- удельное сопротивление материала контакта при рабочей температуре ;
здесь - удельное электрическое сопротивление материала шины при
- температурный коэффициент электрического сопротивления материала контактов;
- наибольшая допустимая температура нагрева материала;
- коэффициент добавочных потерь;
- удельный коэффициент теплоотдачи с поверхности токоподводящих проводников при естественном движении воздуха для шины прямоугольного сечения;
- допустимое превышение температуры тела контакта;
Ширина шины:
где - коэффициент, характеризующий соотношение ширины и толщины шины;
Ширину шины на основе наших данных выбираем по ГОСТУ:
3.2.2 Параметры контактов
Сила нажатия одноточных контактов , необходимая для того, чтобы температура на поверхности контактов не превышала допустимую, рассчитана по формуле:
где - число Лоренца;
- твердость по Виккерсу;
- коэффициент удельной теплопроводности;
- температура металла тела контакта;
здесь - температура окружающей среды;
- температура точки касания;
Таким образом, подставив все данные получено значение :
Полная конечная сила нажатия, приложенная к контактам:
где - число контактных площадок, характеризующих форму контактной поверхности (при плоскостном контакте );
Найденное значение силы должно быть не ниже норм, установившихся на практике:
где - величина удельного нажатия;
Из неравенства видно, что условие выполнено.
Величина начального нажатия:
Принято
Переходное сопротивление сильноточных коммутирующих контактов определяется сопротивлением стягиванием линий тока в площадках соприкосновения и соприкосновением пленок и загрязнений на поверхности контактов [1].
Переходное сопротивление определено как:
где - коэффициент, учитывающий материал и состояние поверхности контакта;
- коэффициент, учитывающий уменьшение температуры по мере ее удаления от площадок касания;
- температурный коэффициент электрического сопротивления материала контактов;
- допустимая температура материала контактов;
- коэффициент формы контактной поверхности: для плоскостного контакта: . Принято ;
Подставив численные значения, получено численное значение переходного сопротивления:
Падение напряжения в переходном сопротивлении коммутирующих контактов:
При этом должно выполняться условие , где - напряжение рекристаллизации для серебра.
Так как , следовательно, в нашем случае условие выполнено.
3.3 Ток сваривания
3.3.1 Начальный ток сваривания коммутирующих контактов
Начальный ток сваривания коммутирующих контактов на стадии предварительного расчета определен по силе нажатия:
где - эмпирический коэффициент, учитывающий физические свойства материала контакта и его тип.
Для серебряных плоскостных контактов, со временем импульса тока : , тогда
Значение начального тока сваривания должно быть на порядок больше предельного значения тока, отключаемого аппаратом, .
Следовательно, в нашем случае условие выполнено.
3.4 Раствор и провал контактов
Раствор для мостикового контакта (реле) с двумя разрывами принимают 3 - 5 мм на каждый разрыв. Уменьшение величины раствора обычно не делается, т.к. погрешности при изготовлении могут существенно повлиять на величину раствора.
Принять величину раствора равную 3 мм.
Имея величину номинального тока , выбраны прямоугольные контактные накладки (Рис.3.1.) со следующими параметрами: - ширина контактных накладок; - длина;
Рисунок 3.1 - Контактные накладки
Величина провала определяется величиной максимального износа контактов. Для контактов с накладками - до полного износа накладок, полный износ - суммарная толщина накладок подвижного и неподвижного контактов.
Величина провала определена как: .
Провал и раствор определяют меру износа контактов и обеспечивают постоянное нажатие их в процессе износа.
Полное перемещение подвижного контакта равно сумме провала и раствора контактов и называется ходом контакта.
Величина полного перемещения равна .
3.5 Выбор дугогасительной системы
Дугогасительное устройство не применяется, так как напряжение коммутирующей цепи равно 24 В, то дуга не возникает.
4. Предварительный расчет электромагнита
При всем разнообразии встречающихся на практике электромагнитов они состоят из основных частей одинакового назначения: катушки с расположенной на ней намагничивающей обмоткой (может быть несколько катушек или несколько обмоток), неподвижной части магнитопровода, выполняемой из ферромагнитного материала (ярмо и сердечник) и подвижной части магнитопровода (якорь).
Намагничивающая обмотка служит для создания необходимого магнитного потока, который обусловливает перемещение подвижной части магнитопровода якоря.
Якорь отделен от остальных частей магнитопровода воздушными промежутками и представляет собой часть электромагнита, которая, воспринимая электромагнитное усилие, передает его соответствующим деталям приводимого в действие механизма.
Целью предварительного расчета является: • анализ конструктивной формы электромагнита, выбор материала магнитопровода и электромагнитных нагрузок;
• определение размеров элементов магнитопровода и обмоточного пространства;
• определение конструкционных размеров и обмоточных данных катушки, разработка эскиза электромагнита.
4.1 Выбор материала магнитопровода
Выбор того или иного материала определяется, с одной стороны, назначением магнитной системы, а с другой - магнитными свойствами материала. Для сплошных деталей круглого и прямоугольного сечения применяют горячекатанные стали. Нами выбрана сталь конструкционная марки 05 отожженная.
4.2 Выбор величины магнитной индукции
Индукцию в воздушном зазоре при отпущенном якоре обычно выбирают такой, чтобы при притянутом якоре максимальная индукция в сердечники в месте расположения максимального потока была бы у колена кривой намагничивания. При предварительном расчете размеров торца сердечника магнитопровода, величину индукции выбирают в зависимости от конструктивного фактора .
Конструктивный фактор для электромагнитов постоянного тока определен по формуле:
где - начальное тяговое усилие, развиваемое электромагнитом, принимается равной начальной противодействующей силе, приведенной к рабочему воздушному зазору, Н;
Практикой проектирования реле выработаны рекомендации по выбору величины индукции в рабочем зазоре при отпущенном якоре в зависимости от конструктивного фактора для наиболее распространенных электромагнитных систем электрических аппаратов длительного режима работы представлены в виде кривых оптимальных индукций.
Для КФ=1 ,в соответствии с методическими указаниями [1]:принято:
,Тл.
4.3 Определение размеров элементов магнитопровода и обмоточного пространства
4.3.1 Площадь сечения сердечника где - магнитная проницаемость воздуха;
- расчетная электромагнитная сила (для электромагнитов клапанного типа), при которой срабатывает электромагнит, принимается равной начальной противодействующей силе, приведенной к рабочему воздушному зазору, Н;
- индукция в рабочем зазоре при отпущенном якоре, Тл.
Принимаем , Тл.
Тогда,
4.3.2 Площадь сечения торца сердечника без полюсного наконечника где - количество воздушных зазоров ( = 1);
4.3.3 Диаметр круглого сердечника электромагнита постоянного тока где - сечение сердечника, принимают равным сечению торца сердечника ;
Размер выступающей из катушки части сердечника можно принять равным (0,2…0,5)dc.
Размер выступающей из катушки части сердечника равен
0,2 dc.=0,2 0,024=0,005 ,(м).
4.3.4 Величина намагничивающей силы обмотки электромагнита
Величина намагничивающей силы обмотки электромагнита постоянного тока, необходимая для срабатывания электромагнита, учитывающая падение магнитного потенциала: в рабочем зазоре, в нерабочих зазорах и остальных частях магнитопровода при отпущенном якоре определяется выражением:
где - магнитная проницаемость воздуха;
- воздушный зазор при отпущенном якоре, м.
=
4.3.5 Намагничивающая сила для катушки последовательного включения обмотки где Ісрб - ток срабатывания, А;
Тогда,
Намагничивающая сила, приходящаяся на один рабочий зазор, при отпущенном якоре:
4.3.6 Определение площади продольного сечения обмоточного пространства
Площадь поперечного сечения обмотки при предварительном расчете определена по уравнению, связывающему значение намагничивающей силы с размерами обмотки и допустимой плотностью тока, при заданном режиме работы.
где - коэффициент, характеризующий максимальное значение напряжения, при котором температура обмотки не должна превосходить допустимую, в наиболее распространенных случаях =1,05;
-коэффициент характеризующий минимально возможное напряжение, при котором величина намагничивающей силы срабатывания должна быть достаточной(0,6…0,9).Принято =0,6;
j - плотность тока в проводниках обмотки, ограниченная температурой нагрева, для длительного режима работы можно принять j = (2,0…4,0)106А/м2;
- коэффициент перегрузки по току, характеризующий нагрузочную способность токоведущей части аппарата, при продолжительном режиме = 1.
- коэффициент заполнения обмоточного пространства зависит от марки выбранного обмоточного провода, поэтому его можно рассматривать состоящим из трех коэффициентов .
Здесь - коэффициент формы сечения проводника: для прямоугольного ;
КН- коэффициент неравномерности намотки (укладки) (для прямоугольных );
Принято ;
- коэффициент изоляции;
Тогда .
В итоге площадь поперечного сечения обмоточного пространства будет равна
4.3.7 Высота и длина обмоточного пространства
Высота обмоточного пространства:
Длина обмоточного пространства:
где - относительная длина обмоточного пространства (по условиям отвода теплоты и приемлемой теплоемкости электромагнита целесообразно иметь = 4…7, увеличение приводит к уменьшению массы обмотки, увеличивая массу магнитопровода).
Принято: = 5,5, тогда
4.4 Определение конструкционных размеров и обмоточных данных катушки
Катушка должна обеспечивать необходимую намагничивающую силу срабатывания электромагнита, температура ее нагрева не должна быть выше предельно допустимой для принятого класса нагревостойкости изоляции [1].
Нами принята бескаркасная катушка цилиндрической формы, так как катушки именно такого исполнения благодаря своей простоте и технологичности более предпочтительны, они имеют хорошую механическую и химическую стойкость, обеспечивающуюся при инкапсуляции, создающей защитный слой вокруг обмотки, и имеют наибольшее распространение для электромагнита постоянного тока.
4.4.1 Определение размеров катушки электромагнита
Длина и высота обмотки при бескаркасной катушке: , , где -толщина щечек, при проектировании можно принять: при бескаркасной намотке щечки , (м). Принято: , (м), - толщина корпусной изоляции катушки, принимается равной (0,3…0,5) ,(м). Принято: =0,4 ,(м);
, -технологические припуски по длине и по высоте обмотки, соответственно, причем припуск по длине для бескаркасных катушек может быть обусловлен выпучивание на торцах покровной изоляции, наплывами пропиточного лака либо компаунда, а припуск по высоте учитывает выпучивание витков обмотки в средней по длине части катушки и наплывы.
Принять , м, ,м.
Принять ,м , ,м.
.
4.4.2 Размеры, характеризующие пространство, занятое проводниками в поперечном сечении электромагнита
Внутренний диаметр круглой обмотки:
Наружный диаметр круглой обмотки:
Внутренний диаметр катушек:
Внешний диаметр катушек:
Площадь наружной поверхности катушки цилиндрической формы:
Площадь торцевой поверхности катушки цилиндрической формы:
Площадь внутренней поверхности катушки цилиндрической формы:
4.4.3 Определение длины сердечника электромагнита с внешним притягиваемым якорем
В нашем случае в электромагнитах без полюсного наконечника длина сердечника определена из выражения:
где - выступающая часть сердечника, используемая для крепления катушки выбирается из конструктивных соображений в пределах ,(м).
Принимаем ,(м).
4.4.4 Определение размеров и площади сечения ярма (основания скобы)
Ширину ярма рекомендуется принять: Для цилиндрической катушки
Толщина ярма (основания):
Площадь сечения ярма (основания):
4.4.5 Определение площади и размеров сечения якоря
Площадь сечения якоря принята равной:
Ширина якоря сердечника без полюсного наконечника:
Толщина якоря:
Длина ярма (основания) для электромагнита клапанного типа при разработке принята как:
Длина внешнего плоского якоря для электромагнита клапанного типа без полюсного наконечника:
Ширину скобы целесообразно принимать близкой к наружному диаметру катушки т.е.
Принято в соответствии с
Толщина скобы должна быть достаточной с точки зрения получения оптимальной проводимости нерабочего воздушного зазора в месте сочленения сердечника и скобы[1]:
Длина скобы для электромагнита без полюсного наконечника:
4.5 Выбор величин рабочих и нерабочих воздушных зазоров и определение их расчетных площадей
К рабочим воздушным зазорам относят эквивалентный по магнитной проводимости расчетный воздушный зазор ?Т1, обусловленной обработки деталей [2]: Так как нами выбрана сталь марки Ст05 принято ЗНАЧЕНИЕ?Т1 , [2].
К нерабочим воздушным зазорам электромагнитов относят: Зазор между плоским якорем и скобой ,который изменяется от величины, равной , до наибольшей величины при полностью отпущенном якоре[1] , м. Принимаем , (м).
За расчетные величины электромагнитов принимаются зазоры в середине скобы в месте расположения средней линии магнитного потока. Цилиндрический зазор в месте сочленения сердечника и скобы, длина которого при наличии гайки равна толщине скобы, величина зазора зависит от конструкции сочленения ,(м).
Принимаем , (м).
Тогда , (м).
,(м).
4.6 Разработка эскиза электромагнита
На основании проведенных расчетов выполняется эскиз общего вида катушки как узла электромагнита и электромагнита в целом. Эскизы должны давать полное представление об установочных и габаритных размерах, обмоточных и изолировочных материалов.(Рисунок 4.1)
Рисунок 4.1 - Эскиз электромагнита
4.7 Определение параметров обмотки
Между конструкционными размерами катушки (ее каркаса и изоляционных деталей внутренней, промежуточной и наружной изоляции) и обмоточными данными (диаметром провода, выбранной маркой провода, числом витков и омическим сопротивлением обмотки) существуют определенные соотношения, которыми определяется намагничивающая сила (н.с.) обмотки.
Под «обмоткой» понимается часть катушки, занятой проводом, а катушка рассматривается как узел электромагнита. Катушка должна обеспечивать необходимую н.с. срабатывания электромагнита, температура ее нагрева должна быть не выше предельно допустимой для принятого класса нагревостойкости изоляции.
Обмотки последовательного включения, работают при заданном токе, выполняют, с малым числом витков большого сечения. Ток, проходящий по такой обмотке, практически не зависит от ее параметров, а определяется характеристиками потребителей, включенных последовательно с обмоткой. Магнитный поток электромагнита с последовательной обмоткой определяется н.с. обмотки.
Выбраны: 1) тип провода ПЭТВ-2, исполнение изоляции - теплостойкая и лакостойкая эмаль в два слоя, область применения - при повышенных тепловых нагрузках, и 2) бескаркасная катушка цилиндрической формы изза ее простоты, технологичности и хороших характеристик, рядовую без прокладок (витки располагаются достаточно плотно друг к другу и находятся точно над витками предыдущего слоя);
В зависимости от способа намотки меняется значение коэффициента заполнения обмотки: рядовая без прокладок кз.об.=0,75…0,85.Выбрав способы намотки и изготовления катушки, а также материал каркаса и покровной изоляции, можно приступить к расчету основных параметров.
Задача расчета обмотки заключается в определении обмоточных данных (диаметра провода , число витков wи сопротивления обмотки R), которые при заданном условии питания обеспечивают необходимую намагничивающую силу.
Расчет катушки последовательного сечения основан на определении параметров, характеризующих обмотку, обеспечивающую необходимую н.с.
4.7.1 Расчет последовательной обмотки постоянного тока
Определение количества витков и сечения меди проводника прямоугольного сечения:
Размеры проводника обмотки:
Размеры провода принять [1]: , тип провода ПЭВП диаметр изолированного провода принять[6]: Сопротивление обмотки в нагретом состояния:
Допустимая плотность тока
).
Длина обмоточного провода
Электрические потери в катушке
5. Проверочный расчет электромагнита постоянного тока
Порядок расчета, основой которого является эскиз электромагнита с размерами, следующий [1]: 1. Составление электрической схемы замещения.
2. Определение магнитных проводимостей воздушных зазоров.
3. Расчет коэффициентов рассеяния;
4. Определение необходимого магнитного потока в рабочем воздушном зазоре (критическом) по энергетической формуле.
5. Расчет магнитной цепи по участкам с использованием коэффициентов и кривой намагничивания; построение силовых характеристик.
6. Расчет и построение тяговых характеристик по силовым характеристикам.
5.1 Составление электрической схемы замещения
При разветвленном магнитопроводе по аналогии с электрической цепью составлена схема замещения магнитной цепи. Магнитный поток и намагничивающая сила соответствует электрическому току и ЭДС . Участки магнитопровода и воздушных промежутков представлены как сопротивления, которые считаются неизменными вдоль участка.
Рисунок 5.1 - Схема замещения электромагнита постоянного тока
Сопротивления: RЯ - якоря
R?1- рабочего воздушного зазора
R?я.ск- не рабочий воздушный зазор
Rct1, Rct2- в стали сердечника
Rяр- ярма
RS- потоков рассеяния
5.2 Определение магнитных проводимостей воздушных зазоров и промежутков
В соответствии с разработанным эскизом электромагнита по геометрическим размерам, полученных в процессе предварительного расчета, и его рабочих и нерабочих зазоров по формулам выведенным аналитически и полученным на основании математической обработки экспериментальных данных.
Магнитные проводимости рабочего зазора между торцом плоского цилиндрического полюса и наклоненного под углом плоским якорем (Рисунок 5.2):
Рисунок 5.2 - Эскиз к расчету проводимостей рабочего воздушного зазора диаметр сердечника магнитопровода расстояние от оси полюсного наконечника до скобы величина рабочего воздушного зазора величина нерабочего воздушного зазора где -поправочный коэффициент
- относительная величина, зависящая от соотношений конструктивных размеров постоянной и переменной частей воздушных зазоров
Здесь - величина нерабочего воздушного зазора между якорем и скобой, м
Производная проводимости[1]:
Магнитная проводимость воздушных промежутков в месте сочленения сердечника и ярма (Рисунок 5.3):
Рисунок 5.3 - Эскиз к расчету магнитной проводимость воздушных промежутков в месте сочленения сердечника и ярма диаметр сердечника магнитопровода диаметр посадки зазор в месте сочленения скобы и сердечника толщина скобы.
где - диаметр посадки, м; с учетом обеспечения жесткости крепления принимаем dп.=0,3 0,024=0,0072,(м);
- зазор в месте сочленения сердечника и скобы, зависящий от конструкции сочленения, м;
цилиндрический зазор, длина которого при наличии гайки равна толщине основания скобы ,(м);
- зазор обусловленный технологией обработки деталей.
Магнитная проводимость путей потока рассеяния для цилиндра, параллельного плоскости (Рисунок 5.4):
Рисунок 5.4 - Эскиз к расчету магнитнойпроводимостипотока рассеяния участков цепи для цилиндра, параллельного плоскости радиус сердечника магнитопровода протяженность потока рассеяния, ширина скобы.
Так как bck/h=0,0415/0,029=1,43,тогда к=0,2…0,85 принимаем к=0,5
Рисунок 5.5 - Эскиз к расчету магнитной проводимости нерабочего воздушного зазора расстояние от оси сердечника магнитопровода до конца скобы толщина скобы диаметр сердечника магнитопровода величина рабочего воздушного зазора.
, (Гн), где , рассчитываются в соответствии с рисунком,м
- угол, характеризующий конструктивную изменяющуюся часть нерабочего воздушного зазора,
Удельная магнитная проводимость потока рассеяния, отнесенная к единице длины участка при равномерно распределенной по сердечнику намагничивающей силе [1]:
Суммарная магнитная проводимость между якорем и сердечником:
Суммарная магнитная проводимость воздушных зазоров и промежутков, расположенных со стороны якоря:
Максимальный магнитный поток , разделяющий магнитную цепь на части, каждая из которых содержит воздушный зазор (рисунок 5.6):
Рисунок 5.6 - Эскиз к расчету магнитной проводимости воздушных промежутков магнитопровода с внешним притягиваемым якорем l01 - высота выступающей части l12 - высота катушки l23 - толщина ярма
Расчетные длины сердечника, в которых расположены воздушные зазоры определены по следующим выражениям:
0,0615-0,055=0,0065,(м);
Суммарная магнитная проводимость воздушных промежутков магнитопровода:
Расчет магнитных проводимостей воздушных зазоров и промежутков потока рассеяния, суммарной проводимости и производной проводимости.
Таблица 1- Магнитные проводимости воздушных зазоров и промежутков.
14,8826,3241,57119,39
-2276-9118-25381-231793
14,8726,2341,56119,32
15151515
52200522005220052200
14,8826,3241,57119,39
21,9633,3648,62126,19
52200522005220052200
0,00970,01480,02160,0561
5.3 Расчет коэффициентов рассеяния
При определении коэффициентов рассеяния магнитного потока магнитное сопротивление ферромагнитных участков с целью упрощения принимается независимым от величины проходящего потока, а обмотка - равномерно распределенной по сердечнику. Коэффициент рассеяния представляет собой отношение полной величины потока, проходящего через рассматриваемое сечение сердечника на его длине х к величине потока, проходящего через ближайший последовательно расположенный в цепи воздушный зазор. Когда воздушные зазоры рабочие и нерабочие или оба рабочие расположены с двух сторон обмотки, магнитная система разделяется на две отдельные части, причем в каждой части системы имеется поток рассеяния, обусловленный коэффициентом рассеяния этой части. Так, магнитные цепи с обмотками постоянного тока рассчитываются при использовании .
Коэффициент рассеяния при Фмакс.
Два последовательных зазора
,
здесь - магнитный поток в воздушном зазоре;
- магнитный поток рассеяния на участке 1-2 (рисунок 5.2.);
- один зазор (Рисунок 5.2.):
здесь - магнитный поток на участке 2-3 (рисунок5.2);
- магнитный поток рассеяния на участке 2-3 (рисунок 5.2);
5.4 Определение необходимого магнитного потока в рабочем воздушном зазоре (критическом) по энергетической формуле
Как и в предварительном расчете, исходной величиной является сила срабатывания электромагнита , равная расчетной критической противодействующей силе, приведенной к рабочему воздушному зазору .
Для электромагнитов с внешним притягиваемым якорем, когда поток рассеяния не создает добавочной силы, электромагнитная сила.
следовательно магнитный поток в рабочем воздушном зазоре:
Таблица 2 - К расчету силовых характеристик электромагнита.
Точки на силовой характеристике Участок магнитопровода Ф, Вб ?, ,l, м, S, , B, Тл ,А/М?, А 1. Fэл. Рабочий зазор 5 - - - 296
5.5 Построение тяговых характеристик по силовым характеристикам
Для построения тяговой характеристики в режиме срабатывания, через точку соответствующей величине , проведена прямая, параллельная оси ординат. Точки пересечения этой прямой с силовыми характеристиками спроецированы на правый график до пересечения с абсциссами соответствующих зазоров. Через получившиеся точки проведена кривая, которая является тяговой характеристикой электромагнита. Для режима отпускания якоря из точки начала механической характеристики проведена прямая, параллельная оси абсцисс, до пересечения с силовой характеристикой при в точке. Через эту точку проведена прямая, параллельная оси ординат. Перенеся эти точки (пересечения с силовыми характеристиками) на правый график была получена характеристика отпускания якоря (рисунок 5.7(б)).
6. Определение и приведение действующих сил. Построение статических характеристик движущих и противодействующих сил
6.1 Определение и приведение действующих сил
Движение механизма аппарата может рассматриваться как движение по определенной траектории материальной точки, к которой приводятся все действующие силы как движущие, так и силы сопротивления движению. Наглядное и точное представление о передаче и преобразовании движения звеньями механизма дает кинематическая схема.
Кинематическая схема строится для наиболее характерных положений цикла движения механизма, в том числе для двух крайних - включенного и отключенного положений аппарата. Одним из характерных положений коммутационных аппаратов является момент касания коммутирующих контактов.
При включении электрического аппарата движущая сила будет складываться из электромагнитной силы, развиваемой электромагнитом и силой тяжести подвижной части магиитопровода. Противодействовать этим усилиям будет сила упругости возвратных пружин, которые также создают и начальное противодействующее усилие.
В момент касания контактов аппарата начальная сила нажатия контактов осуществляется предварительным сжатием контактных пружин. Движущими силами являются усилия возвратных и контактных пружин.
В качестве движущих сил при отпускании якоря принимают только усилие, развиваемое электромагнитом, при допущении того, что возвратные пружины при отпущенном якоре не только обеспечивают необходимую начальную противодействующую силу, но и уравновешивают силу тяжести якоря.
Сила тяжести якоря определена как:
где - плотность стали;
- ускорение свободного падения;
По силовой характеристике определяем начальную противодействующую силу
Fнач.пр., Н, которая соответствует магнитодвижущей силе срабатывания
Fнач.пр.=2,15 Н
Возвратная пружина при отпущенном якоре должна обеспечивать усилие.
6.2 Построение статических характеристик движущих и противодействующих им сил (механической характеристики)
На одном графике построены обе характеристики действующих сил, так как это более целесообразно: характеристика движущих при включении аппарата (в рабочее его положение) сил и характеристика противодействующих им при включении сил .
Построение механической характеристики: По ординатам графика откладываются большей частью приведенные значения сил.
1. На оси абсцисс откладывается величина хода якоря магнитопровода. В данном случае этот ход равен боковому рабочему воздушному зазору, который равен сумме величин раствора и провала .
2. Построение характеристики сил, противодействующих электромагнитной силе:
· сила двух возвратных пружин при отпущенном якоре принята равной силе тяжести подвижных частей, жесткость пружины принимают небольшой; коэффициент возврата:
· сила контактной пружины при притянутом якоре определяется в процессе проектирования коммутирующих контактных, как сила начального нажатия в момент касания контактов, принимается равной силы конечного нажатия (начальное нажатие осуществляется предварительным натяжением пружины);
· построение характеристики движущей электромагнитной силы при включении аппарата производится по значениям силы, определяемой в процессе расчета электромагнита;
· построение характеристики движущей электромагнитной силы, определяемой в процессе расчета электромагнита.
Сила конечного нажатия откладывается в точке, соответствующей конечному положению механизма. Характеристики разных сил алгебраически складываются.
Семейство силовых характеристик, тяговых характеристик и механическая характеристика представлены на Рисунке 5.7.
6.3 Расчет пружин
Цилиндрические винтовые пружины, витые из стальной углеродистой проволоки или прутка, в зависимости от их размеров могут развивать усилия, измеряемые от граммов до тонн, широко применяются в малых и больших аппаратах.
На основании теории деформации винтовой пружины, навитой из проволоки или прутка круглого сечения (предел выносливости углеродистой пружинной проволоки ) и воспринимающей осевую сжимающую или растягивающую нагрузку, произведен расчет следующих величин.
Диаметр проволоки или прутка:
где - сила развиваемая одной пружиной;
здесь - чисто возвра
Список литературы
реле ток коммутирующий магнитный
1. Л.А.Нейман, Е.Г. Порсев. Электрические и электронные аппараты. Методическое руководство к курсовому проектированию [Текст]: изд-во НГТУ - Новосибирск, 2009 - 76с.
2. Сахаров П.В. Проектирование электрических аппаратов[Текст]. - М.: Энергия, 1971. - 554с.
3. Проектирование электрических аппаратов. Методическое пособие [Текст]/ Под ред. Никитина Л.В. - Новосибирск.: НГТУ, 1982. - 45с.
5. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя[Текст]: В 3 т. Т.3.-8-е изд., перераб. и доп. Под ред. И.Н. Жестковой. - М.: Машиностроение, 2001.-864с.
6. Белоруссов Н. И. и др. Электрические кабели, провода и шнуры: Справочник [Текст] / Н.И. Белоруссов, А.Е. Саакян, А.И. Яковлева; Под ред. Н.И. Белоруссова.-5 изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1988.-536с.