Проектирование электромагнитного реле управления переменного тока

где — коэффициент сваривания,80 А/Н^0,5.

3.2.8. Расчет  износостойкости контактов

Износостойкость (срок службы) — гарантируемое число  коммутаций определяется по формуле:

 

где — часть объема пары контактов, который может быть подвержен износу за время эксплуатации. Для контактов с прямоугольными контактными накладками определяется по формуле:

— плотность материала контакта, для серебра  кг/м³[4];

g_рз+g_зм — средний суммарный износ определяется по формуле:

где К_РЗ, К_ЗМ — опытные коэффициенты износа , и кг/А² соответственно[4];

I_ОТ — ток отключения,20 А;

I_ВКЛ – ток включения, 50 А;

К_НЕР – коэффициент неравномерности, К_НЕР =1.5[4].

 

Глава 4. Расчет пружин

4.1 Проектирование пружинных механизмов

Любой электрический аппарат  за исключением некоторых имеет  пружины, которые определяют основные характеристики его привода. Пружины осуществляют контактное нажатие, возвращают механизм в исходное состояние, снижают удары. Наибольшее распространение в электроаппаратостроении получили винтовые цилиндрические и плоские пружины.

Винтовые пружины, навитые  из проволоки или прутка круглого сечения и воспринимающие осевую растягивающую или сжимающую нагрузку, рассчитываются на кручение проволоки или прутка.

Расчет пружин проводится следующим образом:

Определяется диаметр проволоки контактной пружины контактов по формуле:

D=                                               (5.1)

Полный прогиб пружины определяется по формуле:

f_полн=f_p·                                                 (5.2)

где : f_p – рабочий прогиб пружины, м;

F₀ – предварительная сила, которой нагружается пружина после монтажа, Н.

Рабочее число витков:

n=                                                 (5.3)

 где σ – модуль упругости при сдвиге.

Шаг навивки определяется по формуле:

T = d+1,1·                                       (5.4)

Длина пружины в свободном состоянии:

l_св=n·t+2·δ,                                          (5.5)

 где δ – длина пружины, используемая для крепления ее концов, м.

4.2 Расчет контактной пружины главных контактов

Рассчитаем диаметр проволоки  контактной пружины главных контактов по формуле (5.1):

d=

=0,0022 м.

Примем d=0,002 м.

с – индекс пружины. Примем с = 14.

Для стальной углеродистой пружинной проволоки [τ]_к=370·10² Н/cм².

Сила Fp равна двойному контактному нажатию, т.к. контакты мостикового типа, т.е. Fp=2·25=50 H

K=1,094,

Средний диаметр пружины: D0= c·d = 14·0,002 = 0.028 м.

Внешний диаметр пружины: D0= (c+1)·d = (14+1)·0,002 = 0.03 м.

Внутренний диаметр пружины: D0= (c-1)·d = (14-1)·0,002 = 0.026 м.

Полный прогиб пружины по формуле (5.2):

f_p=0.0025 м равен провалу главных контактов;

F₀ примем 0,5·F_p  ΔF = F_p- F₀=F_p-0,5·F_p=0,5·F_p

f_полн=0,25· =0,005 м.

Рабочее число витков по формуле (5.3):

для стальной углеродистой пружинной проволоки σ=8∙10⁶ Н/cм².

n=

=7.28 – примем n = 8.

Шаг навивки по формуле (5.4):

t = d+1,1· = 0,002+1.1· = 0,00888 м.

Длина пружины в свободном состоянии формула (5.5):

δ=2d=0,004 м.

по формуле (5.5.) l_св= 2·0,00888+2·0,004 = 0,02575 м.

Для обеспечения необходимой продольной устойчивости пружин сжатия выбирают l_св/D0 =0,919≤ 3 – условие выполняется.

4.3 Расчет возвратной пружины контактов

Усилие  возвратной пружины при отключении должно быть таким, чтобы сила нажатия F_у соответствующей детали на упор была достаточной для предотвращения отскока этой детали от упора при отключении аппарата. Удельную силу нажатия примем f_у=0,06 Н/А. Наклон характеристики возвратной пружины в большинстве случаев берется намного меньше, чем для контактной пружины, так как нет необходимости в увеличении жесткости возвратной пружины. Определим F_у и F_р:

F_у=f_у·I_н=0,06·20=3,78 Н.

Примем F_р= 1.6·F_у=6,05 Н, индекс пружины c=13.Для стальной углеродистой пружинной проволоки σ = 8∙10⁶ Н/cм².

K=(4·13+2)/(4·13-3) = 1,102,

По формуле (5.1.) d= =0,00077 м.

Примем d=0,0008 м.

Средний диаметр пружины: D0=c·d=13·0,0008=0,0104 м.

Внешний диаметр пружины: D0=(c+1)·d=(13+1)·0,0008=0,0112 м.

Внутренний диаметр пружины: D0=(c+1)·d=(13-1)·0,0008=0,0096 м.

Рабочий прогиб пружины равен сумме  провала и раствора главных контактов f_p=0.00508 м; F₀=F_у; ΔF=F_p-F_у=6.05 – 3.78=2,27 Н.

По формуле (5.2.) f_полн=0,00508· =0,0136 м.

Рабочее число витков по формуле (5.3.):

n= = =6.3 – примем n = 7.

Шаг навивки по формуле(5.4.):

t = d+1,1· = 0,077+1,1· = 0,0029 м.

Примем δ=2d=0,00154 м.

По формуле (5.5.) l_св= n·t+2·δ=7·0,0029+2·0,00154= 0,02338 м.

Для обеспечения необходимой продольной устойчивости пружин сжатия выбирают l_св/D0 ≤ 3, =2.24 ≤ 3 – условие выполняется.

 

Глава 5.Кинематический расчет. Построение механической характеристики.

Большое количество типов  электромагнитных аппаратов (ЭМА), их отличие по роду и величине тока, числу и виду коммутирующих контактов, по условиям эксплуатации определяет использование различных кинематических схем при проектировании. Правильный выбор кинематической схемы во многом определяет высокую надежность, малые габариты и стоимость, простоту обслуживания, возможность создания различных исполнений и другие важнейшие показатели и характеристики ЭМА.

5.1 Выбор механизма

Механизм предназначен для передачи движения от приводного механизма к исполнительному. У электромагнитных реле два приводных механизма: электромагнитный, осуществляющий включение, и пружинный — для отключения. Исполнительным механизмом является контактная система.

Существенное влияние на конструктивные формы магнитной системы оказывает  характер перемещения якоря. По характеру  перемещения якоря различают  магнитные системы клапанного и  прямоходового типа.

Следует иметь в виду, что в прямоходовых системах контакты выполняются мостикового типа. Подобное выполнение контактов имеет ряд достоинств, таких как: а) простота конструкции; б) надежность в работе; в) двойной разрыв, что улучшает процесс гашения дуги.

Принимаем магнитную систему прямоходового типа.

5.2 Построение механической характеристики

Определяем начальный рабочий  зазор по формуле :

Определяем начальное возвратное усилие пружины главных контактов  по формуле:

Определяем возвратное усилие пружины  главных контактов по формуле:

Вид построенной механической характеристики приведен на рис.2

Рис.2. Механическая характеристика.

 

Глава 6. Проектирование электромагнита переменного тока

Конструкция электромагнита может быть принята  на основе обзора и анализа аналогичных конструкций, выпускаемых промышленностью. Для привода контактов мостикового типа необходим электромагнит с поступательным движением якоря. Выбираем Ш – образную конструкцию магнитопровода. Эскиз электромагнита приведен на рис.3.

Рис.3. Эскиз электромагнита

6.1 Расчет электромагнита переменного тока

1. Задаются значения α, β, η, λ и высота КЗ витка h_в = (1 – 4) мм,[2].
2. Задается величина В_н – индукции в неэкранированной части полюса: принимается на (5 – 10)% меньше индукции насыщения для выбранной марки стали,[2].
3. Рассчитываются параметры зоны КЗ витка.

Эскиз полюса электромагнита с К.З. витком приведен на рис.4.

Рис.4. Полюс с К.З. витком

3.1 Задаются значения  α_s; K_F; C ; где α_s - отношение сечений неохваченной КЗ витком и охваченной частей полюса; K_F – отношение максимальных значений электромагнитных сил неохваченной и охваченной частей полюса; C – коэффициент, учитывающий насыщение зоны витка.

3.2 Индукция в экранированной части полюса

уточнение величины     

где и – относительные магнитные проницаемости экранированной и неэкранированной части полюса, определяемые из кривой намагничивания по соответствующим значениям индукции В_э и В_Н.

3.3 Уточняются значения

Вычисления  по п. п. 3.2, 3.3 повторяются до тех пор, пока величины α_s, K_F будут отличаться в двух последних итерациях не более, чем на заданную погрешность.

3.4 Отношение магнитного потока к минимальной электромагнитной силе имеет вид

5. Удельная электромагнитная сила равна

6. Угол сдвига фаз между потоками в экранированной и неэкранированной частях равен

7. Необходимое удельное электрическое сопротивление КЗ витка на единицу площади полюса определяется по формуле

где ω = 314 рад – угловая частота.

8. Удельные потери в КЗ витке на единицу площади полюса:

9. Сечение полюса без учета  пазовой части :

где Р_э - часть расчетного значения тягового усилия, приходящаяся на один полюс с КЗ витком (при наличии одного витка Р_э= Р, при двух витках Р_э= Р/2),[2].

10. Полный магнитный поток и магнитная индукция:

11. Активное сопротивление  и мощность, рассеиваемая витком:

12. Площадь сечений неохваченной и  охваченной частей полюса:

Определяются размеры полюса и  ширина витка:

4. Определение размеров обмоточного  окна (l, d) осуществляется при расчете магнитной цепи методом участков.
1. Магнитные сопротивления воздушного рабочего зазора :

4.2 Начальное значение МДС обмотки и размеров обмоточного окна:

 

где J – плотность тока в обмотке, зависящая от режима работы электромагнита, в продолжительном режиме J = (2-4) A/мм²,[2]

К_3об – коэффициент заполнения обмотки, принимается равным 0,5,[2].

4.3 Магнитные сопротивления второго рабочего зазора:

4.4 Магнитное сопротивление якоря:

где  ρ_R1,  ρ_X1 – удельные активное и реактивное магнитные сопротивления стали якоря, определяемые по В_δ,[2].

4.5 Магнитное сопротивление для потока рассеяния :

4.6 Магнитное напряжение между точками 1 – 1^/ :

4.7 Потоки рассеяния и в основании ярма :

4.8 Магнитные индукции в основании и стержнях ярма:

9.  Магнитные  сопротивления основания и стержней:

где ρ_R3, ρ_X3 – удельные активное и реактивное магнитные сопротивления стали основания, определяемые по В_ос ,[2];