Реле тока с п-образной магнитной системой

Реле тока с п-образной магнитной системой

ВВЕДЕНИЕ

Целью данной курсовой работы является развитие навыков теоретических исследований, применение их в решении конкретных практических задач, умелого использования справочной, учебной и другой литературы.

Выполнение курсовой работы является инженерной комплексной задачей, которая требует понимания зависимостей между основными параметрами аппарата, его характеристиками, конструкцией и размерами.

Точный расчёт электрического аппарата представляет собой математически неопределённую задачу со многими решениями, так как число неизвестных больше числа уравнений, связывающих их. Вследствие этого в процессе расчёт приходится задаваться значениями некоторых исходных электромагнитных и конструктивных величин, базируясь на рекомендуемых соотношениях параметров и размеров, полученных в результате теоретических исследований и изучения отдельных типов аппаратов.

При аналитическом расчёте электрического аппарата используется метод последовательных приближений, то есть по мере решения задачи наперёд принятые ориентировочные значения уточняются сначала грубо, а по мере повторных расчётов — всё более точно.

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

— Номинальный ток катушки:

— Ток срабатывания:

— Воздушный зазор при отпущенном якоре:

— Приведенная начальная противодействующая сила:

— Номинальный ток контактов:

— Номинальное напряжение коммутируемой цепи:

— Род тока: постоянный

— Вид: реле токовое

2. ЭСКИЗ РАЗРАБАТЫВАЕМОГО АППАРАТА Рисунок 1. Эскиз реле тока На рисунке 1 изображено токовое реле. На полюсах магнитопровода расположены обмотки реле. Детали магнитной системы реле изготавливают из электротехнической стали. Обмотка выполняется из медной шины. Подвижная система реле состоит из стального якоря, подвижного контакта и механического гасителя вибрации якоря. Положение якоря фиксируется упорами. В качестве противодействующего устройства служит спиральная пружина. Изменяя положение указателя установки, изменяется натяжение пружины и с этим меняется величина противодействующей силы.

3. РАСЧЕТ КОММУТИРУЮЩИХ КОНТАКТОВ

3.1 Выбор материала и конструктивных форм коммутирующих контактов В качестве материала коммутирующих контактов, применено серебро. Применён точечный контакт, так как задан малый номинальный ток. Он обеспечивает высокое удельное нажатие, и, следовательно, малое контактное сопротивление даже в случае малых сил контактного нажатия.

3.2 Расчет слаботочных контактов Допустимое падение напряжения на контакте по опытным данным составляет [2]:

(3.1)

Переходное сопротивление контакта [2]:

(3.2)

Определена сила нажатия [1]:

(3.3)

Принято =0,18(H), так как значение силы не должно быть ниже норм, установленных практикой.

Начальный ток сваривания контактов [1]:

(3.4)

гдекоэффициент, зависящий от материала контактов, формы контактов, времени импульса тока.

Для серебряных точечных контактов, со временем импульса тока (0,05−5)с, =950

Начальный ток сваривания контактов должен быть, больше предельного тока, отключаемого аппарата, который принят [2]: а значит, в нашем случае условие выполнено.

4. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОМАГНИТА В процессе расчета электромагнита следует по заданным условиям действия механизма, и, главное, по зависимости величины требуемой силы от хода ведущего звена механизма (в работе и по заданной форме электромагнита), задаваясь некоторыми параметрами, определить размеры магнитопровода и катушки так, чтобы сечение магнитопровода было достаточным для проведения магнитного потока, необходимого для создания требуемой силы электромагнита. Размеры же окна магнитопровода должны быть достаточны для размещения катушки.

4.1 Предварительный расчет электромагнита

4.1.1 Выбор материала магнитопровода Для маломощных электромагнитов (реле) применяются электромеханические стали марки ЭА.

4.1.2 Выбор величин магнитной индукции Индукция в воздушном зазоре при отпущенном якоре обычно выбирается 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, величина индукции выбирается в зависимости от геометрического показателя .

Геометрический показатель для электромагнитов постоянного тока определён по формуле [2]:

(4.1)

где, — начальное усилие притяжения электромагнита, H;

— величина рабочего воздушного зазора при отпущенном якоре, м.

Получена индукция в воздушном зазоре

4.1.3 Определение основных размеров и параметров электромагнита Определена площадь торца сердечника [2]:

(4.2)

Далее определяется диаметр торца сердечника [2]:

(4.3)

Принято в соответствии с ГОСТ.

Размеры катушки полностью зависят от величины намагничивающей силы, необходимой для срабатывания электромагнита, которую обмотка должна создавать. В рационально спроектированных электромагнитах намагничивающая сила, приходящаяся на нерабочие зазоры при отпущенном якоре, составляет 5 до 15% от намагничивающей силы, приходящейся на один рабочий зазор, приходящаяся же на сталь от 10 до 20%, тогда [2]:

(4.4)

где — магнитная проницаемость воздуха.

Площадь поперечного сечения обмотки при предварительном расчете определяется по уравнению, связывающему значение намагничивающей силы с размерами обмотки и допустимой плотностью тока, при заданном режиме работы.

(4.5)

где — длина и толщина обмоточного пространства, м;

— коэффициент заполнения обмоточного пространства, ;

j — плотность тока, A;

— коэффициент перегрузки по току.

Для катушки последовательного включения [2]:

(4.6)

Отношение сторон обмоточного пространства для реле

4.1.4 Определение размеров частей магнитопровода и катушки. Разработка эскиза электромагнита Определена высота полюсного наконечника [1]:

(4.7)

где =0,1.0,3- в существующих конструкциях.

Размер выступающей части сердечника [1]:

(4.8)

Определена длина катушки [1]:

(4.9)

где — толщина торцевых изоляционных шайб; при бескаркасной намотке [1]:

Определена длина сердечника [1]:

(4.10)

Определен внутренний диаметр обмотки [1]:

(4.11)

где — толщина внутренней изоляции при бескаркасной намотке;.

Определена толщина наружной изоляции [1];

Принято

Определено сечение скобы, которое должно быть не менее сечения сердечника [1]:

(4.12)

Определена ширина скобы [1]:

(4.13)

Определена толщина скобы [1]:

(4.14)

a_ск=12•10^-3 (м) по ГОСТ.

Cечение якоря может быть принято от. Ширина якоря принимается по конструктивным соображениям. Целесообразно, чтобы якорь несколько выступал за полюсный наконечник. На такой же размер целесообразно увеличить якорь с двух сторон по ширине.

Принято по ГОСТ.

Определено сечение якоря [1]:

(4.15)

Определена толщина якоря [1]:

(4.16)

У электромагнитов в рабочем воздушном зазоре предусматривается штифт или пластина «отлипания». Штифт или пластина «отлипания» учитываются при расчете как не рабочий зазор. Для реле величину зазора «отлипания» принимаю равной 0,9(мм).

Зазор между якорем и скобой изменяется от величины равной нерабочего зазора, до наибольшей величины при полностью отпущенном якоре. За расчетные величины принимаются зазоры в середине скобы в месте расположения средней линии магнитного потока.

Зазор в месте сочленения скобы и сердечника выбран .

Эскиз электромагнита изображен на рисунке 2.

4.2 Поверочный расчет электромагнита постоянного тока Главной задачей расчета магнитной цепи является определение необходимой намагничивающей силы обмотки, по магнитному потоку в рабочем воздушном зазоре. Я произведу расчет электромагнита по участкам, с учетом коэффициента рассеяния и использованием кривых намагничивания, что позволит повести подробный анализ магнитного состояния материала электромагнита в различных местах и дать заключение о магнитном использовании материала и о правильности выбора размера электромагнита.

4.2.1 Расчет проводимостей воздушных зазоров Точность расчета параметров электромагнита во многом определяется точностью расчета проводимостей воздушных путей. Магнитное поле в близи воздушного зазора для плоской магнитной системы трехмерно и имеет очень сложную форму. Однако если воздушные зазоры малы (последний не превышает 0,2 наименьшего из поперечных размеров полюса), поле можно считать равномерным и проводимость определяется по формуле [1]:

(4.17)

где — площадь полюса, ;

— воздушный зазор, м Определены суммарные проводимости и производные проводимости рабочих зазоров для

Для зазора (м) по (4.17):

При больших значениях, нужно учитывать выпучивание поля, тогда проводимость рассчитывается (рисунок 3) [1]:

Рисунок 3. Эскиз к расчёту проводимостей рабочего воздушного зазора

— максимальный воздушный зазор; - Расстояние от края скобы до центра сердечника;- минимальный зазор (зазор отлипания);

С — выступающая часть сердечника;d — диаметр полюсного наконечника.

(4.18)

где

(4.20)

Для зазора по (4.20):

по (4.19):

по (4.18):

После расчета проводимостей для оставшихся воздушных зазоров, cуммарная проводимость воздушных зазоров определяется [1]:

(4.21)

где — суммарная проводимость рабочего воздушного зазора и зазора между скобой и ярмом.

(4.22)

(4.23)

где — изменяется от до значения при полностью отпущенном якоре и определяется [1]:

(4.24)

(4.25)

где — проводимость зазора между сердечником и основанием скобы, Г

— полная проводимость, Г При расчете проводимостей для потока рассеяния (между сердечником и скобой) удобно пользоваться проводимостью на единицу длины сердечникаудельной проводимостью, которая определена по формуле (4.26) [1]:

(4.26)

при .

(4.27)

по (4.26) [1]:

(4.28)

;

По формулам (4.23) и (4.24) рассчитывается суммарная проводимость между скобой и якорем для зазоров Полученные результаты сведены в таблицу № 1.

По формуле (4.22) рассчитывается суммарная проводимость воздушного зазора и зазора между скобой и якорем зазоров Полученные результаты сведены в таблицу № 1.

Определяются производные проводимости рабочего зазора [2]:

(4.29)

Полученные результаты для всех зазоров сведены в таблицу№ 1.

Определяется проводимость со стороны рабочего воздушного зазора [2]:

(4.30)

Полученные результаты для всех зазоров сведены в таблицу№ 1.

4.2.2 Расчет коэффициентов рассеяния Когда магнитная система имеет два воздушных зазора, расположенных с двух сторон обмотки, то она разделяется на две отдельные части. В каждой части системы имеется поток рассеяния, который определяется коэффициентом рассеяния

этой части. Величину коэффициентов рассеяния для каждой части можно найти, исходя из следующих соображений.

(4.31)

где ;

Соответственно, (4.32)

По формулам (4.31) и (4.32) рассчитываются величины коэффициентов рассеяния для всех зазоров и полученные результаты для всех зазоров сводятся в таблицу 1.

Таблица 1. Расчет параметров воздушных зазоров

4.2.3 Определение необходимого магнитного потока в рабочем зазоре Исходной величиной является сила срабатывания электромагнита. По этой силе и по известным значениям проводимостей воздушных зазоров, используя энергетическую формулу, определяется уточненное значение магнитного потока в расчетном зазоре. Для электромагнита с внешним притягиваемым якорем, когда обычно поток рассеяния не создает добавочной силы, электромагнитная сила равна [2]:

(4.33)

или

(4.34)

Рассчитывается магнитный поток по (3.34) для всех зазоров и полученные результаты сводятся в таблицу 2.

4.2.4 Расчет магнитной цепи по участкам с использованием коэффициентов рассеяния и кривой намагничивания и построением силовых характеристик Разбивается магнитная цепь на отдельные участки. Каждый участок по всей своей длине должен иметь постоянное сечение и обтекаться одним и тем же магнитным потоком. Зная сечение и среднюю длину магнитной силовой линии каждого участка, можно определить падение магнитного потенциала на каждом участке и суммарную намагничивающую силу катушки.

Для удобства расчет магнитной цепи по участкам совмещается с построением силовых характеристик электромагнита, и результаты сводятся в таблицу 2.

Для построения силовых характеристик по (4.34) определяется необходимый магнитный поток в рабочем зазоре, а по и найденным коэффициентам рассеяния находится значение магнитного потока во всех участках магнитопровода. Далее определяется значение величин намагничивающей силы, приходящейся на каждый участок магнитопровода. Значение намагничивающей силы в воздушных зазорах, получено по формуле [2]:

(4.35)

Для определения намагничивающей силы на остальных участках находится индукция в них как [2]:

(4.36)

По кривой намагничивания материала магнитной системы определены напряженности магнитного поля, соответствующие полученным значениям индукции и значениям намагничивающей силы на остальных участках по [2]:

(4.37)

Суммируя все значения намагничивающих сил по замкнутому контуру (согласно второму закону Кирхгофа), можно получить значение намагничивающей силы катушки, необходимой для создания магнитного потока, найденного в начале расчета в рабочем воздушном зазоре.

Далее задаются разные значения электромагнитной силы, затем повторяются выше перечисленные вычисления. Теперь можно перейти к расчету силовой характеристики при других значениях воздушного зазора. Порядок расчета остается прежним. Семейство силовых характеристик представлено на рисунке 4.

Таблица 2. Расчет силовых характеристик электромагнита

4.2.5 Построение тяговых характеристик [2]

Для построения тяговой характеристики в режиме срабатывания, через точку соответствующей величине, проводится прямая, параллельная оси ординат. Точки пересечения этой прямой с силовыми характеристиками проецируются на правый график до пересечения с абсциссами соответствующих зазоров. Через получившиеся точки проводится кривая, которая является тяговой характеристикой электромагнита. Для режима отпускания якоря из точки начала механической характеристики проводится прямая, параллельная оси абсцисс, до пересечения с силовой характеристикой при в точке. Через эту точку проводится прямая, параллельная оси ординат. После перенесения этих точек (пересечения с силовыми характеристиками) на правый график получена характеристика отпускания якоря (рисунок 5).

4.2.6 Расчет катушки последовательного включения [2]

Катушка из шинной меди гдевысота обмоточной шины.

При заданных значениях намагничивающей силы и тока, находится число витков катушки для длительного режима

(4.38)

Необходимо определить сечение меди обмоточного провода (шины)

(4.39)

где jдопустимая плотность тока, для длительного режима ,

по (4.39)

5. ПОСТРОЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОТИВОДЕЙСТВУЮЩИХ СИЛ (МЕХАНИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ) Построена кинематическая схема для наиболее характерных положений цикла движения — включенного и отключенного, а также момента касания коммутирующих контактов (рисунок 5) [2]:

Рисунок 5. Кинематическая схема раствор и провал контактов;

воздушный рабочий зазор электромагнита;

силы контактной и возвратной пружины, электромагнита и силы тяжести подвижных частей.

5.1 Определение и приведение действующих сил Действующие силы в аппарате разделяются на действующие и противодействующие[2]. Действующей является сила приводного электромагнита,, а противодействующие — это силы полезного сопротивления, создаваемые пружинами — силы сопротивления, силы трения. Но эти силы настолько малы, что при расчетах их не учитывают.

5.2 Построение статической характеристики противодействующих сил (механической характеристики) [2]

Характеристики приведенных значений силы тяжести, с учетом направления вектора силы, сил возвратной пружины, и начальной силы и сил контактных пружин приведены на рисунке 5.

Величина приведенной силы пружины при отключенном положении принимается такой, чтобы сила нажатия якоря электромагнита на упор (складывающаяся часто из силы тяжести и силы возвратной пружины) была достаточной для предотвращения самопроизвольного отскока якоря при ударах, тряске, появлении сил инерции. Кроме того, при наличии в аппарате размыкающего контакта сила возвратной пружины должна обеспечивать необходимое контактное нажатие. Величина сил определяется в процессе проектирования контактов. Приведенная сила начального нажатия откладывается по ординате в точке, соответствующей касанию контактов. Сила конечного нажатия откладывается в точке, соответствующей конечному положению механизма. Характеристики разных сил алгебраически складываются.

5.3 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, произвожу расчет следующих величин.

Принято =450

Диаметр проволоки или прутка

м (5.1)

где с — индекс пружины, характеризует кривизну витка, определяющую концентрацию напряжений в материале

при d_пров.<0.4 до d_пров.>2 м Принято с=9

Н-сила развиваемая пружиной; n_пр.— количество пружин (5.2)

(5.3)

м Принято: d_пр=0,8•10^-3, м (По ГОСТ 13 770–68)

Число витков пружины

(5.4)

Gмодуль упругости сдвига при кручении, у углеродистой пружинной проволоки G=79 500

— коэффициент возврата (5.5)

Полное число витков одной пружины

(5.6)

Прогиб пружины

м (5.7)

где — число рабочих витков пружины (при поджатых подшлифованных витках пружины сжатия полное дополнительное число витков принимается равным)

м

Шаг пружины растяжения и сжатия (навивка виток к витку) и сжатия (с расчетом на прогиб)

м (5.8)

м (5.9)

м

м

5.3.1 Свободная длина пружины растяжения (без крючков) и сжатия

м (5.10)

м (5.11)

м

м

6. СОГЛАСОВАНИЕ ТЯГОВОЙ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Согласование характеристик заключается в выполнении следующих требований:

1. Движущая сила при включении аппарата должна быть больше, чем противодействующие силы, то есть тяговая характеристика должна лежать выше механической.

2. Максимально возможные значения движущих сил необходимо ограничивать, чтобы разность величин между движущими и противодействующими силами не была чрезмерной. Это объясняется тем, что кинетическая энергия подвижных частей выражается удвоенной площадью между этими характеристиками. Чрезмерное увеличение кинетической энергии вызывает ударные нагрузки подвижных частей и повышенную вибрацию контактов.

3. При снижении электромагнитных сил в процессе отключения аппарата необходимо, чтобы характеристика отпадания якоря проходила ниже механической характеристики, которая выражает движущие силы. Также необходимо учитывать особенности работы механизма. Для электромагнитных реле защиты согласование должно быть обеспечено по параметрам как срабатывания, так и отпускания.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

реле ток электромагнит

1. Сахаров П. П. Проектирование электрических аппаратов. Текст]. -M.:Энергия, 1971.

2. Никитин Л. В. Методическое руководство. Тяговые электрические аппараты. [Текст]. Новосибирск.: НГТУ, 1982.

3. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т. Т.1 — 9е изд., перераб. И доп./под ред. И. Н. Жестковой. Текст] - М.: Машиностроение, 2006. — 928с.