ФГБУ «ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЦЕНТР - Спортивная радиопеленгация в;pdf

Министерство образования и науки Российской Федерации
Псковский государственный университет
А. М. Марков
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ
КОНТАКТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА
Часть II
Учебно-методическое пособие
для выполнения курсовой работы
по дисциплине «Электрические и электронные аппараты»
для студентов всех форм обучения
Квалификация (степень) выпускника - бакалавр
Рекомендовано к изданию кафедрой
«Электропривод и системы автоматизации»
Псковского государственного университета
Псков
Псковский государственный университет
2012
УДК 681.521.7
ББК 31.264
М27
Рекомендовано к изданию кафедрой
«Электропривод и системы автоматизации»
Псковского государственного университета
Рецензенты:
– В. Н. Фёдоров – к.т.н., доцент кафедры теоретических основ
электротехники Псковского государственного университета;
– Н. П. Ротберг – инженер КИПиА ОАО «Псковский хлебокомбинат».
Марков А. М.
М27
Электромагнитный контактор постоянного тока : Учебнометодическое пособие. Часть II / А. М. Марков – Псков : Издательство
ПсковГУ, 2012. – 112 с.
ISBN 978-5-91116-174-3
Даются основные сведения о разработке электромагнитных контакторов постоянного тока, описаны методы и порядок электрических, тепловых и электромагнитных расчётов. Учебно-методическое пособие является важным элементом подготовки студентов по освоению дисциплины
«Электрические и электронные аппараты». В учебно-методическое пособие включены необходимые для расчётов справочные материалы, облегчающие выполнение курсовой работы.
Пособие рекомендуется для направления подготовки 140400 «Электроэнергетика и электротехника», профиль «Электропривод и автоматика».
УДК 681.521.7
ББК 31.264
ISBN 978-5-91116-174-3
© А. М. Марков, 2012
© Псковский государственный университет, 2012
СОДЕРЖАНИЕ
5.
5.1.
5.2.
5.3.
5.4.
5.5.
5.6.
5.7.
Предисловие ………………………………………………………….
Введение ……………………………………………………………...
Расчёт электромагнитного контактора постоянного тока ………...
Расчёт токоведущего контура ………………………………………
Расчёт контактных соединений …………………………………......
Расчёт коммутирующих контактов …………………………………
Расчёт дугогасительной системы …………………………………...
Проектирование вспомогательных контактов …………………......
Кинематический расчёт электромагнитного привода …………….
Расчёт приводного электромагнита ………………………………...
Заключение …………………………………………………………...
Перечень используемых обозначений и сокращений …………......
Список литературы ………………………………………………......
Приложения ………………………………………………………….
3
4
5
7
7
13
18
34
40
41
56
68
75
85
86
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящее учебно-методическое пособие включены основные типы
конструкций и характеристики электромагнитных контакторов, приводится методика расчёта электрических, тепловых и электромагнитных параметров контактора постоянного тока.
Начиная с 2009 года учебная дисциплина «Электрические и электронные
аппараты» стала базовой для бакалавров, обучающихся по направлению подготовки 140400 «Электроэнергетика и электротехника», профиль «Электропривод
и автоматика». При написании учебно-методического пособия автор расширил
перечень вопросов проектирования электромагнитных контакторов, необходимых при выполнении курсовой работы по данной дисциплине.
В учебно-методическом пособии в строгой логической последовательности представлены все этапы разработки контактора постоянного тока, имеются
необходимые для расчётов справочные материалы и рекомендации.
Автор благодарит рецензентов: канд. техн. наук, доцента кафедры ТОЭ
ПсковГУ В. Н. Фёдорова и инженера КИПиА ОАО «Псковский хлебокомбинат» Н. П. Ротберга за нелёгкий труд по рецензированию и ценные советы.
4
ВВЕДЕНИЕ
Электрические аппараты (ЭА) – это электротехнические устройства,
применяемые при использовании электрической энергии, начиная от ее производства, передачи, распределения и кончая потреблением.
В настоящее время под ЭА понимают электротехнические устройства
управления потоком энергии и информации. При этом речь может идти о потоках энергии различного вида: электрической, механической, тепловой и др.
Например, потоком механической энергии от двигателя к технологической машине может управлять электромагнитная муфта. Потоками тепловой энергии
можно управлять при помощи электромагнитных клапанов и заслонок. Примером использования ЭА для управления информацией является применение реле
в телефонии. Простейшая формально-логическая обработка дискретной информации также была реализована на электромагнитных реле.
Однако наибольшее распространение получили ЭА для управления потоками электрической энергии для изменения режимов работы, регулирования
параметров, контроля и защиты электротехнических систем и их составных частей. Как правило, функции таких ЭА осуществляются посредством коммутации (включения и отключения) электрических цепей с различной частотой,
начиная от относительно редких, нерегулярных значений до периодических
высокочастотных, например, в импульсных регуляторах.
Одним из основных признаков классификации ЭА является напряжение.
Различают аппараты низкого напряжения (АНН) – до 1000 Вольт и аппараты
высокого напряжения (АВН) – свыше 1000 Вольт.
Большинство аппаратов низкого напряжения условно можно разделить
на следующие основные виды:
аппараты управления и защиты – автоматические выключатели, контакторы, реле, пускатели электродвигателей, переключатели, рубильники, предохранители, кнопки управления и другие аппараты, управляющие режимом работы оборудования и его защитой;
аппараты автоматического регулирования – стабилизаторы и регуляторы напряжения, тока, мощности и других параметров электроэнергии;
аппараты автоматики – реле, датчики, усилители, преобразователи и
другие аппараты, осуществляющие функции контроля, усиления и преобразования электрических сигналов.
Следует отметить, что АНН иногда классифицируют по величине коммутируемого тока: слаботочные (слаботоковые) – до 10 А и сильноточные (сильнотоковые) – свыше 10 А. При этом нижние пределы надёжно коммутируемых
современными электрическими аппаратами токов достигают 10-9 А, а напряжений – 10-5 В.
Аппараты высокого напряжения работают в сетях с напряжением до
1150 кВ переменного тока и 750 кВ постоянного тока.
Электрические аппараты обычно являются конструктивно законченными
техническими устройствами, реализующими определенные функции и рассчитанными на разные условия эксплуатации.
5
В основе работы большинства электромеханических ЭА лежит контактная система с различными типами приводов – ручным, электромагнитным, механическим и др. Процессы, протекающие в ЭА, определяются различными и
многообразными физическими явлениями.
Одной их наиболее сложных задач, решаемых при разработке электромеханического электронного аппарата, является обеспечение работоспособности
электрических контактов, в том числе и при гашении электрической дуги, возникающей при выключении ЭА.
По принципу работы ЭА подразделяются на контактные и статические
(бесконтактные). Первые имеют подвижные контактные части, и воздействие
на управляемую цепь осуществляется путём замыкания – размыкания этих контактов. Статические аппараты не имеют коммутирующих контактов. Эти аппараты осуществляют управление путём изменения своих электрических параметров (индуктивности, ёмкости, сопротивления и т.д.).
Контактные аппараты могут быть автоматическими и неавтоматическими. Автоматические – это аппараты, приходящие в действие от заданного
режима работы цепи или машины. Неавтоматические – это аппараты, действие
которых зависит только от оператора.
Требования, предъявляемые к электрическим аппаратам, чрезвычайно
разнообразны и зависят от назначения, условий применения и эксплуатации
аппарата. Кроме специфических требований, относящихся к данному аппарату,
все электрические аппараты должны удовлетворять общим требованиям:
1. Каждый электрический аппарат при работе обтекается рабочим током,
при этом в токоведущих частях выделяется определенное количество теплоты и
аппарат нагревается. Температура не должна превосходить определенного значения, устанавливаемого для данного аппарата и его деталей.
2. В каждой электрической цепи может быть ненормальный (перегрузка)
или аварийный (короткое замыкание) режим работы. Ток, протекающий по аппарату в этих режимах, существенно (в 50 и более раз) превышает номинальный, или рабочий, ток. Аппарат при этом подвергается большим термическим и
электродинамическим воздействиям тока, однако он должен выдерживать эти
воздействия без каких-либо деформаций, препятствующих дальнейшей его работе.
3. Каждый электрический аппарат работает в цепи с определенным
напряжением, где возможны также и перенапряжения. Однако электрическая
изоляция аппарата должна обеспечивать надежную работу аппарата при заданных значениях перенапряжений.
4. Контакты аппаратов должны быть способны включать и отключать все
токи рабочих режимов, а многие аппараты – также и токи аварийных режимов,
которые могут возникнуть в управляемых и защищаемых цепях.
5. К каждому электрическому аппарату предъявляются требования по
надежности и точности работы, а также по быстродействию.
6. Любой электрический аппарат должен, по возможности, иметь
наименьшие габариты, массу и стоимость, быть простым по устройству, удобным в обслуживании и технологичным в производстве.
6
5. РАСЧЁТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КОНТАКТОРА
ПОСТОЯННОГО ТОКА
5.1. Расчёт токоведущего контура
Токоведущий контур контактора постоянного тока во включенном состоянии при токе I Н = 1000 А представлен на рисунке 5.1.
1
2
3
4
Сопротивления частей
токоведущего контура:
1-1 – полное сопротивление
контура.
2 – дугогасительная катушка;
3 – дугогасительная катушка неподвижный контакт;
4 – неподвижный контакт подвижный контакт;
5 – подвижный контакт держатель контакта;
6 – держатель контакта;
7 – держатель контакта –
гибкое соединение;
8 – гибкое соединение;
5
6
7
8
1
Рис. 5.1. Токоведущий контур контактора постоянного тока.
Токоведущий контур обычно состоит из частей, различных по конфигурации, размерам и конструкции. К ним относятся зажимы контактных выводов,
провода, кабели, шины, стержни, перемычки, токовые (в том числе дугогасительные) катушки, контактодержатели, коммутирующие контакты, гибкие проводники шарнирных контактных соединений и др.
Задачей рассматриваемых расчётов является определение размеров сечения частей токоведущего контура. Сечение частей в значительной степени
определяет их габариты, а, следовательно, и габариты аппарата. Сечение является исходной величиной для многих последующих расчётов вышеперечисленных частей электрических аппаратов.
Уже в начальной стадии проектирования аппарата необходимо выбрать
конструктивные формы проводников токоведущего контура и ориентировочно
определить их длину. Одновременно следует выбрать конструктивные формы
контактных соединений проводников. При этом следует стремиться применять
возможно меньшее число контактных соединений. Каждое контактное соеди7
нение создает переходное сопротивление, что приводит к потерям электроэнергии и нагреву элементов. Кроме того, каждое соединение может вызвать нарушение работы аппарата в процессе эксплуатации.
В таблице 5.1. приведены данные сопротивлений частей токоведущего
контура контактора постоянного тока, представленного на рисунке 5.1.
Таблица 5.1.
№
Сопротивление,
Элементы цепи тока
позиции
мкОм
1-1
Полное сопротивление контура
16,25
2
Дугогасительная катушка
6,10
3
Дугогасительная катушка – неподвижный контакт
1,93
4
Неподвижный контакт – подвижный контакт
0,45
5
Подвижный контакт – держатель контакта
1,84
6
Держатель контакта (контактодержатель)
0,81
7
Держатель контакта – гибкое соединение
1,62
8
Гибкое соединение
3,50
Правила оформления Курсовой работы изложены в Части I, 4.2, 4.3.
Нумерация формул в пояснительной записке должна строго соответствовать нумерации формул в учебно-методическом пособии.
Определение величины эквивалентного тока
В том случае, если режим работы контактора является повторно – кратковременным, расчёт его токоведущих частей в номинальном режиме работы
проводится с учётом эквивалентного тока. Под эквивалентным током I ЭКВ понимается ток, который вызвал бы тот же нагрев токоведущих частей, что и отключаемый реальный номинальный ток I Н при длительном протекании, в совокупности с дополнительным нагревом контактов электрической дугой.
Эквивалентный ток I ЭКВ вычисляется по эмпирической формуле
I
где I Н
I ЭКВ
ПВ%
z
=
=
=
=
экв
 IН
А
А
%
ПВ %
z
ПВ %
(5.1)

, А,
100
600 100
– номинальный ток главной цепи;
– эквивалентный ток главной цепи;
– продолжительность включения;
– допустимое число циклов включения в час.
Дальнейший расчёт токоведущего контура электромагнитного контактора проводится по большему из значений I Н или I ЭКВ . Для длительного режима работы ( ПВ% = 100%) вычисление I ЭКВ не производится. В этом
случае для всех вычислений используется значение тока I Н .
8
При выполнении вычислений по расчётным формулам необходимо использовать справочную данные, представленные в разделе приложений. Для
оптимизации процесса обращения к справочной информации, в тексте имеются
ссылки: Таблица П.1; Таблица П.2; Рисунок П.1; и т.д.
Вычислив значение тока I ЭКВ или по величине тока I Н необходимо
определить предварительные технические параметры токоведущих шин по
справочным данным (Таблица П.1, Таблица П.2, Таблица П.3 и Таблица П.4):
a ПР =
b ПР =
k ГПР =
мм – предварительное значение толщины шины;
мм – предварительное значение ширины шины;
– предварительный коэффициент геометрии шины.
Расчёт технических параметров токоведущих шин
Размеры токоведущих шин прямоугольного сечения определяются по величине эквивалентного тока. Расчётная толщина токоведущей шины a Р :
aР  3
2
I ЭКВ
 0  ( 1    Д )
2  kT  ( 1  k ГПР )  k ГПР  (  Д   О )
, мм,
(5.2)
где  0 – удельное электрич. сопротивление металла шины (Таблица П.5);
 – температурный коэффиц. сопротивления металла (Таблица П.5);
 Д = 95 ºС – допустимая температура нагрева болтового соединения;
 О = 40 ºС – температура окружающей среды;
kT – коэффициент теплоотдачи (Таблица П.6);
k ГПР – предварительный коэффициент геометрии токоведущей шины;
a Р – расчётная толщина токоведущей шины;
bР – расчётная ширина токоведущей шины.
Расчётная ширина bР токоведущей шины
b Р  a Р  k ГПР , мм.
(5.3)
Согласно справочным данным (Таблица П.1, Таблица П.2, Таблица П.3 и
Таблица П.4) принимаем для тока I ЭКВ фактические технические параметры
стандартной шины расчётного или ближайшего большего сечения:
a =
b =
kГ =
мм
мм
– фактическая толщина токоведущей шины;
– фактическая ширина токоведущей шины;
– фактический коэффициент геометрии шины.
9
Определим расчётную плотность тока в токоведущей шине:
I
2
j Р  ЭКВ , А/мм .
a Р  bР
Оценим фактическую плотность тока в токоведущей шине:
jФ 
I ЭКВ
, А/мм2.
ab
(5.4)
(5.5)
В последующих расчётах используются следующие фактические значения технических параметров токоведущих шин:
a =
b =
kГ =
мм
мм
– толщина токоведущей шины;
– ширина токоведущей шины;
– коэффициент геометрии токоведущей шины.
Расчёт температуры нагрева токоведущих шин в номинальном
режиме работы
Выполненные вычисления позволяют оценить температуру нагрева токоведущих шин. Температура  К шин в номинальном режиме работы
 К  О 
2
 0  ( 1     Д )  I ЭКВ
kT  П  S
, ºС,
(5.6)
где П  2  ( a  b ) , м – периметр токоведущего элемента – шины;
S  a  b , м2 – площадь поперечного сечения токоведущей шины.
Для исключения возможности перегрева шин и нарушения токопередачи
в номинальном режиме работы, должно выполняться условие  К <  Д .
В результате расчёта получено следующее значение температуры нагрева
 К токоведущих шин:
К =
ºС, что меньше  Д = 95 ºС для не размыкаемых болтовых
соединений из меди и её сплавов, для алюминия и его сплавов.
Расчёт термической стойкости токоведущих шин
Режим короткого замыкания рассматривается как кратковременный режим работы, при котором температура частей электрического аппарата может
достигать значений, превосходящих предельно допустимую температуру в продолжительном режиме. Продолжительность короткого замыкания небольшая,
поэтому не происходит существенного изменения физико-химических свойств
изоляции и других элементов аппарата.
Тем не менее, и в этом случае существуют ограничения, которые диктуются температурой рекристаллизации (размягчения) материала токоведущих
10
частей. В электрических аппаратах приняты следующие значения максимальной температуры при кратковременном режиме работы:
 неизолированные токоведущие части из меди и её сплавов – 300 °С;
 алюминиевые токоведущие части – 200 °С;
 токоведущие части (кроме алюминиевых), соприкасающиеся с органической
изоляцией или маслом – 250 °С.
В том случае, если токоведущий контур выполнен из разнородных материалов, значение максимальной температуры принимается равным наименьшему значению, характерному для используемых материалов.
Проведя тепловой расчёт применительно к продолжительному режиму,
необходимо оценить термическую стойкость аппарата, т.е. его способность выдерживать нагрев токоведущих частей без их термического разрушения протекающим по ним током короткого замыкания в течение времени, называемого
временем термической стойкости. Обычно время термической стойкости принимается равным 1, 5 и 10 с. Ток короткого замыкания, который в течение этого
времени нагревает аппарат до допустимой в этом режиме температуры, называется током термической стойкости.
Рассчитаем термическую стойкость токоведущей шины для режима короткого замыкания, определив величину теплового импульса АКЗ :
2
2
АКЗ  I КЗ
 t КЗ , А ×с.
(5.7)
Допустимая температура нагрева  КЗ в режиме короткого замыкания
принимается равной для Al 150÷200  C, а для Cu - 200÷300  C.
Выполним вычисления теплового импульса А КЗ (  Д ) с учётом температуры  Д в номинальном режиме работы
где 
C
Д
  С  S 2 1     КЗ 2
, А ×с,
AКЗ (  Д ) 
ln
0  
1    Д
(5.8)
кг/м3 – плотность материала шины (Таблица П.5);
Дж/кг×ºС – теплоёмкость материала шины (Таблица П.5);
= 95 ºС – допустимая температура нагрева болтового соединения шин.
Определим величину тока термической стойкости I КЗ (  Д ) в зависимости от величины расчётного времени короткого замыкания 1, 5 или 10 секунд:
I КЗ (  Д ) 
1с
I КЗ
( Д ) 
АКЗ (  Д )
t КЗ
5с
( Д ) 
А, I КЗ
11
, А.
10 с
( Д ) 
А, I КЗ
(5.9)
А.
Вычислим значения плотности тока j КЗ (  Д ) для тока термической стойкости в зависимости от величины расчётного времени короткого замыкания 1, 5
или 10 секунд и с учётом температуры  Д :
j КЗ (  Д ) 
1с
j КЗ
( Д ) 
I КЗ (  Д )
ab

I КЗ (  Д )
5с
( Д ) 
А/мм2, j КЗ
S
, А/мм2.
10 с
( Д ) 
А/мм2, j КЗ
(5.10)
А/мм2.
Значения j КЗ (  Д ) должны быть меньше допустимых значений, приведённых в Приложениях (Таблица П.7).
Выполним аналогичные вычисления теплового импульса АКЗ (  К ) , только с учётом температуры  К в номинальном режиме работы:
  С  S 2 1     КЗ 2 с
,А × ,
AКЗ (  К ) 
ln
0  
1    К
(5.11)
где  , кг/м3 – плотность материала шины (Таблица П.5);
C , Дж/кг×ºС – теплоёмкость материала шины (Таблица П.5);
К =
ºС – температура шин в номинальном режиме работы.
Определим величину тока термической стойкости I КЗ (  К ) в зависимости от величины расчётного времени короткого замыкания 1, 5 или 10 секунд:
I КЗ (  К ) 
1с
I КЗ
( К ) 
АКЗ (  К )
, А.
t КЗ
5с
А, I КЗ
( К ) 
10 с
А, I КЗ
( К ) 
(5.12)
А.
Вычислим значения плотности тока j КЗ (  К ) для тока термической стойкости в зависимости от величины расчётного времени короткого замыкания 1, 5
или 10 секунд:
j КЗ (  К ) 
1с
j КЗ
( К ) 
I КЗ (  К ) I КЗ (  К )

, А/мм2.
ab
S
5с
А/мм2, j КЗ
( К ) 
10 с
А/мм2, j КЗ
( К ) 
(5.13)
А/мм2.
Значения j КЗ (  К ) не должны превышать допустимых значений, указанных в Приложениях (Таблица П.7).
12
Расчёт технических параметров гибкого соединения
Толщину гибкого соединения a ГС можно определить по формуле
S ГС
, м,
a ГС 
b ГС  k З
где S ГС  S , м2 – площадь поперечного сечения гибкого соединения;
b ГС  b , мм – ширина гибкого соединения;
k З  0 ,785 – коэффициент заполнения, т.е. отношение площади
поперечного сечения (по меди) многопроволочной
токопроводящей жилы к площади, ограниченной
описанным около неё контуром.
(5.14)
Используя справочные данные из Приложений (Таблица П.8), выбираем
размер плоского провода, ближайший к расчётному по сечению и допустимому
длительному току. В том случае, если необходим плоский провод большего сечения, применяются 2 или 4 плоских провода меньшего сечения, соединённых
параллельно.
Принимаем следующие фактические размеры гибкого соединения:
a ГС =
bГС =
nГС =
мм – толщина гибкого соединения – «косички»;
мм – ширина гибкого соединения – «косички»;
шт. – количество параллельных «косичек».
5.2. Расчёт контактных соединений
В качестве контактных соединений в контакторе используются разборные
болтовые соединения плоских токоведущих шин, в том числе и гибкое соединение – «косичка».
При расчёте проводников токоведущего контура контактора постоянного
тока необходимо решить следующие задачи:
 определить площадь и размеры сечения в нормальном рабочем режиме
(продолжительный, повторно-кратковременный режим работы);
 провести проверку выбранного сечения в кратковременном режиме:
 для максимальных пусковых токов (аппараты управления);
 для аварийных токов (токов короткого замыкания) (аппараты распределения электрической энергии).
Внешний вид не размыкаемого болтового соединения двух токоведущих
шин сечением S  a  b с перекрытием (нахлёстом) l КС представлен на рисунке
5.2. Здесь сила контактного нажатия создаётся при помощи пары болт – гайка.
Для увеличения площади контактирования и стабилизации параметров применяются шайбы, в том числе и разрезные пружинные шайбы. Для увеличения
общей площади контактирования допустимо применение нескольких болтовых
соединений (не более четырёх).
13
Рис. 5.2. Контактное соединение плоских токоведущих шин.
Длину перекрытия концов плоских шин или плоских поверхностей соединяемых токоведущих деталей обычно достаточно брать равной ширине шины или ширине контактной плоскости детали, если при этом можно разместить
необходимое число болтов.
Шины прямоугольного сечения соединяют внахлёстку двумя болтами
при ширине шин до 60 мм и четырьмя болтами – при ширине шин 80 мм и более. Длина участка болтового соединения при этом должна составлять не менее
двойной ширины соединяемых токоведущих шин.
Определение переходного сопротивления не размыкаемого
болтового контактного соединения «шина – шина»
Из справочных данных, приведённых в Приложениях (Таблица П.9), выбирается, в соответствии с индивидуальным заданием, рекомендуемое значение
плотности тока j для не размыкаемого соединения:
I ЭКВ =
А
– эквивалентный ток главной цепи контактора;
– материал токоведущих шин;
2
j =
А/мм – рекомендуемое значение плотности тока.
Расчёт силы контактного нажатия
Необходимая площадь контактной поверхности S 1 токоведущих шин
определяется по формуле
I
S 1  ЭКВ , мм2,
(5.15)
j
где S 1 =
мм2
– площадь контактной поверхности шин;
I ЭКВ =
А
– эквивалентный ток главной цепи контактора;
2
j =
А/мм – рекомендуемое значение плотности тока.
14
Длину перекрытия (нахлёста) шин l КС можно рассчитать по формуле
S
l КС  1 , мм,
(5.16)
b
где l КС =
мм
– длина перекрытия токоведущих шин;
b =
мм
– ширина токоведущей шины.
С целью получения допустимых величин переходного сопротивления и
падения напряжения в контактном соединении, необходимо создать контактное
давление f К на шины в соответствие с рекомендациями (Таблица П.10).
Выбираются следующие рекомендуемые значения f К :
fК =
fК =
fК =
2
Н/м
Н/мм2
кгс/мм2
– материал токоведущих шин;
– рекомендуемое контактное давление;
– рекомендуемое контактное давление;
– рекомендуемое контактное давление.
Сила контактного нажатия FК определяется по формуле
FК  f К  S 1 , Н.
(5.17)
По величине требуемой силы контактного нажатия FК из справочных
данных (Таблица П.11) подбирается необходимое количество n болтов с расчётной силой затяжки FБ1 ≥ FК . В процессе выбора болтов следует учесть, что
суммарная площадь контактных пятен S КП всех n болтов не должна быть
меньше расчётной площади S 1 контактной поверхности шин. Кроме этого,
диаметр d * отверстия в шине для установки болта должен составлять не более
1/2 ÷ 1/3 ширины b токоведущей шины. Также недопустимо превышение величины номинального тока I НБ на один болт.
Расстояние между центрами болтов выбирается не менее (2,2 ÷ 2,4) d ,
где d - диаметр болта, мм. Это требование ограничивает количество болтов в
не размыкаемом болтовом контактном соединении. Не рекомендуется использовать более 4 болтов.
При применении болтов, изготовленных из стали марки Ст.4 или Ст.5,
сила затяжки одного болта FБ1 возрастает в 1,15 или 1,30 раза соответственно.
15
В результате выполненных расчётов принимаются следующие технические параметры не размыкаемого болтового соединения токоведущих шин:
d М
n =
S КП =
n
=
S КП
S1 =
FК =
FБ1 =
I НБ =
– марка стали болта;
мм – диаметр болта;
шт. – количество болтов в контактном соединении;
мм2 – площадь контактного пятна одного болта;
мм2 – площадь контактного пятна при n болтах;
мм2 – площадь контактной поверхности шин;
Н
– расчётная сила контактного нажатия;
Н
– сила затяжки одного болта;
А
– величина номинального тока на один болт.
Расчёт общего (полного) сопротивления контактного соединения
Общее (полное) сопротивление электрического контактного соединения
RКО состоит из переходного сопротивления контактирующих поверхностей RК
и омического сопротивления контакта RК 1 . Сопротивление RК 1 отличается от
сопротивления прямолинейного участка шины из-за искривления линий тока в
месте контактирования. Это приводит к возрастанию сопротивления, что учитывается поправочным коэффициентом.
Расчёт переходного сопротивления контактирующих
поверхностей
Значение переходного сопротивления контактирующих поверхностей RК
определяется по эмпирической формуле
2
k ПХ  ( 1     Д )
(5.18)
3
RК 
m , Ом,
n  ( 0 ,102  FК )
где k ПХ – коэффициент, зависящий от материала и состояния поверхности;
 – температурный коэффициент сопротивления (ТКС);
 Д = 95 ºС – допустим. температура нагрева болтового соединения шин;
n – количество болтов в контактном соединении;
FК – расчётная сила контактного нажатия;
m – коэффициент формы контактной поверхности (Таблица П.13).
Указанные выше обозначения и сокращения, входящие в формулу (5.18),
приведены в расчётах или находятся в Приложениях (Таблица П.5; Таблица
П.12; Таблица П.13).
RК =
Ом – переходное сопротивление
контактирующих поверхностей.
16
Расчёт омического сопротивления контакта
Значение омического сопротивления контакта RК 1 определяется по известной классической формуле
RК 1  k С 
 0  l КС
, Ом,
(5.19)
S
где k C – поправочный коэффициент (0,5 ÷ 0,63);
 0 – удельное электрическое сопротивление (Таблица П.5);
l КС – длина контактного соединения, перекрытие токоведущих шин;
S – площадь поперечного сечения токоведущей шины.
RК 1
Расчётное значение омического сопротивления RК 1 следующее:
=
Ом – омическое сопротивление контакта.
Общее (полное) сопротивление контактного соединения
R КО  R К  R К 1 , Ом.
(5.20)
Расчётная величина общего (полного) контактного сопротивления составляет:
Ом – общее (полное) сопротивление контактного
RКО =
соединения.
Расчёт превышения температуры контактного соединения
При номинальном режиме работы температура контактного соединения
не должна превышать температуру нагрева  К примыкающих к нему шин
больше чем на 10  С и быть больше допустимой температуры  Д .
Превышение температуры  К контактного соединения определяется по
формуле
где S К  2( 2 a  b )  l КС
kТ
К
К
Д
2
I ЭКВ
 R КО
К 
, ºС,
kT  S К
– полная площадь наружной поверхности
контактного соединения;
– коэффициент теплоотдачи (Таблица П.6).
(5.21)
Тепловые параметры контактного соединения следующие:
=
ºС – превышение температуры соединения;
=
ºС – температура нагрева шин в номинальном режиме;
= 95 ºС
– допустимая температура нагрева соединения шин.
17
5.3. Расчёт коммутирующих контактов
Определение размеров коммутирующих контактов
Расчёт размеров поперечного сечения подвижного контакта производится
по электрической плотности тока j К . В пределах I Н или I ЭКВ от 20 А до 1000
А плотность тока находится в диапазоне
j К  ( 2 ,0  7 ,5 ) , А/мм2.
Меньшие значения j К применяются при длительном режиме работы, а
большее значение – для повторно-кратковременного или кратковременного режима работы.
Общий вид главного контакта, облицованного пластиной из серебра или
металлокерамики, представлен на рисунке 5.3. В зависимости от типа и конструкции контактора постоянного тока, внешний вид контактов может несколько отличаться от изображённого.
Рис. 5.3. Общий вид главного контакта, облицованного пластиной из серебра
или металлокерамики.
Расчёт площади поперечного сечения подвижного контакта S ПК производится по большему из значений I Н или I ЭКВ по формуле
S ПК 
IН
, мм2.
jК
(5.22)
Ширина подвижного контакта bПК (длина линии касания) определяется
по формуле
18
b ПК  k 1  I Н , мм,
(5.23)
где k 1  ( 1 ,1  2 ,1 ), мм  A 0 ,5 – характеристический коэффициент;
bПК – ширина подвижного контакта.
Для проверки правильности вычисленного значения bПК , принимаемого
для дальнейших расчётов, можно ориентироваться на представленные в ПриI
ложениях (Таблица П.14) значения линейной плотности тока j Л  Н , А/мм,
b ПК
полученные экспериментально. В силовых контакторах линейная плотность тока j Л может достигать значений до 20 А/мм.
Примерное значение ширины подвижного контакта bПК можно также
определить по графику, находящемуся в Приложениях (Рисунок П.1).
Толщина a подвижного и неподвижного контактов выбирается одинаковой и рассчитывается по формуле
a
S ПК
, мм.
b ПК
(5.24)
Ширина неподвижного контакта bНК выбирается с учётом возможного, в
процессе длительной эксплуатации, смещения подвижного контакта от расчётного положения. Ширина bНК должна быть на 20 ÷ 25% больше ширины подвижного контакта подвижного контакта bПК .
bНК  ( 1 ,2  1 ,25 )  bПК , мм.
(5.25)
Для повышения электроэрозионной стойкости главных контактов, их рабочая (контактирующая) поверхность может быть облицована металлокерамическими пластинами (накладками) или пластинами из серебра. Пластина припаивается (приваривается) тугоплавким припоем к рабочей поверхности главного контакта, как это показано на рисунке 5.3. Высота h* выбирается в пределах 1/2 ÷ 2/3 высоты контакта h .
В соответствие с данными из Приложений (Таблица П.15) для облицовки
главных контактов выбираются накладки. Их ширина должна быть равной или
большей расчётных значений bПК и bНК соответственно. Ширина подвижного
и неподвижного контакта bПК и bНК приводится в соответствие с шириной
установленных на них облицовочных пластин b*ПК и b*НК . Размеры h* и c * для
подвижного и неподвижного контакта должны быть одинаковыми. Значение c *
выбирается в зависимости от величины тока I Н и допустимого числа циклов
включения z в час.
19
Размеры облицовочной пластины (ОП) для подвижного контакта:
мм;
b*ПК =
мм;
мм.
h* =
c* =
Размеры облицовочной пластины (ОП) для неподвижного контакта:
мм;
b*НК =
мм;
мм.
h* =
c* =
Определим фактическую линейную плотность тока j ЛФ в коммутируемом контакте:
I
j ЛФ  *Н , А/мм.
(5.26)
bПК
Определим фактическую плотность тока j КФ в коммутируемом контакте
IН
j КФ 
, А/мм2.
(5.27)
*
a  bПК
Определим фактические конструктивные размеры коммутирующих контактов в соответствие с рисунком 5.3.
Фактические размеры подвижного главного контакта:
толщина a Ф
мм;
ПК  a 
Ф
ширина b ПК
мм;
 b*ПК 
Ф
Ф
длина c Ф
ПК  b ПК  a ПК 
Ф
высота hПК
 cФ
ПК 
мм;
мм.
Фактические размеры неподвижного главного контакта:
толщина a Ф
мм;
НК  a 
Ф
ширина b НК
мм;
 b*НК 
Ф
Ф
длина c Ф
НК  b ПК  a ПК 
Ф
высота hНК
 cФ
НК 
мм;
мм.
Выбор болтов, крепящих контакты к контактодержателю
и выводу дугогасительной катушки тока
Подвижный и неподвижный контакты крепятся к контактодержателю и
выводу дугогасительной катушки при помощи болтов (по одному крепёжному
болту на каждый контакт). Контактодержатель и дугогасительная катушка выполняются из меди. От параметров применяемых крепёжных болтов и усилия
их затяжки зависит надёжность работы всей конструкции в целом.
Из Приложений (Таблица П.9) выбирается рекомендуемое значение
плотности тока j в зависимости от величины I Н или I ЭКВ .
20
Расчёт силы контактного нажатия «контакт –
контактодержатель»
Необходимая расчётная площадь контактной поверхности подвижного
контакта определяется по формуле
I ЭКВ
, мм2,
j
Р
– расчётная площадь контактирования подвижного контакта
где S ПК
и контактодержателя;
j – рекомендованное значение плотности тока (Таблица П.9).
Р
S ПК

(5.28)
Определим фактическую площадь контактирования подвижного контакта
и контактодержателя
2
Ф
Ф
(5.29)
S ПК
 b ПК
 cФ
ПК , мм .
Р
Ф
Из двух значений S ПК
и S ПК
для дальнейших расчётов выбирается
Р
наибольшая величина. В том случае, если наибольшим является S ПК
, произво-
дится изменение (увеличение) значения c Ф
ПК с той целью, чтобы уравнять плоР
Ф
Ф
щади S ПК
и S ПК
(значение b ПК
не корректируется). Необходимо также произФ
Ф
вести коррекцию hПК , т.е. hПК = c Ф
ПК .
С целью получения допустимых величин переходного сопротивления и
падения напряжения в контактном соединении «контакт – контактодержатель»
необходимо создать контактное давление f К в соответствие со справочными
данными Приложений (Таблица П.10).
Сила контактного нажатия FК определяется по формуле
Р
, Н,
F К  f К  S ПК
(5.30)
Р
Р
Ф
где S ПК
– наибольшее из значений S ПК
или S ПК
;
f К – удельное давление в контактируемых частях (Таблица П.10).
По величине требуемой силы контактного нажатия FК выбирается один
болт с расчётной силой затяжки FБ1 ≥ FК , согласно справочным данным в Приложениях (Таблица П.11). В процессе выбора болта следует учесть, что плоР
щадь контактного пятна S КП не должна быть меньше S ПК
. При применении
болтов, изготовленных из стали марки Ст.4 или Ст.5, сила затяжки одного болта FБ1 может быть увеличена в 1,15 или 1,30 раза соответственно. При этом недопустимо превышение величины номинального тока I НБ на один болт.
Для крепления неподвижного контакта к выводу дугогасительной катушки тока применяется болт, аналогичный рассчитанному выше.
21
В результате выполненных расчётов принимаются следующие технические параметры крепления «контакт - контактодержатель»:
– марка стали болта;
мм – диаметр болта;
d М
S КП =
мм2 – площадь контактного пятна одного болта;
Р
=
мм2 – площадь контактной поверхности;
S ПК
FК =
Н
– расчётная сила контактного нажатия;
Н
– сила затяжки одного болта;
FБ1 =
I НБ
=
А
– величина номинального тока на один болт.
Определение силы контактного нажатия коммутирующих
контактов «подвижный контакт – неподвижный контакт»
Все электрические аппараты проектируются с учётом допустимых перегрузок. Рассчитанная сила контактного нажатия FК должна обеспечивать работу контактного узла при всех возможных режимах. В частности, необходимо
исключить сваривание контактов, их отброс вследствие действия электродинамических усилий (ЭДУ) в контактных площадках, а также значительную вибрацию при их замыкании.
Расчёт силы контактного нажатия FК производится по формуле
F К  k  F К1 , Н,
(5.31)
где k – коэффициент типа контакта, число площадок касания; для точечного
контакта k = 1, для линейного – k = 2, для плоскостного – k = 3;
1
FК – сила контактного нажатия, приходящаяся на одну элементарную
площадку.
Сила контактного нажатия FК главных коммутирующих контактов, приведённая к контактам, определяется по эмпирической формуле
(5.32)
kЛ    HB
2
FК  k  FК1  k  I ЭКВ

,
Н,
2

  ПР  
2
 
16    arccos

 КП  

– номинальный ток главной цепи
где I Н =
А
контактора;
I ЭКВ =
А
– эквивалентный ток главной цепи;
2
k Л = 2 ,3  10  8
(В/ºС)
– число Лоренца;
– теплопроводность материала
Вт/(м׺С)
 =
токоведущего проводника (Таблица П.5);
– твёрдость материала контакта по
HB =
Н/мм2
Бринеллю (Таблица П.16);
 ПР – температура проводника в точке, удалённой от контактной
площадки;
 КП – температура нагрева контактной площадки.
22
При выполнении расчёта выбирается наибольшее из значений I Н или
I ЭКВ . Под эквивалентным током I ЭКВ понимается ток, который вызвал бы тот
же нагрев токоведущих деталей, что и отключаемый реальный номинальный
ток при длительном протекании, в совокупности с дополнительным нагревом
контактов электрической дугой.
Температура проводника  ПР в точке, удалённой от контактной площадки, рассчитывается по формуле
где  0
kT
П КК
S КК
О
2


I ЭКВ
 0

 ПР  
  О  273  , К,
(5.33)
 kТ  П КК  S КК

=
Ом×м
– удельное сопротивление (Таблица П.5);
Вт
– коэффициент теплоотдачи
=
2 0
(Таблица П.6);
м  С
Ф
= 2( a Ф
мм
– периметр коммутирующего контакта;
ПК  b ПК )
Ф
= aФ
мм2
– площадь поперечн. сечения контакта;
ПК  bПК
= 40 ºС
– температура окружающей среды.
Температуру нагрева  КП контактной площадки можно определить по
формуле
где  ПР =
 КП =
К
К
 ККК = 5 ÷ 10 º
(5.34)
 КП   ПР   ККК , К,
– температура проводника в удалённой точке;
– температура нагрева контактной площадки;
– превышение температуры контактной площадки
главных коммутирующих контактов.
Температура нагрева контактной площадки  КП не должна превышать
температуру рекристаллизации (размягчения)  РЕК металла электрических контактов. Значения напряжений U РЕК , U ПЛ и температуры рекристаллизации
(размягчения)  РЕК и плавления  ПЛ металлов электрических контактов приведены в Приложениях (Таблица П.17).
В результате выполненных вычислений определены следующие параметры главных коммутирующих контактов:
FК =
 ПР =
 КП =
 РЕК =
Н
ºС
ºС
ºС
– сила контактного нажатия;
– температура проводника в удалённой точке;
– температура нагрева контактной площадки;
– температура рекристаллизации металла контакта.
23
Определение переходного сопротивления коммутирующих
контактов
Переходное сопротивление главных коммутирующих контактов RПХ
(одного разрыва цепи с током I Н или I ЭКВ ), определяется несколькими методами с использованием теоретических и практических зависимостей. Для дальнейших расчётов используется наибольшее значение R ПХ .
Определение переходного сопротивления контакта
по теоретической зависимости
Переходное сопротивление R ПХ по первому методу рассчитывается по
нижеприведённой теоретической формуле
(5.35)
, Ом,
2rk
– удельное сопротивление (Таблица П.5);
– ТКС материала контакта (Таблица П.5);
– допустимая температура нагрева;
– радиус круглой контактной площадки касания
контактов, зависящий от вида деформации
(см. рисунок 5.4);
– коэффициент типа контакта, число площадок
касания.
R ПХ 
где  0 =
Ом×м
 =
1/ºС
 ДКК = 105 ºС
r
=
мм
k =
шт.
 0  ( 1     ДКК )
Если контакты изготовлены из разных материалов, то удельное электрическое сопротивление  0 определяется по формуле
где  1
2
 0  0 ,5  (  1   2 ) , Ом×м,
(5.36)
– удельное электрическое сопротивление первого материала;
– удельное электрическое сопротивление второго материала.
При пластической деформации радиус r круглой контактной площадки
касания контактов определяется по эмпирической формуле
r
где FК1

HB =
FК

k
Н
Н/мм2
FК1
, мм,
  HB
(5.37)
– сила контактного нажатия, приходящаяся на
одну элементарную площадку;
– твёрдость материала контактов по Бринеллю
(Таблица П.16).
24
При упругой деформации
FК1  rК
(5.38)
, мм,
E
– радиус кривизны круглой контактной площадки
в зависимости от величины I ЭКВ ;
– модуль упругости материала (Таблица П.16).
r  0 ,86  3
где rК = 5 ÷ 20
E =
мм
Н/мм2
r
01
02
rк
Рис. 5.4. К пояснению понятий r и rК круглой контактной площадки.
При незначительных усилиях нажатия (до 0,01 Н) имеет место упругая
деформация микровыступов на поверхности контакта. При увеличении нажатия
до 0,1 ÷ 0,15 Н начинается пластическая деформация, вследствие чего происходит упрочение материала. При дальнейшем увеличении силы нажатия до сотен
ньютонов опять имеет место упругая деформация слоя металла, а при ещё
большем нажатии наступает снова пластическая деформация слоя.
О характере деформации можно судить по величине среднего давления в
контактирующем слое контакта f :
F К1
(5.39)
, Н/мм2.
f 
2
 r
Если среднее давление меньше твёрдости материала контакта, т.е.
f  H B , то деформация считается упругой. Если f  H B , то деформация пластическая, где H B – твёрдость материала контакта по Бринеллю.
По первому методу переходное сопротивление коммутирующих контактов R ПХ имеет следующую величину:
R ПХ
=
Ом
– величина переходного сопротивления (I метод).
25
Определение R ПХ по формуле, основывающейся на
экспериментальных данных
Переходное сопротивление R ПХ по второму методу рассчитывается по
нижеприведённой эмпирической формуле
k ПХ
2


R ПХ 
  1     ДКК  , Ом,
(5.40)
m
3
(0,102  FК )


– коэффициент, зависящий от материала и
где k ПХ
=
состояния поверхности контактов (Таблица П.12);
FК =
Н
– сила контактного нажатия главных контактов;
– коэффициент формы контактной поверхности
m =
(Таблица П.13);
 =
1/ºС – ТКС материала контакта (Таблица П.5);
КК
 Д = 105 ºС
– допустимая температура нагрева.
По второму методу переходное сопротивление коммутирующих контактов R ПХ имеет следующую величину:
R ПХ =
Ом – величина переходного сопротивления (II метод).
Определение R ПХ по графическим зависимостям
В результате многочисленных опытов в лабораторных условиях и на действующих натурных объектах были установлены зависимости R ПХ от величины силы контактного нажатия R ПХ  f ( FК ) для различных материалов, используемых в электроаппаратостроении.
Ввиду того, что ток I Н или I ЭКВ в контакторе постоянного тока протекает последовательно через сопротивление R ПХ и RН , то на них будет существовать падение напряжения. Чем больше величина R ПХ , тем большая мощность
тепловых потерь будет выделяться на коммутирующих контактах, что приводит
к повышенному их нагреву и ускорению процессов окисления контактирующих
поверхностей.
На графиках, находящихся в Приложениях (Рисунок П.2, Рисунок П.3),
приведены экспериментальные зависимости R ПХ  f ( FК ) , позволяющие оценить порядок R ПХ в зависимости от материала главных контактов.
По третьему методу переходное сопротивление коммутирующих контактов R ПХ имеет следующую величину (если есть данные, то среднеарифметическое значение, полученное из Рисунка П.2 и Рисунка П.3):
R ПХ =
Ом – величина переходного сопротивления (III метод).
Для дальнейших расчётов используется наибольшее значение R ПХ :
R ПХ
=
Ом
– величина переходного сопротивления (__метод).
26
Определение падения напряжения и температуры нагрева
коммутирующих контактов
При замкнутых коммутирующих контактах падение напряжения в токоведущем контуре аппарата в основном складывается из переходного сопротивления коммутирующих контактов и переходных сопротивлений разборных и
разъемных соединений.
Величину падения напряжения в переходном сопротивлении коммутирующих контактов можно получить путем измерения. В измеренную величину
помимо величины переходного сопротивления, сосредоточенного в контактной
площадке, входит величина сопротивления металла контакта, расположенного
между точками приложения измерительных электродов и контактной площадкой. Но сопротивление металла незначительно в сравнении с величиной переходного сопротивления R ПХ . Поэтому падение напряжения UК на замкнутых
коммутирующих контактах может быть приближённо выражено по формуле
где UК =
I Н или
=
I ЭКВ
R ПХ =
мВ
А
Ом
U К  I Н  R ПХ , мВ,
(5.41)
– падение напряжения на замкнутых
коммутирующих контактах;
– номинальный или эквивалентный ток главной
цепи контактора (наибольшее из двух значений);
– величина переходного сопротивления (__метод).
В существующих конструкциях аппаратов падение напряжения U К на
свежезачищенных контактах должно находиться в следующих пределах:
– для контактов, работающих в воздухе: U К = 2 ÷ 30 мВ;
– для контактов, охлаждаемых водой: U К = до 30 ÷ 40 мВ.
В любом случае, падение напряжения на контактах должно быть меньше
напряжения рекристаллизации (размягчения) U РЕК . Кроме напряжения рекристаллизации, применяется значение температуры рекристаллизации  РЕК металла, из которого изготовлены главные контакты.
Для надежной работы коммутирующих контактов необходимо, чтобы
температура нагрева контактной площадки  КП не превышала температуру рекристаллизации металла  РЕК , при которой начинается уменьшение механической прочности металла. Она должна быть значительно ниже температуры
плавления  ПЛ , при которой может произойти сваривание контактов, и не достигать температуры кипения  КИП . Справочные данные находятся в Приложениях (Таблица П.16, Таблица П.17).
По вычисленной величине падения напряжения UК на коммутирующих
контактах определяется превышение температуры  ККК контактной площадки.
Полученное значение сопоставляется с ранее принятым значением  ККК при
расчёте по формуле (5.34).
27
Превышение температуры  ККК контактной площадки коммутирующих
контактов над температурой металла контакта вычисляется по формуле
U К2
 
, ºС,
(5.42)
8  0  
Ом×м
– удельное сопротивление (Таблица П.5);
Вт/(м׺С) – удельная теплопроводность (Таблица П.5).
КК
К
где  0 =
 =
Уточнённое значение температуры нагрева контактной площадки  КП
можно определить по формуле
(5.43)
 КП   ПР   ККК , К,
– температура проводника в точке, удалённой от
К
контактной площадки, по формуле (5.33);
– превышение температуры контактной площадки
ºС
коммутирующих контактов, по формуле (5.42).
где  ПР =
 ККК =
Величину превышения температуры  ККК контактной площадки коммутирующих контактов также необходимо определить по справочным данным,
находящимся в Приложениях (Таблица П.18). Во всех случаях должно выполняться условие:
 КП ≤  ДКК = 105 ºС .
(5.44)
В результате расчётов были получены и приняты следующие значения
параметров коммутирующих контактов:
UК =
мВ
 ККК =
ºС
 КП =
ºС
– падение напряжения на замкнутых
коммутирующих контактах;
– превышение температуры контактной площадки
коммутирующих контактов;
– температура нагрева контактной площадки
коммутирующих контактов.
Определение допустимого тока через коммутирующие контакты
Допустимое значение тока I ДОП через замкнутые коммутирующие контакты характеризует возможности контактного узла реализовать заданный режим работы с учётом материала контактов, конструктивной формы контактной
поверхности, принятого значения  ККК и др.
Величина допустимого тока I ДОП рассчитывается по формуле
28
U РЕК
, А,
(5.45)
R ПХ
– допустимое значение тока через
коммутирующий контакт;
– предельное значение тока, при
котором начинается рекристаллизация;
– напряжение рекристаллизации (размягчения)
металла контакта (Таблица П.17);
– величина переходного сопротивления ( __метод).
ПР
I ДОП  ( 0 ,5  0 ,8 )  I РЕК
 ( 0 ,5  0 ,8 ) 
где I ДОП
=
А
ПР
I РЕК
=
А
U РЕК
=
В
R ПХ
=
Ом
Определение величины тока сваривания контактов
При протекании через коммутирующие контакты токов, значительно
больше номинальных (при перегрузках, пусках, коротких замыканиях) происходит повышенное нагревание и отброс контактов и они свариваются. Термическая и электродинамическая устойчивости (устойчивость контактов против
отбросов и сваривания) являются важнейшими параметрами, которые выражаются величинами предельно допустимого тока. Сваривание контактов может и
не быть причиной выхода из строя аппарата, если отключающий механизм способен разомкнуть (разорвать) сварившиеся контакты.
Расчёт начального тока сваривания коммутирующих контактов
Н
Расчёт начального тока сваривания I СВ
выполняется как по теоретическим зависимостям, так и по экспериментальным данным.
Н
В теоретическом методе расчётов начального тока сваривания I СВ
(граничного тока) материала контактов в основу положено соотношение, устанавливающее связь между падением напряжения в контакте UК и установившейся
температурой нагрева контактной площадки  КП . При расчёте используется
следующая зависимость:
Н
где I СВ
=
А =
k КП =
FК =
Н
I СВ
 A  k КП  F К , А,
(5.46)
– начальный ток сваривания материала
А
контактов;
0,5
А/кгс
– характеристический коэффициент;
– коэффициент увеличения контактной
площади при нагреве (2 ÷ 4);
– сила контактного нажатия контактов по
кгс
формуле (5.32).
29
Характеристический коэффициент А определяется по формуле
1


32     КП   1      КП 
3

 , А/кгс0,5,
A
(5.47)
2


  H B   0   1      КП 
3


0,5
где А =
А/кгс
– характеристический коэффициент;
– теплопроводность материала
 =
Вт/(м׺С)
проводника (Таблица П.5);
– температура нагрева контактной
 КП =
ºС
площадки;
– температурный коэффициент
1/ºС
 =
сопротивления (Таблица П.5);
– удельное электрическое сопротивление
0 =
Ом×м
материала (Таблица П.5);
– твёрдость материала контактов
HB =
кгс/мм2
по Бринеллю (Таблица П.16).
Н
Выражение для определения начального тока сваривания I СВ
по экспериментальным данным имеет следующий вид:
Н
I СВ
 k СВ  F К , А,
(5.48)
– коэффициент сваривания
где k СВ =
А/Н0,5
контактов (Таблица П.19);
– сила контактного нажатия контактов по
FК =
Н
формуле (5.32).
Н
Полученные значения начального тока сваривания I СВ
сравниваются
между собой, и для дальнейших расчётов принимается меньшее значение:
Н
=
I СВ
А
– начальный ток сваривания материала
контактов.
Расчёт тока приваривания коммутирующих контактов
Значение тока приваривания I ПР коммутирующих контактов определяется по формуле
I ПР  10  I ЭКВ , А.
(5.49)
В случае длительного режима работы контактора постоянного тока в выражении (5.49) используется значение тока I Н .
Принимаем следующее значение тока приваривания:
I ПР =
А – ток приваривания коммутирующих контактов.
30
Расчёт электродинамических сил отталкивания
Электродинамические усилия F ЭДУ , возникающие между коммутирующими контактами при протекании больших токов, стремятся (вследствие сужения линий тока) ослабить силу нажатия контактов FК и даже отбросить их.
Это вызывает увеличение переходного сопротивления R ПХ контактов, вибрацию (дребезг) подвижного контакта, образование дуги и, при чрезмерно большом токе, сваривание контактов.
Электродинамическая сила отталкивания F ЭДУ рассчитывается по формуле
S КК
, Н,
(5.50)
S0
– площадь поперечного сечения контакта,
в котором ещё нет сужения линий тока;
– площадь сечения контактной зоны в
месте сужения линий тока;
– сила контактного нажатия;
– предел прочности на смятие
(Таблица П.20).
2
FЭДУ  I ПР
 10 7  ln
где S КК
Ф
= aФ
ПК  b ПК 
S0 =
FК =
 СМ =
FК
 СМ

мм2
мм2
Н
Н/мм2
В результате расчёта получено следующее значение электродинамической силы отталкивания F ЭДУ :
Н, что меньше FК =
Н.
F ЭДУ =
Таким образом, электродинамическая сила отталкивания F ЭДУ не окажет
влияния на процесс передачи тока и отбрасывание контактов не произойдёт.
Расчёт износа коммутирующих контактов
Износ коммутирующих контактов зависит от многих факторов и происходит как при замыкании, так и при размыкании цепи тока. Мерой износа контактов является уменьшение провала (линейный износ), а также объём или масса удаляемого с контактной поверхности металла.
В основном износ происходит вследствие электрической эрозии, которая
имеет место как в процессе размыкания контактов, так и замыкания (при вибрации – кратковременные размыкания и замыкания).
31
Коммутационная износостойкость N (срок службы) – гарантируемое
число коммутаций или допустимое число циклов включения определяется по
формуле
N 
где N
=
VИЗН

=
VЗМ
VРЗ
G ЗМ
G РЗ
V ИЗН
V

, количество циклов,
 ИЗН
(5.51)
V ЗМ  V РЗ G ЗМ  G РЗ
кол-во
– коммутационная износостойкость;
циклов
– часть объёма пары контактов, который
м3
будет подвергнут износу;
– удельная плотность материала
кг/м3
контактов (Таблица П.5);
– удельный объёмный износ при одном
м3
замыкании коммутирующих контактов;
– удельный объёмный износ при одном
м3
размыкании контактов;
– удельный массовый износ при одном
кг
замыкании коммутирующих контактов;
– удельный массовый износ при одном
кг
размыкании контактов.
Расчёт удельного массового износа коммутирующих контактов
Суммарный средний износ массы пары контактов (одна дуга) при одном
включении и отключении тока более 20 А по эмпирической зависимости будет
равен
2
2
G ЗМ  G РЗ  k НЕР  ( k ЗМ  I ЭКВ
 k РЗ  nОТ  I ЭКВ
)  10 9 , кг,
где k НЕР
k ЗМ
= 1,1 ÷ 3,0
=
k РЗ =
nОТ =
кг/
А2
кг/
А2
(5.52)
– коэффициент неравномерности, учитывающий
не одинаковый износ материала анода и катода;
– коэффициент износа материала контактов
при замыкании (Таблица П.21, Рисунок П.4);
– коэффициент износа материала контактов
при размыкании (Таблица П.21, Рисунок П.4);
– кратность тока отключения.
В результате расчёта получено следующее значение суммарного среднего
износа массы пары коммутирующих контактов:
G ЗМ  G РЗ =
32
кг.
Расчёт изнашиваемой части объема контакта и линейного износа
Преобразовав формулу (5.51) можно найти значение части объёма VИЗН
пары коммутирующих контактов, который будет подвергнут износу:
V ИЗН 
муле
N

( G ЗМ  G РЗ ) , м3.
(5.53)
Линейный износ L ИЗН коммутирующего контакта вычисляется по фор-
L ИЗН 
Ф
Ф
Ф
где S ПК
 b ПК
 hПК

м2
Ф
b ПК

м
Ф
hПК

м
V ИЗН
, м,
(5.54)
Ф
S ПК
– фактическая площадь контактирования
подвижного контакта;
– фактическая ширина подвижного
контакта (Рисунок 5.3);
– фактическая высота подвижного
контакта (Рисунок 5.3).
Допускается износ каждого коммутирующего контакта до 0,5 ÷ 0,75 его
первоначальной толщины. В этом случае обеспечивается надёжная работа контактов и контактора постоянного тока в целом.
Расчёт провала контакта
Под провалом контакта подразумевается величина смещения подвижного
контакта на уровне точки его касания с неподвижным контактом в случае, если
неподвижный контакт будет удален.
Провал контактов обеспечивает надежное замыкание цепи, когда толщина контактов уменьшается вследствие эрозии (выгорания) их материала под
действием электрической дуги. Величина провала определяет запас материала
контактов на износ в процессе работы контактора.
По величине линейного износа L ИЗН коммутирующего контакта можно
рассчитать техническое значение провала контакта  П
 П  2  LИЗН , м.
Выбираем техническое значение провала контакта  П =
33
(5.55)
мм.
5.4. Расчёт дугогасительной системы
Гашение электрической дуги в аппаратах низкого, до 1000 Вольт, напряжения является одной из актуальных проблем, содержащей весьма сложный
комплекс вопросов электротехники и физики.
Задача проектирования дугогасительной системы заключается в том, чтобы система удовлетворяла следующим требованиям:
 имела заданную коммутационную – отключающую и включающую способность, т.е. величину отключаемых и выключаемых токов при заданных
условиях;
 имела минимальное время горения дуги с целью уменьшения износа контактов и дугогасительной камеры;
 не создавала недопустимых перенапряжений;
 имела минимальные размеры дугогасительной системы и минимальный выброс пламени и ионизированных газов, могущих вызвать пробой изоляции
между частями аппарата и комплектного устройства;
 имела минимальный звуковой и световой эффекты.
Гашение дуги постоянного тока в камере с продольной щелью в поперечном магнитном поле применяется в том случае, когда не удается погасить дугу
механическим растягиванием и за счёт электродинамических усилий, возникающих вследствие взаимодействия магнитного поля тока, протекающего по деталям токоведущего контура и дуги.
На рисунке 5.5 изображена типовая схема дугогасительной камеры с продольной щелью и поперечным магнитным полем.
Рис. 5.5. Схема конструкции дугогасительной камеры с катушкой тока.
Обозначение позиций соответствует рисунку 1.1.
Камера имеет две боковые стенки 4 толщиной bC из дугонагревостойкого электроизоляционного материала, охватывающие коммутирующие контакты 2 и 5. Расстояние между стенками (щель) в месте расположе34
ния контактов –  2 . Ширина технологического зазора bЗ между неподвижным
контактом 2 и стенкой камеры 4 составляет 2 мм. К внешней поверхности стенок прилегают пластины-полюсы 25 электромагнитной системы, имеющей сердечник 1 и дугогасительную катушку 24. Расстояние между пластинамиполюсами –  1 . Создаваемый электромагнитной системой магнитный поток Ф
проходит между пластинами-полюсами в зоне образования и горения дуги, с
последующим исчезновением после погасания дуги.
При размыкании контактов 2 и 5 между ними образуется дуга Д . Вследствие возникших сил F Д (от магнитного поля и электродинамических усилий
контура тока) дуга Д удлиняется, входит в узкую щель  3 , при этом её опорные точки перемещаются по дугогасительным рогам (на рисунке не показаны).
С целью сокращения габаритов камеры и контактора, а также снижения массы
и экономии материалов допускается выход дуги из камеры.
Большая длина дуги приводит к большим габаритам камеры и аппарата.
Следует иметь в виду, что увеличение длины дуги при одинаковых габаритных
размерах камеры можно получить за счет применения зигзагообразной щели.
Для того, чтобы загнать дугу в узкую щель, необходимо иметь плавный
переход с углом сужения дугогасительной камеры  из широкой контактной
части камеры  2 в щель  3 и создать достаточную напряженность H поперечного магнитного поля.
Напряженность H должна быть достаточной, чтобы загнать дугу в щель
 3 . В Приложениях (Таблица П.22) приведены значения минимальной напряженности H магнитного поля, достаточной для вхождения дуги в узкую щель.
Здесь I ОТ – отключаемый ток;  2 – внутренняя ширина контактной части камеры;  3 – ширина щели;  – угол в месте перехода от  2 к  3 , как это показано на рисунке 5.5.
Следует отметить, что при последовательно включенной дугогасительной
катушке её намагничивающая сила НС ( I  w ) ДКТ ( w ДКТ – число витков катушки 24 на рисунке 5.5) пропорциональна величине отключаемого тока.
Намагничивающая сила и сечение магнитопровода 1 рассчитываются так,
чтобы при небольших разрываемых токах не было насыщения, а почти вся НС
приходилась на воздушный зазор  1 между полюсами магнитопровода, т.е. на
межконтактный промежуток, из которого надо вытолкнуть образовавшуюся дугу. При больших же токах магнитопровод должен быть насыщен, чтобы снизить напряженность магнитного поля H в воздушном промежутке между полюсами и тем самым уменьшить скорость движения дуги, интенсивность ее гашения, перенапряжения и износ контактов. Об отсутствии и наличии насыщения магнитопровода можно судить по кривой намагничивания магнитопровода,
полученной при расчете магнитной системы дугогашения.
Желательно, чтобы напряженность поля H была оптимальной по износу
контактов в режиме наиболее частых отключений тока. При размыкании контактов между ними возникает короткий перешеек из расплавленного металла.
35
При малой напряженности поля H происходит повышенный износ контактов 2
и 5 вследствие испарения металла из-за значительной продолжительности горения дуги. При большой напряженности поля H износ контактов повышается
вследствие выбрасывания (разбрызгивания) расплавленного металла коммутирующих контактов электродинамическими силами.
Наличие внешнего магнитного поля способствует резкому сокращению
раствора контактов в области малых токов и незначительно сказывается на
процесс гашения при токах 100 А и выше. Наиболее оптимальной магнитной
индукцией является B = 0,0069 Тл. Дальнейшее увеличение индукции B незначительно влияет на процессе гашения, но требует большей мощности для
создания магнитного поля и связано с увеличением затрат меди на катушку.
Расчёт критической длины отключаемой электрической дуги
В процессе гашения электрическая дуга растягивается до критической
(конечной) длины l КР , после чего распадается на части и гаснет. Величина l КР
может быть определена по эмпирической формуле
l КР  k КР  U Н  3 I ОТ , м,
(5.56)
где l КР =
м – критическая длина электрической дуги;
-5
k КР = (7 ÷ 13) ×10 м/В × А
– коэффициент критической длины дуги;
UН =
В – номинальное напряжение главной цепи;
I ОТ =
А – предельный отключаемый ток.
Коэффициент k КР зависит от величины индуктивности, входящей в состав сопротивления нагрузки RН главной цепи контактора.
Расчёт площади пластины-полюса магнитной системы
При применении щелевой камеры разрыв предельного тока I ОТ сопровождается выходом дуги за пределы камеры на 0,1 ÷ 0,2 м. С учётом этого требуемая для размещения дуги площадь боковой поверхности камеры S ДК при
типичном для контакторов соотношении её сторон 1:2 определяется как
2
( 0 ,04  l КР
) 2
S ДК 
,м ,
(5.57)
k ИП
– площадь боковой поверхности
где S ДК =
м2
дугогасительной камеры;
– коэффициент использования пространства
k ИП = 0,7 ÷ 0,8
щелевой дугогасительной камеры.
Площадь ферромагнитной пластины-полюса S ПП , обеспечивающей подвод магнитного поля в зону горения дуги, рассчитывается по формуле
2
S ПП  0 ,6  S ДК , м .
36
(5.58)
Расчёт расстояния между пластинами-полюсами
Величина воздушного (немагнитного) зазора  1 в магнитной системе дугогасительной камеры равна расстоянию между полюсами и зависит от ранее
Ф
рассчитанной фактической ширины неподвижного контакта b НК
. Кроме этого,
предусматривается технологический зазор bЗ между стенками камеры и конФ
тактом b НК
, а также учитывается толщина стенки bC из дугостойкого материала. В итоге, расстояние между пластинами-полюсами определяется по формуле
где  1 =
Ф
b НК
=
bЗ = 2
bC = 5
Ф
(5.59)
 1  ( b НК
 2 b З  2 bС )  10 3 , м,
– расстояние между пластинами-полюсами
м
дугогасительной камеры;
мм – фактическая ширина неподвижного контакта;
– ширина зазора между неподвижным контактом
мм
и стенкой дугогасительной камеры;
мм – толщина стенки дугогасительной камеры.
Расчёт магнитного потока в зоне пластин-полюсов
Параметры дугогасительной катушки 24 определяются по среднему значению магнитной индукции BС в зоне пластин-полюсов, величина которой
влияет на электромагнитную силу F Д , воздействующую на электрическую дугу. Уменьшение её снижает эффективность дугогашения, повышает время горения дуги t Д , а увеличение приводит к росту коммутационных перенапряжений и повышенному износу коммутирующих контактов.
Опыт конструирования и эксплуатации показал, что величина магнитной
индукции BС = 0,0069 Тл обеспечивает приемлемое время гашения дуги в пределах 0,05 ÷ 0,1с и сравнительно невысокие перенапряжения на расходящихся
контактах электрического аппарата.
Величина магнитного потока Ф ПП в зоне пластин-полюсов определяется
по формуле
где Ф ПП
=
Вб
BС =
Тл
S ПП
=
м2
Ф ПП  BС  S ПП , Вб,
(5.60)
– величина магнитного потока в зоне пластинполюсов;
– среднее значение магнитной индукции;
– площадь пластины-полюса дугогасительной
камеры.
37
Величину магнитного потока ФС в сердечнике 1 катушки тока можно
вычислить по формуле
где ФС =
Вб
k МР = 1,2 ÷ 1,4
ФС  k МР  Ф ПП , Вб,
(5.61)
– величина магнитного потока в сердечнике;
– коэффициент магнитного рассеяния.
При расчётной индукции BС магнитное сопротивление стали магнитопровода пренебрежимо мало по сравнению с магнитным сопротивлением зазора между полюсами, что позволяет считать магнитное сопротивление цепи
полностью сосредоточенным на воздушном зазоре  1 . Тогда
BС   0  H 
где (I  w ) ДКТ
w
1
А
м
 0  ( I  w )ДКТ
, Тл,
 1  k МР
(5.62)
– намагничивающая сила (НС) катушки тока;
– количество витков катушки тока;
– расстояние между пластинами-полюсами.
Определим намагничивающую силу (I  w ) ДКТ катушки тока:
B   1  k МР
, А,
( I  w )ДКТ  C
0
где (I  w ) ДКТ =
А
-6
 0 = 1,26 × 10 Гн/м
(5.63)
– намагничивающая сила катушки тока;
– магнитная постоянная.
Расчёт количества витков дугогасительной катушки тока
Количество витков w ДКТ дугогасительной катушки можно определить по
формуле
w ДКТ 
( I  w )ДКТ
, число витков.
(5.64)
0 ,5  I Н
В формуле (5.64) коэффициент 0,5 позволяет учесть тот факт, что индукция BС должна обеспечиваться при среднем значении разрываемого тока в цепи, изменяющегося в процессе дугогашения от I Н до 0. Полученное значение
w округляется до ближайшего большего целого числа.
Таким образом:
w ДКТ
=
– количество витков дугогасительной катушки тока.
38
Выбор технических параметров шины для катушки тока
Дугогасительная катушка изготавливается из прямоугольной медной шины, намотанной на узкое ребро. Поперечное сечение шины было рассчитано в
начале раздела; технические параметры шины следующие:
a =
b =
kГ =
S  ab =
мм
мм
м2
– толщина токоведущей шины;
– ширина токоведущей шины;
– коэффициент геометрии шины;
– площадь поперечного сечения шины.
Расчёт площади поперечного сечения сердечника катушки тока
Площадь поперечного сечения SС сердечника дугогасительной катушки
должна быть достаточна для предотвращения состояния насыщения стали. Это
позволяет сохранить линейную зависимость между магнитным потоком ФС и
создающим его током I Н в широком диапазоне токовых нагрузок. Для рационального проектирования системы электромагнитного дутья насыщение сердечника должно наступать при токах отключения I ОТ = (2,2 ÷ 3,5) I Н .
Площадь поперечного сечения SС ферромагнитного сердечника дугогасительной катушки тока определяется по формуле
SС 
ФС
, м2 .
BC
(5.65)
Далее вычисляется расчётная величина диаметра сердечника d СР 1 :
d СР 1 
4  SC

, м.
(5.66)
Для определения фактического значения диаметра сердечника d СФ 1 , полученное значение d СР 1 округляется до большего целого числа.
d СФ 1 =
мм
– фактический диаметр сердечника
дугогасительной катушки тока.
39
5.5. Проектирование вспомогательных контактов
Блок-контакты являются неотъемлемой частью контактора и предназначаются для электрической связи контактора с внешними элементами управления, сигнализации и пр. В различных типах контакторов они могут выполняться точечными, линейными или плоскостными.
В рассчитываемом контакторе постоянного тока принимается точечный
тип контактирования. В качестве материала вспомогательных контактов используется серебро. В зависимости от величины тока I БК через блок-контакты,
из Приложений (Таблица П.15) выбирается диаметр d К и толщина c * контактных накладок:
I БК =
dК =
c* =
А – величина тока через блок-контакты;
мм – диаметр контактной накладки;
мм – толщина контактной накладки.
Величина удельного нажатия блок-контактов f Н выбирается в пределах
0,05 ÷ 0,1 Н/А в зависимости от величины тока I БК . Далее рассчитывается сила
К
Н
конечного нажатия F НП
и сила начального нажатия F НП
нажимной пружины
14, воздействующей на блок-контакты 16 (Рисунок 1.1):
К
F НП
fН =
I БК =
 f Н  I БК =
Н
К
F НП
 0 ,5  F НП
=
Н/А
А
Н
Н
– величина удельного нажатия;
– величина тока через блок-контакты;
– сила конечного нажатия пружины;
– сила начального нажатия пружины.
Для подключения вспомогательных контактов к внешним элементам
управления и автоматики из справочных данных Приложений (Таблица П.23)
выбираются технические параметры соединительных проводов:
ПВ% =
I БК =
S ПР =
%
– продолжительность включения;
А
– величина тока через блок-контакты;
2
мм – площадь поперечного сечения провода;
– тип изоляции электрического провода.
40
5.6. Кинематический расчёт электромагнитного привода
Задача кинематики – определение движения звеньев механизма независимо от действующих на них сил. Назначение кинематической схемы – дать
наглядное и точное представление о передаче и преобразовании движения звеньями механизма. Кинематическая схема строится для наиболее характерных
положений цикла движения механизма, в том числе для двух крайних – включенного и отключенного положения аппарата. Одним из характерных положений коммутационных аппаратов является момент касания коммутирующих
контактов.
На кинематической схеме в условных обозначениях изображаются все
звенья и кинематические пары механизма, указывается их взаимное расположение и связь с другими частями аппарата. На схеме по возможности указываются основные данные, характеризующие кинематику механизма:
 величина хода или угла поворота ведомого и ведущего звеньев;
 теоретические длины плеч, передаточные отношения;
 расположение и направление векторов сил или моментов сил (величины
сил и моментов определяются при силовом расчете);
 прочие данные, например, у электромагнитных механизмов – рабочий воздушный зазор, у механизмов коммутирующих контактов – раствор, провал,
проскальзывание и перекатывание подвижного контакта.
В электромагнитном контакторе действуют как движущие, так и противодействующие силы. Силы и пары сил (моменты) разделяются на следующие
виды:
 Движущие силы или пары сил приводного электромагнитного, пружинного,
электродвигательного и других механизмов. Эти силы приложены к ведущему звену.
 Силы полезных сопротивлений. У коммутационных аппаратов – силы нажатия контактов, осуществляемые пружинами.
 Силы вредных сопротивлений. Это силы трения в кинематических парах
(шарнирах, направляющих и др.), силы гидродинамического сопротивления
(например, при движении звена механизма в масле), силы давления газа в
камере дугогасительного устройства.
 Силы тяжести. Действие этих сил может быть как полезным, так и вредным.
 Электродинамические силы. Эти силы становятся значительными при больших токах, например токах короткого замыкания, и их необходимо учитывать. Электродинамические силы могут быть полезными и вредными.
 Силы и моменты сил инерции. Эти силы возникают при неустановившемся
движении механизма – при движении звеньев с ускорением и замедлением.
Силы инерции совершают положительную и отрицательную работу, в зависимости от их направления. За период цикла движения механизма работа
сил инерции равна нулю. При построении статической характеристики она
не учитывается.
 Силы реакции в кинематических парах.
41
Характеристика противодействующих сил
Расчёт силы начального сжатия контактных пружин всех полюсов
На рисунке 5.6 приведены типовые конструктивные схемы электромагнитно-пружинных механизмов контакторов постоянного тока, а также соответствующие им кинематические схемы во включенном состоянии контактора, когда    min . Якорь 11 электромагнита может перемещаться относительно оси
вращения О под действием либо электромагнитной силы FЭМ , либо силы FВП
возвратной пружины и силы FКП контактной пружины. Кроме этого, контактодержатель 7 с подвижным контактом 5 имеет возможность вращения на призме
10. Такое техническое решение позволяет создать усилие FКП на главных контактах 2 и 5 при провале  П контактов.
Рис. 5.6. Типовые конструктивные схемы электромагнитно-пружинных
механизмов контакторов А, В. Ниже – соответствующие им кинематические
схемы во включенном состоянии контактора (    min ).
Обозначение позиций соответствует рисунку 1.1.
FЭМ
Якорь электромагнита притянут к его сердечнику под действием силы
на плече l ЭМ приложения электромагнитной силы. При этом образовалась
42
сила нажатия контактной пружины FКП (сила контактного нажатия) на плече
l КП . Кроме этого, силе FЭМ противодействуют сила возвратной пружины FВП
на плече l ВП . Действием сил тяжести и прочими силами (моментами) в расчёте
пренебрегаем.
Для выполнения расчётов контактной (притирающей) пружины 9 и возвратной пружины 15 необходимо рассмотреть плечи приложения сил:
 плечо приложения l ЭМ тяговой силы электромагнита FЭМ (точка О – ось
симметрии сердечника электромагнита);
 плечо приложения l КП силы контактной пружины FКП (точка О – середина
контактирующей поверхности подвижного главного контакта 5);
 плечо приложения l ВП силы возвратной пружины FВП (точка О – середина
опорной площадки возвратной пружины 15).
При относительно небольшом рабочем зазоре электромагнита  max (10 ÷
12 мм), для получения раствора  Р главных коммутирующих контактов, достаl 
точного для уверенного гашения электрической дуги, отношение плеч  КП 
 l ЭМ 
должно находиться в пределах 1,0 ÷ 1,9.
Действующие силы всех пружин необходимо привести (путем пересчета
плеч) к рабочему зазору  по оси симметрии сердечника электромагнита, т.е. к
месту приложения электромагнитной силы FЭМ . Приведение сил пружин к рабочему зазору производится для того, чтобы иметь возможность согласовать
движущие и противодвижущие силы при включении контактора.
Движение механизма аппарата может рассматриваться как движение по
определенной траектории материальной точки, к которой приводятся все действующие силы, как силы движущие, так и силы сопротивления движению. Эта
точка называется точкой приведения, а силы — приведенными. Пары сил (моменты) также могут быть приведены к одному звену приведения.
Приведенные силы и моменты сил по своему действию должны быть эквивалентны действию движущих сил и моментов. Величина приведенной силы
F  определяется из условия того, что её работа на возможном перемещении
точки приложения равна работе действительной силы (или момента).
В дальнейшем приведённые к рабочему зазору  значения обозначаются
с точкой, например приведённое значение силы F  .
В широко распространённых в электрических аппаратах двухзвенных рычажно-шарнирных механизмах любая сила F , действующая на плече l , может
быть приведена к точке приложения электромагнитной силы FЭМ , расположенной на плече l ЭМ , на основании зависимости
 l 
  F , Н,
F   
l
 ЭМ 

где F , Н – приведённая к плечу l ЭМ сила F .
43
(5.67)
Н
Значение силы начального сжатия F КП
контактных пружин всех полюсов p , приведённое к рабочему зазору  , рассчитывается по формуле
Н
где F КП
 l КП

 l ЭМ



l 
Н
FКП
  КП   FК  p , Н,
(5.68)
 l ЭМ 
– сила начального сжатия контактных
=
Н
пружин (приведённое значение);
= 1,0 ÷ 1,9; принятое
– отношение плеч действия FКП и FЭМ ;
значение =
FК =
p =
А или В –
FВП
Н
– сила контактного нажатия,
рассчитанная по формуле (5.32);
– количество главных контактов
(число полюсов);
– применённая типовая конструктивная
схема электромагнитно-пружинного
механизма контактора (Рисунок 5.6).
Следует учесть, что все последующие расчётные значения сил FКП и
автоматически приведены к рабочему зазору  электромагнита.
Расчёт силы конечного сжатия контактных пружин
К
Н
, Н.
F КП
 ( 1 ,3  1 ,5 )  F КП
(5.69)
Расчёт силы конечного сжатия возвратной пружины
где k ВП
= 0,3 ÷ 0,5
К
Н
, Н,
F ВП
 k ВП  F КП
(5.70)
– расчётный коэффициент возвратной пружины.
Расчёт силы начального сжатия возвратной пружины
Н
К
, Н.
F ВП
 k ВП  F ВП
(5.71)
Расчёт полного значения раствора и провала контактов
При полном ходе и провале главного контакта 5 (Рисунок 5.6) из одного
крайнего положения (контакты 2 и 5 разомкнуты) во второе крайнее положение
(контакты 2 и 5 замкнуты) рабочий зазор  приводного электромагнита изменяется в пределах от  max до  min ≠ 0. Величина раствора коммутирующих
контактов  Р определяется по эмпирической формуле
44
где  Р =
UН =
I ОТ =
 Р  0 ,42  10 3  U Н  1 ,1  I ОТ , мм,
(5.72)
мм – раствор коммутирующих контактов;
В
– номинальное напряжение главной цепи;
А
– предельный отключаемый ток.
Далее вычисляется полное значение (сумма) раствора и провала коммутирующих контактов  :
где 
=
Р =
П =
   Р   П , мм,
(5.73)
– полное значение (сумма) раствора и провала
мм
коммутирующих контактов;
мм – раствор коммутирующих контактов;
– провал коммутирующего контакта,
мм
рассчитывается по формуле (5.55).
По результатам расчёта  необходимо определить максимальное значение рабочего зазора электромагнита  max , которое не должно быть больше (10
l 
÷ 12 мм ). В противном случае, необходимо изменить соотношение плеч  КП 
 l ЭМ 
в диапазоне 1,0 ÷ 1,9 или применить иную типовую конструктивную схему ( А
или В) электромагнитно-пружинного механизма контактора в соответствие с
рисунком 5.6.
Рабочий зазор  max должен иметь минимально возможную длину для
обеспечения расчётного значения  . Это позволит уменьшить габариты, мощность и рабочую температуру электромагнита, исключить вибрацию (дребезг)
главных контактов при включении и тем самым увеличить ресурс работы контактора.
l

   , мм,

– величина принятого при расчётах
значения соотношения плеч l КП и l ЭМ ;
 max   ЭМ
 l КП
l
где  КП
 l ЭМ

 =

 l ЭМ

 l КП

 =

(5.74)
– величина, обратная принятому при расчётах
l 
значению  КП  .
 l ЭМ 
Далее рассчитывается критический зазор электромагнита  КР , соответствующий моменту касания главных контактов при движении якоря от положения  max через точку  КР к конечному значению  min . Для исключения «за45
липания» якоря к полюсному наконечнику за счёт остаточной намагниченности
при отключении катушки электромагнита зазор  min ≠ 0.
l
 КР   ЭМ
 l КП

   Р , мм.

(5.75)
На основании выполненных вычислений строится характеристика противодействующих сил F   f (  ) , приведённая к рабочему зазору  электромагнита. Зависимость противодействующих сил F   f (  ) от величины рабочего
зазора  представлена на рисунке 5.7. Каждая прямая строится по двум рассчиН
К
танным значениям (точкам) приведённых сил: F ВП
и FВП
силы возвратной
Н
К
пружины, F КП
и F КП
силы контактной пружины.
При выполнении графических построений значение  min = 0, в отличие от
ранее обоснованного утверждения о том, что  min ≠ 0. Действие сил тяжести,
сил трения и прочих сил (моментов сил) в расчётах не учитывается.
Результирующая характеристика противодействующих сил F   f (  )

представляет собой арифметическую сумму характеристик силы FВП
возврат
ной пружины и силы F КП
контактной пружины.
 КР
Значение силы возвратной пружины F ВП
при критическом зазоре  КР
можно определить по графику на рисунке 5.7 или рассчитать по формуле
 КР
где F ВП
=
Н
F ВП
=
 КР =
 max =

 КР
Н
Н 
 , Н,
FВП
 FВП
  КР  FВП
(5.76)
  max

– сила сжатия возвратной пружины при  КР ;
Н
– сила начального сжатия возвратной
Н
пружины при  max ;
мм – критический рабочий зазор электромагнита;
мм – максимальное значение рабочего зазора.
46
Рис. 5.7. Тяговая характеристика электромагнита FЭМ  f (  ) и характеристика противодействующих сил F   f (  ) , приведённых к рабочему зазору  ,
(механическая характеристика контактора).

Далее производится расчёт противодействующих сил F КР
при критическом зазоре  КР , который соответствует моменту касания главных контактов
при движении якоря электромагнита

 КР
Н
, Н,
(5.77)
F КР
 FВП
 F КП
– величина противодействующей силы при

где F КР
=
Н
критическом зазоре  КР ;
 КР
– сила сжатия возвратной пружины при  КР ;
=
Н
F ВП
– сила начального сжатия контактной
Н
=
Н
F КП
пружины.

По известному значению силы FКР
при критическом зазоре  КР находитКР
ся сила F ЭМ
, которую должен развивать электромагнит при  КР
где k ЗС
= 1,3 ÷ 1,7
КР

, Н,
FЭМ
 k ЗС  FКР
– коэффициент запаса по силе.
47
(5.78)
Аналогично рассчитывается точка, соответствующая необходимой миниmin
мальной силе FЭМ
, развиваемой электромагнитом при максимальном рабочем
зазоре  max
min
Н
, Н,
FЭМ
 k ЗС  F ВП
min
где FЭМ
=
Н
Н
F ВП
Н
=
(5.79)
– минимальная (начальная) сила, развиваемая
электромагнитом при  max ;
– сила начального сжатия возвратной
пружины, приведённое значение.
КР
min
Через точки F ЭМ
и FЭМ
проводится тяговая характеристика электромагнита
FЭМ  f (  ) . По графику определяется приблизительное значение электромагmax
нитной силы F ЭМ
при рабочем зазоре  min .
Следует отметить, что зазор  min ≠ 0 обеспечивается так называемой пластиной «отлипания» толщиной от 0,2 до 0,5 мм выполненной из диамагнитного
материала, как правило – из латуни.
max
F ЭМ
=
Н
– максимальная сила, развиваемая
электромагнитом при  min .
Данные из графиков, представленных на рисунке 5.7, используются для
дальнейших расчётов конструктивных элементов и узлов электромагнитного
контактора постоянного тока.
Расчёт цилиндрических витых винтовых пружин
Практически каждый электрический аппарат имеет одну или несколько
пружин. Значительное число пружин электрических аппаратов, выполняя ответственную роль, определяют основные характеристики аппаратов, поэтому
их расчёт имеет большое значение.
Действие пружины основано на использовании потенциальной энергии,
запасённой пружиной, за счёт предварительной её деформации силами электромагнитного, пневматического, электродвигательного, ручного или другого
механизма.
Пружины и пружинные механизмы обладают важными свойствами: усилия пропорциональны деформациям и не зависят от положения в пространстве.
Из нескольких видов пружин в электрических аппаратах наибольшее применение получили: плоские консольные пружины прямоугольного сечения и цилиндрические винтовые пружины сжатия и растяжения.
Витые из проволоки или прутка цилиндрические пружины применяются
при необходимости получить значительные прогибы. Зависимость силы F от
прогиба f винтовой пружины сжатия представлена на рисунке 5.8.
48
x – ход механизма; отсчитывается от положения, при котором пружина развивает
наибольшее усилие;
f 1 – прогиб пружины; отсчитывается в
противоположном ходу направлении;
F – сила, развиваемая пружиной, равная
силе, деформирующей пружину;
D1 – средний диаметр пружины;
d 1 – диаметр проволоки пружины;
l – длина винтовой пружины;
t 1 – шаг намотки пружины.
Индексы у буквенных обозначений:
Н
– начальное напряжение (сжатие)
пружины;
К
– конечное напряжение (сжатие)
пружины;
СВ
– свободное состояние пружины.
Рис. 5.8. Характеристики цилиндрической пружины сжатия.
Так как выполненный ранее расчёт осуществлялся с приведением сил к
оси симметрии сердечника электромагнита (силы приведены к рабочему зазору
электромагнита), то для расчёта реальных технических параметров пружин
необходимо выполнить обратное преобразование, т.е. привести действие сил
непосредственно к месту расположения пружин в контакторе.
Следует отметить, что расчёт параметров пружин носит качественный
характер, т.к. используются усреднённые значения плеч приложения сил и их
отношения. Тем не менее, такой подход оказывается оправданным и позволяет
проследить основные закономерности расчёта. Необходимую для расчёта информацию об отношении плеч можно получить из рисунка 5.6.
На основании теории деформации винтовой пружины, навитой из углеродистой пружинной проволоки круглого сечения и воспринимающей осевую
сжимающую или растягивающую нагрузку, пружина рассчитывается на скручивание проволоки  КР . При этом используются следующее выражение:
 КР 
где  КР
F
D1
d1
16  F  D1

8  F  с1
, Н/мм2,
(5.80)
2    d 1 
  d 1 
– допустимое напряжение на скручивание,
= 350 ÷ 570 Н/мм 2
предел выносливости на скручивание;
Н
– осевая сжимающая или растягивающая сила;
мм
– средний диаметр пружины;
мм
– диаметр проволоки; из неё навита пружина;
3
49
2
D1
– индекс пружины;
d1
с 1 = 16 ÷ 8 до 10 ÷ 4 при d 1 < 0,4 мм до d 1 > 2,0 мм.
с1 
Прогиб пружины f 1 определяется по формуле
f1 
8  F  D1   n1
3
8  F  с 1   n1

, мм,
G  d1
3
G  d 1 
где f 1
мм
– величина прогиба пружины;
– число рабочих витков цилиндрической
n1
пружины сжатия;
2
– модуль упругости сдвига при кручении.
G = 79500 Н/мм
4
(5.81)
Значение силы F , развиваемой пружиной, рассчитывается по формуле
F
f 1  G  d 1 
4
8  D1   n1
3

f1  G  d1
8  с 1   n1
3

  d 1 3   КР
8  D1

  d 1 2   КР
8  с1
, Н.
(5.82)
Откуда находится диаметр углеродистой пружинной проволоки d 1 :
d1 
8  F  с1
F  c1
, мм.
 1 ,6 
   КР
 КР
(5.83)
Число витков пружины определяется по формуле:
n1 
f1  G  d1
8  F  c1 
3
.
(5.84)
Шаг пружины сжатия t 1 и её свободная длина l СВ вычисляются следующим образом:
t1  d 1 
f1
, мм;
n1
l СВ  n 1  t 1  1 ,5  d 1 , мм.
50
(5.85)
Расчёт технических параметров возвратной пружины
При срабатывании электромагнита якорь движется из положения  max до
положения  min ≠ 0. При этом приведённая к рабочему зазору электромагнита
Н
сила возвратной пружины изменяется от значения F ВП
(якорь отпущен, но уже
К
существует предварительная сила сжатия пружины) до значения FВП
(якорь
притянут, сила сжатия пружины максимальна).
Фактическая (не приведённая к рабочему зазору электромагнита) сила
нажатия возвратной пружины FВП рассчитывается по формуле

где FВП =
 l ЭМ

 l ВП

 =

К
FВП
=
Н
F ВП

l 
К
Н
, Н,
FВП   ЭМ   FВП
 FВП
(5.86)
 l ВП 
– фактическая сила нажатия возвратной
Н
пружины;
– отношение плеч приложения сил,
определённое по рисунку 5.6 А или В;
Н
Н
– сила конечного сжатия возвратной
пружины по формуле (5.70);
– сила начального сжатия возвратной
пружины по формуле (5.71).
Следует учесть, что при расчётах FВП и прогиба возвратной пружины
f 1 ВП (см. расчёт ниже) должна применяться та же типовая конструктивная
схема (рисунок 5.6, А или В), что и при расчётах  max (формула 5.74).
Фактический прогиб возвратной пружины f 1 ВП определяется из выполненного ранее расчёта рабочего зазора  max :
l
f 1 ВП   ВП
 l ЭМ
l 
где  ВП  =
 l ЭМ 
 max =

   max , мм,

(5.87)
– отношение плеч приложения сил,
определённое по рисунку 5.6, А или В;
мм
– максимальное значение рабочего зазора.
Для выполнения дальнейших расчётов выбирается индекс возвратной
пружины с 1 ВП в пределах 12 ÷ 8.
с 1 ВП
=
– индекс возвратной пружины.
51
Далее рассчитывается диаметр проволоки возвратной пружины d 1РВП :
8  F ВП  с 1 ВП
F ВП  c 1 ВП
 1 ,6 
, мм,
(5.88)
   КР
 КР
– допустимое напряжение на скручивание,
= 350 ÷ 570 Н/мм 2
предел выносливости на скручивание;
– принятое значение допустимого напряжения
=
Н/мм2
на скручивание;
– расчётный диаметр углеродистой проволоки
=
мм
для изготовления возвратной пружины.
d 1РВП 
где  КР
 КР
d 1РВП
На основании рассчитанного значения d 1РВП из таблицы 5.2 выбирается
фактическое значение диаметра углеродистой проволоки d 1 ВП :
Таблица 5.2
d 1 ВП = 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,5; 6,0 мм
Для дальнейших расчётов возвратной пружины принимается следующее,
ближайшее большее, фактическое значение диаметра проволоки d 1 ВП :
d 1 ВП =
мм.
Средний диаметр возвратной пружины D1 ВП равен:
D 1 ВП  с 1 ВП  d 1 ВП , мм.
(5.89)
Число рабочих витков возвратной пружины n1 ВП составляет:
n 1 ВП 
f 1 ВП  G  d 1 ВП
(5.90)
3
8  F ВП  c 1 ВП 
где n1 ВП = не менее 2 вит.
– число рабочих витков возвратной пружины;
2
– модуль упругости сдвига при кручении.
G = 79500 Н/мм
СВ
Шаг намотки возвратной пружины t 1 ВП и её свободная длина l ВП
вычисляются следующим образом:
t 1 ВП  d 1 ВП 
f 1 ВП

n1 ВП
СВ
мм; l ВП
 n1 ВП  t 1 ВП  1 ,5  d 1 ВП 
52
мм.
(5.91)
Возвратная пружина имеет следующие технические параметры:
FВП
=
Н
f 1 ВП
с 1 ВП
=
=
мм
d 1 ВП
=
мм
D1 ВП
n1 ВП
t 1 ВП
=
=
=
=
мм
СВ
l ВП
– фактическая сила нажатия возвратной
пружины;
– фактический прогиб возвратной пружины;
– индекс возвратной пружины;
– диаметр углеродистой проволоки для
изготовления возвратной пружины;
– средний диаметр возвратной пружины;
– целое число витков возвратной пружины;
– шаг намотки возвратной пружины;
– свободная длина возвратной пружины.
мм
мм
Расчёт технических параметров контактной пружины
Расчёт технических параметров одной контактной пружины производится
аналогично выполненному ранее расчёту возвратной пружины.
Фактическая (не приведённая к рабочему зазору электромагнита) сила
нажатия одной контактной пружины FКП рассчитывается по формуле
l
FКП   КП
 l ЭМ
где FКП
 l КП

 l ЭМ
=
Н

 =

p =
К
F КП
Н
F КП
=


 1
К
Н
   FКП
, Н,
 FКП
 p
– фактическая сила нажатия одной
контактной пружины;
(5.92)
– отношение плеч приложения сил,
принятое в формуле (5.68);
Н
Н
– количество полюсов (главных контактов);
– сила конечного сжатия контактной
пружины по формуле (5.69);
– сила начального сжатия контактной
пружины по формуле (5.68).
Следует учесть, что при расчётах FКП и прогиба контактной пружины
f 1 КП (см. расчёт ниже) должна применяться та же типовая конструктивная
схема (рисунок 5.6, А или В), что и при расчётах  max (формула 5.74). При расчёте принимается, что сила контактной пружины приложена к плечу l КП .
53
Фактический прогиб контактной пружины f 1 КП определяется из выполненного ранее расчёта провала коммутирующего контакта  П :
l
f 1 КП   ЭМ
 l КП
l
где  ЭМ
 l КП

 =

П =
мм

   П , мм,

(5.93)
– отношение плеч приложения сил,
принятое в формуле (5.74);
– значение провала контакта, рассчитанное
по формуле (5.55).
Для выполнения дальнейших расчётов выбирается индекс контактной
пружины с1 КП в пределах 12 ÷ 8.
с 1 КП
=
– индекс контактной пружины.
Далее рассчитывается диаметр проволоки контактной пружины d 1РКП :
8  F КП  с 1 КП
F КП  c 1 КП
 1 ,6 
, мм,
(5.94)
   КР
 КР
– допустимое напряжение на скручивание,
= 350 ÷ 570 Н/мм 2
предел выносливости на скручивание;
– принятое значение допустимого напряжения
=
Н/мм2
на скручивание;
– расчётный диаметр углеродистой проволоки
=
мм
для изготовления контактной пружины.
d 1РКП 
где  КР
 КР
d 1РКП
На основании рассчитанного значения d 1РКП из таблицы 5.3 выбирается
фактическое значение диаметра углеродистой проволоки d 1 КП :
Таблица 5.3
d 1 КП = 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,5; 6,0 мм
Для дальнейших расчётов контактной пружины принимается следующее,
ближайшее большее, фактическое значение диаметра проволоки d 1 КП :
d 1 КП =
мм.
Средний диаметр контактной пружины D1 КП равен:
D 1 КП  с 1 КП  d 1 КП , мм.
54
(5.95)
Число рабочих витков контактной пружины n1 КП составляет
f
 G  d 1 КП
n 1 КП  1 КП
(5.96)
3
8  F КП  c 1 КП 
где n1 КП = не менее 2 вит. – число рабочих витков контактной пружины;
– модуль упругости сдвига при кручении.
G = 79500 Н/мм2
СВ
Шаг намотки контактной пружины t 1 КП и её свободная длина l КП
вычисляются следующим образом:
t 1 КП  d 1 КП 
f 1 КП

n1 КП
СВ
мм; l КП
 n1 КП  t 1 КП  1 ,5  d 1 КП 
мм.
(5.97)
Контактная пружина имеет следующие технические параметры:
FКП
=
Н
f 1 КП =
с 1 КП =
мм
d 1 КП =
мм
D1 КП =
n1 КП =
t 1 КП =
СВ
=
l КП
мм
мм
мм
– фактическая сила нажатия контактной
пружины;
– фактический прогиб контактной пружины;
– индекс контактной пружины;
– диаметр углеродистой проволоки для
изготовления контактной пружины;
– средний диаметр контактной пружины;
– целое число витков контактной пружины;
– шаг намотки контактной пружины;
– свободная длина контактной пружины.
55
5.7. Расчёт приводного электромагнита
Применяемые в настоящее время электромагнитные механизмы имеют
разнообразные конструктивные формы магнитопроводов и катушек, а также
способы питания катушек. Наиболее часто используемые типовые конструктивные схемы электромагнитно-пружинных механизмов контакторов и соответствующие им кинематические схемы во включенном состоянии приведены
на рисунке 5.6.
При расчёте электромагнита постоянного тока по заданным условиям
действия механизма, для которого предназначен электромагнит, и по зависимости величины требуемой силы от хода ведущего звена механизма выбирается
конструктивная форма электромагнита. Далее определяются размеры магнитапровода 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. Намагничивающая сила катушки должна быть
достаточной для создания необходимого магнитного потока. При этом катушка
должна обладать такой теплоотдачей, чтобы при заданном режиме работы её
температура не превышала допустимого значения для принятого класса нагревостойкости изоляционных материалов. Таким образом, задача расчёта представляет собой определение размеров и создание конструкции электромагнита
по заданным параметрам.
На основании ряда выполненных расчётов и экспериментов по электромагнитам различных конструктивных форм был предложен метод выбора оптимальной конструктивной формы по геометрическому показателю («конструктивному фактору») Г. Для электромагнитов постоянного тока геометрический показатель Г определяется по формуле
Г
где Г =
min
F ЭМ
 max
, Н0,5/м,
Н0,5/м
 max
=
м
min
FЭМ
=
Н
(5.98)
– геометрический показатель
(«конструктивный фактор»);
– начальный (максимальный)
рабочий зазор (формула 5.74);
– минимальная сила, развиваемая
электромагнитом (формула 5.79).
Анализируя зависимость FЭМ и  max от конструктивных параметров
электромагнита, можно сделать вывод о том, что геометрический показатель Г
характеризует отношение наружного диаметра цилиндрического электромагнита или катушки электромагнита DК к её длине (высоте) l К .
Каждой конструктивной форме электромагнита, спроектированного оптимально по экономичности в отношении массы, соответствует определенный
56
диапазон значении Г, при котором удельный расход материалов является
наименьшим.
Для электромагнитов, представленных на рисунке 5.6, значения геометрического показателя Г приведены в таблице 5.4.
Таблица 5.4.
Значения геометрического показателя Г для типовых электромагнитов
Геометрический показатель Г
Конструктивная форма электромагнита
Н0,5/м
кгс0,5/см
Однокатушечный электромагнит с одним
сердечником и внешним притягиваемым
630 ÷ 63000
1,9 ÷ 190
якорем.
Приведённые в таблице 5.4 значения по электромагнитам постоянного
тока относятся к продолжительному режиму работы с работоспособностью,
близкой к 11,5 кгс× см, и превышением температуры 70 °С.
Для изготовления магнитопроводов электромагнитов как постоянного,
так и переменного тока, как правило, применяются магнитомягкие низкоуглеродистые ферромагнитные материалы. Основной характеристикой магнитного
материала является зависимость величины магнитной индукции B от напряженности магнитного поля H – кривая намагничивания. Кривые намагничивания магнитомягких материалов приведены в справочных данных Приложений
(Рисунок П.6).
В электромагнитах постоянного тока детали магнитопроводов изготовляются из прутков, полос и листов или отливаются такой толщины, которая
соответствует расчётному сечению детали. У электромагнитов средних размеров при отсутствии жёстких требований к снижению коэрцитивной (задерживающей) силы и высокой магнитной проницаемости детали магнитопровода
целесообразно изготовлять из качественной конструкционной низкоуглеродистой стали.
При расчёте размеров сердечника магнитопровода величина начальной
индукции в рабочем воздушном зазоре Bmin при отпущенном якоре (  max ) выбирается в зависимости от величины геометрического показателя Г по справочным данным в Приложениях (Рисунок П.5):
Г =
Bmin
=
Н0,5/м
Тл
– геометрический показатель
(«конструктивный фактор»);
– начальная магнитная индукция в
рабочем зазоре  max .
Для оптимизации дальнейших расчётов приводного электромагнита постоянного тока принимаются следующие допущения:
 рабочий воздушный зазор  max имеет небольшой размер по сравнению с
размерами магнитопровода и сердечника;
57
 магнитное поле в воздушном зазоре равномерное, т.е. в пределах площади
полюса (торца) сердечника электромагнита индукция B постоянна;
 потоки рассеяния отсутствуют;
 по конструктивным соображениям полюсный наконечник в электромагните
не предусматривается;
 нерабочие зазоры пренебрежительно малы.
Индукцию B при отпущенном якоре (  max ) необходимо выбрать такой,
чтобы при притянутом якоре максимальная индукция в сердечнике была бы у
колена (перегиба) кривой намагничивания (Приложения, Рисунок П.6). Индукция Bmin в рабочем воздушном зазоре при отпущенном якоре для большинства
силовых электромагнитов принимается в пределах 0,6 ÷ 1,0 Тл.
Эскизный проект приводного электромагнита постоянного тока с внешним притягиваемым якорем представлен на рисунке 5.9.
Рис. 5.9. Эскизный проект приводного электромагнита постоянного тока:
О – ось вращения якоря; l ЭМ – плечо приложения тяговой силы;  – рабочий
зазор; d С – диаметр сердечника; DК – наружный диаметр катушки; l К – длиВ
на (высота) катушки; DСР – средний диаметр обмотки; DОБ
– внутренний
Н
диаметр обмотки; DОБ
– наружный диаметр обмотки; lОБ – длина (высота) обмотки; hОБ – толщина обмотки.
Эскизный проект электромагнита приводится в пояснительной записке
по фактически рассчитанным размерам в натуральную величину!
58
Расчёт площади поперечного сечения полюса сердечника
Необходимая площадь поперечного сечения полюса S П рассчитывается
по выбранной магнитной индукции Bmin в рабочем зазоре при отпущенном
якоре электромагнита, когда  max . Для расчёта площади S П используется
min
уравнение электромагнитной силы Максвелла FЭМ
для электромагнита постоянного тока:
min
FЭМ
min
где FЭМ
Фmin
Bmin
SП
0
Ф 
B 

min 2
min 2


 SП
(5.99)
, Н,
2  0  S П
2  0
– минимальная (начальная) сила,
=
Н
развиваемая электромагнитом (5.79);
– минимальный (начальный) магнитный
Вб
поток в рабочем зазоре при  max ;
– магнитная индукция (начальное значение)
=
Тл
в рабочем зазоре при  max (Рисунок П.5);
– площадь поперечного сечения полюса
м2
(торца) сердечника электромагнита;
7
– магнитная постоянная.
 4    10 Гн/м

Откуда рассчитывается значение S П :
SП 
min
2   0  FЭМ
B 
min 2
, м2 ,
(5.100)

где S П =
SП =
м2
мм2
– площадь поперечного сечения полюса
(торца) сердечника электромагнита;
– площадь поперечного сечения полюса
(торца) сердечника электромагнита.
Расчёт диаметра сердечника электромагнита
Диаметр сердечника электромагнита d С определяется по формуле
dС 
где d С =
dС =
м
мм
4 SП

, м,
– диаметр сердечника приводного
электромагнита;
– диаметр сердечника приводного
электромагнита.
59
(5.101)
Выбор материалов для катушки электромагнита
Катушка должна обеспечить необходимую намагничивающую силу срабатывания электромагнита, температура её нагрева должна быть не выше предельно допустимой для принятого класса нагревостойкости изоляции. В производстве катушек аппаратов применяется большое число марок обмоточных
проводов, главным образом круглых, реже квадратных и прямоугольных. Следует иметь в виду, что эмалированные провода имеют важное преимущество –
малую толщину изоляции, что повышает коэффициент заполнения обмоточного пространства k ЗОБ и приводит к уменьшению геометрических размеров катушки.
При применении проводов с волокнистой изоляцией следует учитывать,
что шёлковая изоляция имеет примерно в полтора раза меньшую толщину, чем
хлопчатобумажная. Натуральные материалы с успехом заменяются синтетическими, например искусственным волокном.
В качестве материалов, изолирующих обмоточные токоведущие провода
снаружи катушек и отдельные элементы (ряды, слои) обмоток внутри них,
применяются лакоткани, изоляционные ленты, изоляционные бумаги и пр.
Для пропитки, покрытия наружной поверхности и склеивания внутренней
изоляции катушек (витки провода склеиваются друг с другом) применяются лаки, компаунды и эмали.
К конструкционным материалам каркасов и прочим вспомогательным
материалам относятся пластические массы, низкоуглеродистая сталь, латунь,
медь. Также при изготовлении применяется электрокартон, фибра, гетинакс,
текстолит, стеклотекстолит, припои, канифоль, нитки, шпагат и др.
Обмотка катушки электромагнита может наматываться по следующим
технологиям:
 непосредственно на изолированный сердечник электромагнита;
 на изолированную металлическую втулку, которая устанавливается на сердечник (плотно надевается на сердечник);
 на каркас из изоляционного материала или выполняется бескаркасной.
При различных технологиях происходит как изменение формы и конструкции, так и изменяются условия отвода тепла и значение температуры
нагрева катушки. Обмотка наматывается, как правило, виток к витку; между
слоями может прокладываться, особенно в обмотках на напряжение более 220
В, дополнительная изоляция для повышения электрической прочности.
После изготовления катушка с уложенной обмоткой пропитывается, методом окунания в ванну с лаком в воздухе или в вакуумной камере, электроизоляционным лаком и подвергается термической сушке при определённой техническими условиями температуре и длительности процесса. После этого технологического процесса обмотка становится монолитной, так как все пустоты
между витками оказываются заполненными. Это приводит к повышению качества изоляции, улучшению теплопроводности и прочих физико-химических
свойств электротехнического изделия.
60
Определение размеров обмотки и расчёт величины
намагничивающей силы катушки
Размеры катушки электромагнита полностью зависят от величины намагничивающей силы (НС) ( I  w )КЭМ , необходимой для срабатывания, которую
обмотка должна создать.
В рационально спроектированном электромагните намагничивающая сила ( I  w )КЭМ рассчитывается по формуле
( I  w )КЭМ  1 ,2  1 ,6  
где ( I  w )КЭМ =
А
Bmin
=
Тл
 max
=
м
 4    10 7
Гн/м
0
Bmin   max
0
, А,
(5.102)
– намагничивающая сила (НС) катушки
электромагнита (расчётное значение);
– магнитная индукция в рабочем зазоре
при  max (Рисунок П.5);
– начальный (максимальный)
рабочий зазор (формула 5.74);
– магнитная постоянная.
Расчёт площади и сторон сечения обмотки
Площадь поперечного сечения обмотки S ОБ , необходимая для размещения необходимого числа витков изолированного медного провода, определяется по формуле
S ОБ  l ОБ  hОБ 
где S ОБ =
lОБ
hОБ
( I  w )КЭМ
Р
jОБ
=
мм2
мм
мм
А
= 2 ÷ 4 А/мм 2
k ЗОБ1 =
I  w КЭМ
Р
jОБ
 k ЗОБ1
, мм2,
(5.103)
– площадь поперечного сечения обмотки;
– длина (высота) обмотки;
– ширина (толщина) обмотки;
– намагничивающая сила (НС) катушки
электромагнита по формуле (5.102);
– расчётная плотность тока в обмотке;
– предварит. значение коэфф. заполнения
обмоточного пространства катушки по
Приложениям (Рисунок П.7).
Предварительное значение k ЗОБ1 принимается по справочным данным
Приложений (Рисунок П.7) для указанной в Задании технологии укладки провода (без межрядовой изоляции Δ или с межрядовой изоляцией Δ) в зависимоCu
сти от диаметра обмоточного провода по меди d ОП
 0 ,4  0 ,6 мм . При послеCu
дующих расчётах значения d ОП
и k ЗОБ1 уточняются.
61
На основании анализа существующих конструкций можно принимать
следующие значения отношения lОБ / hОБ для электромагнитов постоянного тока с внешним качающимся якорем:
lОБ / hОБ
lОБ / hОБ
=6÷7
=4÷5
– для электромагнитов малого габарита;
– для электромагнитов большого габарита.
Увеличение отношения lОБ / hОБ приводит к уменьшению расхода меди
вследствие роста поверхности охлаждения катушки и улучшения теплопередачи. Однако при этом возрастает поток рассеяния сердечника и уменьшается величина полезного потока в рабочем зазоре, что приводит к увеличению необходимой НС обмотки. Кроме того, это приводит к увеличению времени срабатывания электромагнита постоянного тока.
В результате расчётов принимаются следующие параметры сторон сечения обмотки электромагнита и диаметр его сердечника:
S ОБ
lОБ / hОБ
lОБ
hОБ
=
=
=
=
dС =
мм2
мм
мм
мм
– площадь поперечного сечения обмотки;
– значение отношения сторон;
– длина (высота) обмотки;
– ширина (толщина) обмотки;
– диаметр сердечника электромагнита
по формуле (5.101).
На основании выполненного расчёта определяются все необходимые геометрические размеры для проработки эскизного проекта приводного электромагнита постоянного тока. Размеры на эскизном проекте в точности соответствуют результатам расчёта; размеры магнитопровода и якоря электромагнита
прорисовываются на эскизе в пропорциях рисунка 5.9.
На рисунке 5.9. толщина изолирующих торцевых шайб катушки электро1
магнита принимается равной l К  l ОБ   3  4 мм . Толщина стенки внутрен2
1 В
DОБ  d С  2  3 мм . Толщина
ней изоляционной трубки катушки равна
2
наружной изоляции катушки, предохраняющей провод обмотки от механических повреждений, составляет 0,5 ÷ 1,0 мм.


Для того чтобы исключить выступание обмоточного провода и наружной
изоляции катушки за габариты катушки (в этом случае неизбежно соскакивание
или запутывание витков при их намотке), наружный диаметр катушки DК выН
полняется на 6 ÷ 10 мм больше наружного диаметра обмотки DОБ
.
62
Результаты расчётов сводятся в общую таблицу размеров приводного
электромагнита 5.5.
Таблица 5.5.
lОБ =
мм
– длина (высота) обмотки;
lОБ =
м
– длина (высота) обмотки;
lК =
мм
– длина (высота) катушки;
lК =
м
– длина (высота) катушки;
dС =
мм
– диаметр сердечника электромагнита;
dС =
м
– диаметр сердечника электромагнита;
В
мм
– внутренний диаметр обмотки;
DОБ =
В
DОБ
hОБ
hОБ
Н
DОБ
=
=
=
=
м
мм
м
мм
– внутренний диаметр обмотки;
– ширина (толщина) обмотки;
– ширина (толщина) обмотки;
– наружный диаметр обмотки;
Н
DОБ
DСР
DСР
DК
DК
=
=
=
=
=
м
мм
м
мм
м
– наружный диаметр обмотки;
– средний диаметр обмотки;
– средний диаметр обмотки;
– наружный диаметр катушки;
– наружный диаметр катушки.
В справочных данных приложений (Рисунок П.8) приведены примерные
Н
среднестатистические значения диаметра обмотки DОБ
приводного электромагнита в зависимости от величины коммутируемого тока I Н ( I ЭКВ ). Сравнение расчётных данных и данных из Приложений позволяет сделать вывод о
правильности выполненных вычислений размеров для дальнейшей проработки
эскизного проекта приводного электромагнита постоянного тока.
Для расчёта параметров обмоточного провода необходимо определить
В
длину среднего витка (среднюю длину витка) lСР
, расположенного на среднем
диаметре обмотки электромагнита DСР :
В
l СР
   DСР , м,
В
где lСР
=
В
=
lСР
DСР =
м
мм
м
– длина среднего витка обмотки
(средняя длина витка);
– длина среднего витка обмотки
(средняя длина витка);
– средний диаметр обмотки.
63
(5.104)
Р Cu
Сечение металла обмоточного провода S ОП
определяется по формуле
В
 0  ( 1    (  ДОП   0 ))  l СР
Р Сu
, м2 ,
S ОП   I  w КЭМ 
(5.105)
UУ
– расчётное значение площади металла
Р Cu
где S ОП
=
м2
(меди) обмоточного провода;
– расчётное значение площади металла
Р Cu
=
мм2
S ОП
(меди) обмоточного провода;
– намагничивающая сила (НС) катушки
( I  w )КЭМ =
А
электромагнита по формуле (5.102);
– удельное электрическое сопротивление
0 =
Ом×м
металла провода (Таблица П.5);
– температурный коэффициент
1/ºС
 =
сопротивления металла (Таблица П.5);
– допустимая температура нагрева
ОП
Д =
ºС
обмоточного провода (Таблица П.24;
Таблица П.25; Таблица П.26);
 О = 40 ºС
– температура окружающей среды;
– длина среднего витка обмотки
В
=
м
l СР
(средняя длина витка);
– номинальное напряжение
UУ =
В
цепи управления из задания на расчёт.
Р Cu
Расчётный диаметр обмоточного провода d ОП
находится в соответствие
с выражением
Р Cu
d ОП
Р Cu
где d ОП
=
мм

Р Cu
4  SОП

, мм,
(5.106)
– расчётный диаметр обмоточного
провода по меди.
Из справочных данных Приложений (Таблица П.26) выбирается ближайший больший по диаметру медный обмоточный провод со следующими техническими параметрами:
Марка
провода
Cu
=
d ОП
мм
ИЗ
d ОП
=
мм
Cu
S ОП
=
мм2
– эмалированный провод; класс
нагревостойкости изоляции – A;
– диаметр обмоточного провода по меди;
– наружный (максимальный) диаметр
провода в изоляции;
– фактическая площадь металла (меди)
обмоточного провода, рассчитанная
Cu
по известному значению d ОП
.
64
Далее рассчитывается число витков обмотки w КЭМ . При расчёте используется значение коэффициента заполнения k ЗОБ , соответствующее выбранному
Cu
диаметру обмоточного провода d ОП
и технологии укладки провода (без межрядовой изоляции Δ или с межрядовой изоляцией Δ; Рисунок П.7).
lОБ  hОБ
,
(5.107)
Cu
SОП
– число витков обмотки катушки
электромагнита;
– коэффициент заполнения обмоточного
пространства катушки.
w КЭМ  k ЗОБ
где w КЭМ
=
k ЗОБ =
Активное сопротивление обмотки R ОБ
Д , нагретой до допустимой температуры  ДОП , составляет
R ОБ
Д
где R ОБ
=
Д
 w КЭМ 
В
l СР
  0  ( 1    (  ДОП   0 ))
Cu
S ОП
, Ом,
(5.108)
Ом – активное сопротивление обмотки.
После выполнения расчётов необходимо определить реальные значения
1
1 ,1
0 ,85
1
1 ,1
0 ,85
величины тока в обмотке ( I ОБ
, I ОБ
, I ОБ
), плотности тока ( jОБ
, jОБ
, j ОБ
)и
1
1 ,1
0 ,85
намагничивающей силы ( ( I  w )КЭМ , ( I  w )КЭМ , ( I  w )КЭМ ) при номинальном, повышенном на 10% и пониженном на 15% значении напряжения цепи
управления UУ . Вычисления выполняются по формулам
I ОБ 
jОБ 
Cu
где S ОП
=
( I  w )КЭМ
=
w КЭМ
=
UУ
, А;
R ОБ
Д
I ОБ
, А/мм2;
Сu
SОП
(5.109)
(5.110)
(5.111)
( I  w )КЭМ  I ОБ  w КЭМ , А,
– фактическая площадь металла (меди)
мм2
обмоточного провода;
– расчётное значение НС катушки
А
электромагнита по формуле (5.102);
– число витков обмотки катушки
электромагнита по формуле (5.107).
65
Результаты расчётов оформляются в виде таблицы 5.6.
1
I ОБ
=
А
1 ,1
=
I ОБ
А
Таблица 5.6
– ток в обмотке электромагнита при
номинальном значении UУ =
В;
– ток в обмотке электромагнита при
повышенном значении U У1 ,1 =
В;
– ток в обмотке электромагнита при
пониженном значении U У0 ,85 =
В;
0 ,85
I ОБ
=
А
Р
jОБ
=
А/мм2
1
jОБ
=
А/мм2
1
– плотность тока в обмотке при I ОБ
;
1 ,1
=
jОБ
А/мм2
1 ,1
– плотность тока в обмотке при I ОБ
;
– расчётная плотность тока в обмотке;
0 ,85
j ОБ
=
А/мм2
( I  w )КЭМ
=
А
1
=
( I  w )КЭМ
А
0 ,85
– плотность тока в обмотке при I ОБ
;
– расчётное значение НС катушки
электромагнита по формуле (4.102);
1
– НС катушки электромагнита при I ОБ
;
1 ,1
=
( I  w )КЭМ
А
1 ,1
– НС катушки электромагнита при I ОБ
;
0 ,85
=
( I  w )КЭМ
А
0 ,85
– НС катушки электромагнита при I ОБ
.
1 ,1
Если в результате вычислений значение плотности тока jОБ
окажется
1 ,1
( I  w )КЭМ будет меньше
больше 4 А/мм2 или меньше 2 А/мм2 или
( I  w )КЭМ , необходимо изменить начальные условия и выполнить повторный
расчёт с целью получения приемлемых результатов.
max
Максимальное значение мощности PЭМ
, потребляемой обмоткой электромагнита, т.е. мощность активных потерь, рассчитывается по формуле
 
2
max
где PЭМ
=
max
1,1
(5.112)
Р ЭМ
 I ОБ
 R ОБ
Д , Вт,
– максимальное значение потребляемой
Вт
обмоткой мощности.
При выполнении упрощённого теплового расчёта катушки принимается
допущение, что теплоотдача происходит только с наружной и внутренней поверхности обмотки электромагнита. Площади наружной поверхности обмотки
Н
электромагнита S ОБ
определяется следующим образом:
2
Н
Н
(5.113)
S ОБ
   DОБ
 l ОБ , м ,
Н
где S ОБ
=
Н
DОБ =
lОБ =
м2 – площадь наружной поверхности;
м – наружный диаметр обмотки (Таблица 5.5);
м – длина (высота) обмотки (Таблица 5.5).
66
В
Площади внутренней поверхности обмотки S ОБ
составляет:
2
В
В
S ОБ
   DОБ
 l ОБ , м ,
В
где S ОБ
В
DОБ
=
=
м
м
2
(5.114)
– площадь внутренней поверхности;
– внутренний диаметр обмотки (Таблица 5.5).
Р
Расчётное значение температуры нагрева обмотки  ОБ
составляет
max
PЭМ
 
  О , ºС,
(5.115)
Н
В
kT  ( S ОБ
 kТВ  S ОБ
)
– расчётное значение температуры
=
ºС
нагрева обмотки электромагнита;
– допустимая температура нагрева
= 105 ºС
обмоточного провода;
= 40 ºС
– температура окружающей среды;
– максимальное значение потребляемой
=
Вт
обмоткой мощности;
Вт
– коэффициент теплоотдачи, указанный
=
2 0
в Приложениях (Таблица П.6);
мС
– площадь наружной поверхности
=
м2
обмотки электромагнита;
– площадь внутренней поверхности
=
м2
обмотки электромагнита;
– коэффициент, характеризующий
=
теплоотдачу с внутренней поверхности
обмотки электромагнита;
= 2,4 – обмотка намотана на изолированный сердечник;
Р
ОБ
Р
где  ОБ
 ДОП
О
max
PЭМ
kT
Н
S ОБ
В
S ОБ
k ТВ
k ТВ
k ТВ = 1,7
k ТВ = 0,9
– обмотка намотана на металлическую втулку;
– обмотка намотана на каркас из изоляционного
материала или выполнена бескаркасной.
Р
Расчётное значение температуры нагрева обмотки  ОБ
не должно превы-
шать допустимую температуру нагрева обмоточного провода  ДОП . При несоблюдении этого условия необходимо произвести повторный расчёт.
67
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Курсовая работа «Электромагнитный контактор постоянного тока» выполнена на основе исходных данных, представленных в задании.
Исходные данные для расчёта курсовой работы:
№
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
Обозначение параметра электрического аппарата
U Н – номинальное напряжение главной цепи
I Н – номинальный ток главной цепи контактора;
род тока – постоянный
UУ – номинальное напряжение цепи управления;
род тока – постоянный
ПВ% – продолжительность включения
z – допустимое число циклов включения в час
p – количество главных контактов (число полюсов)
N – коммутационная износостойкость
nОТ – кратность тока отключения
I БК – величина тока через блок-контакты
Материал держателя подвижного главного контакта
Материал главных контактов
Облицовка главных контактов
Тип контактирования главных контактов
Материал токоведущих шин
Марка медного провода для обмотки ЭМ
Технология укладки провода в обмотке
электромагнита
Значение
=
=
В
А
=
В
=
=
=
=
=
=
–
–
–
–
–
–
–
%
шт.
млн. циклов
А
Дата выдачи задания « ____ » _____________ 2012 года
Срок сдачи работы
«
»
2012 года
Индивидуальное задание принял к исполнению _____________ (И.И. Иванов)
Руководитель курсовой работы
_____________ А.М. Марков
68
В ходе выполнения курсовой работы «Электромагнитный контактор постоянного тока» были рассчитаны и определены технические параметры и характеристики электрического аппарата. Все результаты расчётов для удобства
проверки и анализа результатов представлены в виде сводной таблицы 5.7.
Таблица 5.7
Технические параметры и характеристики электрического аппарата:
Технические параметры токоведущих шин
I ЭКВ =
А
– эквивалентный ток главной цепи;
мм
– фактическая толщина токоведущей шины;
a =
мм
– фактическая ширина токоведущей шины;
b =
kГ =
– фактический коэффициент геометрии шины;
2
jФ =
А/мм – фактическая плотность тока в шине;
К =
ºС
– температура шины в номинальном режиме;
1с
I КЗ
( Д ) =
А
– величина тока при расчётном времени 1 с;
5с
I КЗ
( Д ) =
А
– величина тока при расчётном времени 5 с;
10 с
I КЗ
( Д ) =
А
– величина тока при расчётном времени 10 с;
1с
I КЗ
( К ) =
А
– величина тока при расчётном времени 1 с;
5с
I КЗ
( К ) =
А
– величина тока при расчётном времени 5 с;
10 с
I КЗ
(
А
– величина тока при расчётном времени 10 с.
К ) =
Технические параметры гибкого соединения – «косички»
a ГС =
мм
– толщина гибкого соединения – «косички»;
bГС =
мм
– ширина гибкого соединения – «косички»;
nГС =
шт.
– количество параллельных «косичек».
Технические параметры контактных соединений
мм
– диаметр болта для контактного соединения;
d М
шт.
– количество болтов в соединении;
n =
RКО =
Ом
– полное сопротивление соединения;
К =
ºС
– превышение температуры соединения.
Технические параметры коммутирующих контактов
jК =
А/мм2 – электрическая плотность тока в контакте;
мм
– ширина ОП подвижного контакта;
b*ПК =
b*НК
h*
c*
j ЛФ
j КФ
aФ
ПК
=
=
=
=
=
=
мм
мм
мм
А/мм
А/мм2
мм
– ширина ОП неподвижного контакта;
– высота облицовочной пластины (ОП);
– толщина облицовочной пластины (ОП);
– фактическая линейная плотность тока;
– фактическая плотность тока в контакте;
– фактическая толщина подвижного контакта;
69
Ф
b ПК
=
мм
– фактическая ширина подвижного контакта;
cФ
ПК
Ф
hПК
aФ
НК
Ф
b НК
cФ
НК
Ф
hНК
=
мм
– фактическая длина подвижного контакта;
=
мм
– фактическая высота подвижного контакта;
=
мм
– факт. толщина неподвижного контакта;
=
мм
– факт. ширина неподвижного контакта;
=
мм
– фактическая длина неподвижного контакта;
=
мм
– фактическая высота неподвижного контакта;
FК =
Н
– сила контактного нажатия контактов;
R ПХ =
Ом
– величина переходного сопротивл. (__метод);
UК =
мВ
– падение напряжения на замкн. контактах;
КК
ºС
– превышение температуры конт. площадки;
К =
 КП =
ºС
– температура нагрева контактной площадки;
I ДОП =
А
– допустимое значение тока через контакт;
Н
А
– начальный ток сваривания контактов;
I СВ =
I ПР =
А
– ток приваривания коммутир. контактов;
F ЭДУ =
Н
– электродинамическая сила отталкивания;
3
VИЗН =
мм
– часть объёма конт., подвергнутый износу;
L ИЗН =
мм
– линейный износ коммутирующего контакта.
Технические параметры дугогасительного устройства
l КР =
мм
– критическая длина электрической дуги;
S ДК =
мм2
– площадь боковой поверхности камеры;
S ПП =
мм2
– площадь пластины-полюса камеры;
1 =
мм
– расстояние между пластинами-полюсами;
Ф ПП =
Вб
– величина магнитного потока в зоне пластин;
ФС =
Вб
– величина магнитного потока в сердечнике;
(I  w )ДКТ =
А
– намагничивающая сила катушки тока;
w ДКТ =
– число витков дугогасительной катушки;
SС =
мм2
– площадь поперечного сечения сердечника;
мм
– фактический диаметр сердечника.
d СФ 1 =
Технические параметры вспомогательных контактов
dК =
мм
– диаметр контактной накладки;
*
мм
– толщина контактной накладки.
c =
Технические характеристики электромагнитного привода
Н
=
Н
– сила начального сжатия контактн. пружины;
F КП
 l КП

 l ЭМ

 =

– отношение плеч действия сил FКП и FЭМ ;
70
А или В –
К
=
F КП
Н
– применённая типовая схема контактора;
– сила конечного сжатия контактн. пружины;
К
FВП
=
Н
– сила конечного сжатия возвратн. пружины;
Н
F ВП
=
=
=
=
Н
мм
мм
мм

 =

 max =
 КР =
 КР
=
F ВП
– сила начального сжатия возвратн. пружины;
– раствор коммутирующих контактов;
– провал коммутирующего контакта;
– полное значение раствора и провала;
l 
– величина, обратная значению  КП  ;
 l ЭМ 
мм
мм
Н
– максимальное значение рабочего зазора;
– критический рабочий зазор электромагнита;
– сила сжатия возвратной пружины при  КР ;
Р
П

 l ЭМ

 l КП

F КР
=
Н
– величина противодейств. силы при  КР ;
КР
F ЭМ
=
Н
– сила, развиваемая электромагнитом при  КР ;
min
FЭМ
=
Н
– минимальная сила электромагнита при  max ;
max
F ЭМ
FВП
=
=
Н
Н
– максимальная сила электромагнита при  min ;
 l ЭМ 


l
 ВП 
 l ВП 


 l ЭМ 
f 1 ВП
с 1 ВП
d 1 ВП
D1 ВП
n1 ВП
t 1 ВП
СВ
l ВП
FКП
f 1 КП
с 1 КП
d 1 КП
D1 КП
n1 КП
t 1 КП
– сила нажатия возвратной пружины;
=
– отношение плеч приложения сил FЭМ и FВП ;
=
– отношение плеч приложения сил FВП и FЭМ ;
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
мм
мм
мм
мм
мм
Н
мм
мм
мм
мм
– величина прогиба возвратной пружины;
– индекс возвратной пружины;
– диаметр проволоки для возвратн. пружины;
– средний диаметр возвратной пружины;
– число витков возвратной пружины;
– шаг намотки возвратной пружины;
– длина возвр. пружины в свободн. состоянии;
– сила нажатия одной контактной пружины;
– величина прогиба контактной пружины;
– индекс контактной пружины;
– диаметр проволоки для контактн. пружины;
– средний диаметр контактной пружины;
– число витков контактной пружины;
– шаг намотки контактной пружины;
71
– длина контактной пружины в свободном
состоянии.
Технические параметры приводного электромагнита
Н0,5/м – геометрический показатель («кон. фактор»);
Г =
– нач. магнитная индукция в зазоре  max = мм;
Тл
Bmin =
SП =
мм2
– попер. сечение полюса (торца) сердечника;
dС =
мм
– диаметр круглого сердечника электромагн.;
2
S ОБ =
мм
– площадь поперечного сечения обмотки;
2
jОБ =
А/мм – плотность тока в обмотке электромагнита;
ОБ
=
– к-нт заполнения обмоточного пространства;
kЗ
lОБ / hОБ =
– принятое значение отношения сторон;
lОБ =
мм
– длина (высота) обмотки;
lК =
мм
– длина (высота) катушки;
В
мм
– внутренний диаметр обмотки;
DОБ =
hОБ =
мм
– ширина (толщина) обмотки;
Н
мм
– наружный диаметр обмотки;
DОБ =
DСР =
мм
– средний диаметр обмотки;
DК =
мм
– наружный диаметр катушки;
В
=
мм
– длина среднего витка (средняя длина витка);
lСР
Провод
– эмалированный провод для обмотки;
Cu
мм
– диаметр обмоточного провода по меди;
d ОП =
СВ
l КП
=
мм
ИЗ
d ОП
=
мм
– наружный диаметр провода по изоляции;
Cu
S ОП
=
=
мм2
– фактическая площадь меди провода;
– число витков обмотки электромагнита;
R ОБ
=
Д
Ом
– активное сопротивление нагретой обмотки;
1 ,1
=
I ОБ
А
– ток в обмотке электромагнита при U У1 ,1 =
w КЭМ
1 ,1
=
jОБ
( I  w )КЭМ
=
1 ,1
=
( I  w )КЭМ
1 ,1
=
А/мм2 – плотность тока в обмотке при I ОБ
А
– расчётное значение НС катушки;
А
1 ,1
– НС катушки электромагнита при I ОБ
=
=
=
Вт
ºС
– максимальное значение мощности;
– температура окружающей среды;
 ДОП =
ºС
– допустимая температура нагрева провода;
Р
 ОБ
ºС
– температура обмотки электромагнита.
max
PЭМ
О
=
72
В;
А;
А;
Представленные в таблице 5.7 технические параметры и характеристики
рассчитанного электромагнитного контактора постоянного тока можно считать
практически полностью соответствующими техническому заданию. Использование контактора в схемах распределения электрической энергии позволит рационально и без существенных потерь осуществлять управление потоками
энергии по заданным законам. Таким образом, задачи расчёта можно считать
выполненными с той или иной степенью оптимальности.
Проверка оптимальности выполненных расчётов производится на основании рассмотрения основных технических параметров приводного электромагнита и сравнения их с рекомендованными значениями оптимальных отношений (критериев), приводящихся в технической литературе.
Наиболее часто требуется проектирование электромагнитов минимального объема, а, следовательно, минимальной массы и стоимости. Эти
величины в электромагнитах зависят в основном от объема активных материалов, т. е обмоточного провода и стали магнитопровода. Основными расчётными
параметрами при этом являются отношения для электромагнитов постоянного
В
Н
Н
тока с цилиндрическими катушками DОБ
/ DОБ
и lОБ / DОБ
, где
В
– внутренний диаметр обмотки приводного электромагнита;
DОБ
Н
– наружный диаметр обмотки приводного электромагнита;
DОБ
lОБ – длина (высота) обмотки приводного электромагнита.
Критерий 1. Максимальную силу развивает электромагнит постоянного
тока с внешним качающимся якорем и катушкой напряжения, намотанной на
металлическую гильзу или непосредственно на сердечник (т. е. с увеличенной
теплоотдачей с внутренней поверхности катушки к сердечнику), при отношеВ
Н
нии DОБ
/ DОБ
= (0,6 ÷ 0,65).
Рассчитанный электромагнит имеет следующее отношение:
В
Н
/ DОБ
=
.
DОБ
Критерий 2. Максимальную работу совершает электромагнит постоянного тока с внешним качающимся якорем и с катушкой напряжения при: а)
В
Н
Н
/ DОБ
= (0,57 ÷ 0,70) и б) lОБ / DОБ
= (1,5 ÷ 3,0).
DОБ
Рассчитанный электромагнит имеет следующие соотношения:
В
Н
Н
а) DОБ
/ DОБ
=
; б) lОБ / DОБ
=
.
Критерий 3. Максимальную работоспособность (условную полезную работу) имеет электромагнит постоянного тока (если учитывать объём его ядра,
т.е. катушку и охватываемый ею сердечник) при следующих соотношениях: а)
В
Н
Н
/ DОБ
= (0,62 ÷ 0,69) и б) lОБ / DОБ
= 1,0.
DОБ
Рассчитанный электромагнит имеет следующие соотношения:
В
Н
Н
а) DОБ
/ DОБ
=
; б) lОБ / DОБ
=
.
Критерий 4. Максимальную силу развивают электромагниты с внешним
В
притягиваемым якорем и катушкой напряжения постоянного тока при DОБ
/
Н
= 0,62.
DОБ
73
Рассчитанный электромагнит имеет следующее отношение:
В
Н
/ DОБ
=
.
DОБ
Критерий 5. Минимальное значение потребляемой мощности элекВ
Н
тромагнит постоянного тока будет иметь при DОБ
/ DОБ
= 0,62. При оптимальной высоте катушки и среднем коэффициенте заполнения k ЗОБ = (0,5 ÷ 0,6) масса меди примерно равна массе стали.
Критерий 6. Минимальный объём обмотки электромагнита постоянного
тока получается тогда, когда наружный диаметр обмотки в два раза больше
Н
В
внутреннего, т.е. DОБ
/ DОБ
= 2,0.
Рассчитанный электромагнит имеет следующее отношение:
Н
В
/ DОБ
=
.
DОБ
Результаты соответствия (не соответствия) критериям оптимальности
рассчитанного электромагнита сведены в таблицу 5.8.
Таблица 5.8
Критерий
Рекомендованное
Расчётное
Соответствие (+), не
оптимальности
значение
значение
соответствие (–)
0,6 ÷ 0,65
+/–
1
0,57 ÷ 0,70
+/–
2, а)
1,5 ÷ 3,0
+/–
2, б)
0,62 ÷ 0,69
+/–
3, а)
1,0
+/–
3, б)
0,62
+/–
4
0,62
+/–
5
2
+/–
6
В результате сравнения параметров рассчитанного электромагнита с рекомендованными (оптимальными) значениями можно сделать вывод о том, что
по большинству критериев рассчитанный электромагнит соответствует (не соответствует) оптимальным параметрам.
Для увеличения количества соответствий критериям оптимальности
предлагаются следующие технические решения (даются аргументированные
рекомендации и предложения):
1.
2.
3.
4.
5.
Увеличить…
Уменьшить…
Изменить…
Заменить…
Применить…
74
ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ
“A”
А – характеристический коэффициент;
АКЗ – тепловой импульс;
А КЗ (  Д ) – тепловой импульс с учётом температуры  Д ;
АКЗ (  К ) – тепловой импульс с учётом температуры  К ;
a ПР – предварительное значение толщины токоведущей шины;
a Р – расчётная толщина токоведущей шины; толщина подвижного контакта;
a – фактическая толщина токоведущей шины;
a ГС – толщина гибкого соединения – «косички»;
aФ
ПК – фактическая толщина подвижного контакта;
aФ
НК – фактическая толщина неподвижного контакта.
“B”
B – магнитная индукция, величина магнитной индукции;
BС – среднее значение магнитной индукции;
B – магнитная индукция в рабочем воздушном зазоре;
Bmin – магнитная индукция (начальное значение) в рабочем зазоре при  max ;
b ПР – предварительное значение ширины токоведущей шины;
bР – расчётная ширина токоведущей шины;
b – фактическая ширина токоведущей шины;
bГС – ширина гибкого соединения – «косички»;
bПК – ширина подвижного коммутирующего контакта;
bНК – ширина неподвижного коммутирующего контакта;
b*ПК – ширина облицовочной пластины (ОП) подвижного контакта;
b*НК – ширина облицовочной пластины (ОП) неподвижного контакта;
b* – ширина облицовочной пластины (ОП);
Ф
– фактическая ширина подвижного контакта;
b ПК
Ф
– фактическая ширина неподвижного контакта;
b НК
bC – толщина стенки дугогасительной камеры (5 ÷ 15 мм);
bЗ – ширина зазора между неподвижным контактом и стенкой камеры (2 мм)
b ПР – предварительное значение ширины токоведущей шины.
“C”
C – удельная теплоёмкость материала;
c – длина подвижного или неподвижного контакта;
c * – толщина облицовочной пластины (ОП);
cФ
ПК – фактическая длина подвижного контакта;
cФ
НК – фактическая длина неподвижного контакта;
75
с 1 – индекс пружины; отношение диаметра пружины к диаметру проволоки;
с 1 ВП – индекс возвратной пружины;
с 1 КП – индекс контактной пружины.
“D”
D КП – диаметр контактного пятна;
DК – наружный диаметр катушки;
D1 – средний диаметр цилиндрической витой пружины;
D1 ВП – средний диаметр цилиндрической витой возвратной пружины;
D1 КП – средний диаметр цилиндрической витой контактной пружины;
DСР – средний диаметр обмотки приводного электромагнита;
В
– внутренний диаметр обмотки приводного электромагнита;
DОБ
Н
– наружный диаметр обмотки приводного электромагнита;
DОБ
d – диаметр болта для не размыкаемого контактного соединения;
d * – диаметр крепёжного отверстия в подвижном (неподвижном) контакте;
d С – диаметр сердечника приводного электромагнита;
d СР 1 – расчётное значение диаметра сердечника катушки тока;
d СФ 1 – фактическое значение диаметра сердечника катушки тока;
d К – диаметр цилиндрического контакта или контактной накладки;
d 1 – диаметр углеродистой пружинной проволоки; из неё навита пружина;
d 1РВП – расчётное значение диаметра проволоки для возвратной пружины;
d 1 ВП – фактическое значение диаметра проволоки для возвратной пружины;
d 1РКП – расчётное значение диаметра проволоки для контактной пружины;
d 1 КП – фактическое значение диаметра проволоки для контактной пружины;
Cu
– диаметр обмоточного провода по меди;
d ОП
Р Cu
d ОП – расчётный диаметр обмоточного провода по меди;
ИЗ
– наружный (максимальный) диаметр провода в изоляции.
d ОП
“E”
E – модуль упругости материала (модуль Юнга).
“F”
F – сила, значение силы (усилия);
F  – приведённая к зазору  сила, приведённое значение силы (усилия);
FКП – сила контактной пружины (контактных пружин);

– сила контактной пружины, приведённое значение;
F КП
Н
– сила начального сжатия контактной пружины (контактных пружин);
F КП
К
– сила конечного сжатия контактной пружины (контактных пружин);
F КП
Н
– сила начального сжатия контактной пружины, приведённое значение;
F КП
К
– сила конечного сжатия контактной пружины, приведенное значение;
F КП
76
F НП – сила нажимной пружины (нажимных пружин);
Н
– сила начального нажатия нажимной пружины;
F НП
К
– сила конечного нажатия нажимной пружины;
F НП
FЭМ – сила, развиваемая приводным электромагнитом;
F ЭДУ – электродинамическая сила (усилие) отталкивания;
F Д – сила перемещения, действующая на электрическую дугу;
F Д 1 – сила воздействия на дугу при последовательном дутье;
F Д 2 – сила воздействия на дугу при параллельном дутье;
FК1 – сила контактного нажатия, приходящаяся на одну площадку;

– сила противодействующих пружин при критическом зазоре  КР ;
F КР
min
– минимальная (начальная) сила, развиваемая электромагнитом;
FЭМ
КР
– сила, развиваемая электромагнитом при критическом зазоре;
F ЭМ
max
– максимальная сила, развиваемая электромагнитом;
F ЭМ
FК – сила контактного нажатия;
FБ1 – сила затяжки одного болта в контактном соединении;
FВП – сила возвратной пружины (возвратных пружин);

– сила возвратной пружины, приведённое значение;
FВП
К
– сила конечного сжатия возвратной пружины (возвратных пружин);
FВП
Н
– сила начального сжатия возвратной пружины (возвратных пружин);
FВП
К
– сила конечного сжатия возвратной пружины, приведённое значение;
FВП
Н
– сила начального сжатия возвратной пружины, приведённое значение;
F ВП
 КР
– сила сжатия возвратной пружины при  КР , приведённое значение;
F ВП
F Н – сила начального сжатия цилиндрической пружины;
F К – сила конечного сжатия цилиндрической пружины;
f К – рекоменд. удельное давление в не размыкаемых болтовых соединениях;
f – величина среднего давления в контактирующем слое контакта;
f Н – величина удельного нажатия;
f 1 – величина прогиба цилиндрической пружины;
f 1Н – величина начального прогиба цилиндрической пружины;
f 1К – величина конечного прогиба цилиндрической пружины;
f 1 ВП – величина фактического прогиба возвратной пружины;
f 1 КП – величина фактического прогиба контактной пружины.
“G”
G ЗМ – удельный массовый износ при одном замыкании контактов;
G РЗ – удельный массовый износ при одном размыкании контактов;
G – модуль упругости сдвига при кручении цилиндрической пружины.
77
“H”
H – напряжённость магнитного поля;
H min – минимальная напряжённость магнитного поля;
H B – твёрдость материала контактов по Бринеллю;
h – высота подвижного или неподвижного контакта;
h* – высота облицовочной пластины (ОП);
Ф
– фактическая высота подвижного контакта;
hПК
Ф
– фактическая высота неподвижного контакта;
hНК
hК – ширина (толщина) катушки приводного электромагнита;
hОБ – ширина (толщина) обмотки приводного электромагнита.
“I”
I – электрический ток; величина электрического тока;
I Н – номинальный ток главной цепи контактора;
I БК – величина тока через вспомогательный контакт (блок-контакт);
Н
– начальный ток (граничный ток) сваривания материала контактов;
I СВ
I ПР – ток приваривания коммутирующих контактов;
I ЭКВ – эквивалентный ток главной цепи контактора;
I ОТ – предельный отключаемый ток;
I Д – ток электрической дуги;
I ДОП – допустимое значение тока через коммутирующий контакт;
ПР
– предельное значение тока, при котором начинается рекристаллизация;
I РЕК
I НБ – величина номинального тока на один болт;
I КЗ – ток короткого замыкания;
I КЗ (  Д ) – величина тока с учётом температуры  Д ;
1с
I КЗ
(  Д ) – величина тока при расчётном времени 1 секунда и с учётом  Д ;
5с
I КЗ
(  Д ) – величина тока при расчётном времени 5 секунд и с учётом  Д ;
10 с
I КЗ
(  Д ) – величина тока при расчётном времени 10 секунд и с учётом  Д ;
I КЗ (  К ) – величина тока с учётом температуры  К ;
1с
I КЗ
(  К ) – величина тока при расчётном времени 1 секунда и с учётом  К ;
5с
I КЗ
(  К ) – величина тока при расчётном времени 5 секунд и с учётом  К ;
10 с
I КЗ
(  К ) – величина тока при расчётном времени 10 секунд и с учётом  К ;
( I  w ) – намагничивающая сила (НС) или магнитодвижущая сила (МДС);
( I  w ) ДКТ – намагничивающая сила (НС) дугогасительной катушки тока;
( I  w )КЭМ – НС катушки электромагнита (расчётное значение);
1
( I  w )КЭМ
– НС катушки электромагнита при номинальном значении UУ ;
1 ,1
( I  w )КЭМ
– НС катушки электромагнита при повышенном значении UУ ;
78
0 ,85
( I  w )КЭМ
– НС катушки электромагнита при пониженном значении UУ ;
1
– ток в обмотке электромагнита при номинальном значении UУ ;
I ОБ
1 ,1
– ток в обмотке электромагнита при повышенном значении UУ ;
I ОБ
0 ,85
– ток в обмотке электромагнита при пониженном значении UУ .
I ОБ
“J”
j – рекоменд. плотность тока в не размыкаемых болтовых соединениях;
j Р – расчётная электрическая плотность тока в токоведущей шине;
jФ – фактическая электрическая плотность тока в токоведущей шине;
j КЗ (  Д ) – плотность тока короткого замыкания с учётом температуры  Д ;
1с
j КЗ
(  Д ) – плотность тока при расчётном времени 1 секунда и с учётом  Д ;
5с
j КЗ
(  Д ) – плотность тока при расчётном времени 5 секунд и с учётом  Д ;
10 с
j КЗ
(  Д ) – плотность тока при расчётном времени 10 секунд и с учётом  Д ;
j КЗ (  К ) – плотность тока короткого замыкания с учётом температуры  К ;
1с
j КЗ
(  К ) – плотность тока при расчётном времени 1 секунда и с учётом  К ;
5с
j КЗ
(  К ) – плотность тока при расчётном времени 5 секунд и с учётом  К ;
10 с
j КЗ
(  К ) – плотность тока при расчётном времени 10 секунд и с учётом  К ;
j К – электрическая плотность тока в коммутируемом контакте;
j Л – линейная плотность тока в коммутируемом контакте;
j ЛФ – фактическая линейная плотность тока в коммутируемом контакте;
j КФ – фактическая плотность тока в коммутируемом контакте;
Р
– расчётная плотность тока в обмотке приводного электромагнита (ЭМ);
jОБ
1
– плотность тока в обмотке ЭМ при номинальном значении UУ ;
jОБ
1 ,1
– плотность тока в обмотке ЭМ при повышенном значении UУ ;
jОБ
0 ,85
– плотность тока в обмотке ЭМ при пониженном значении UУ .
j ОБ
“K”
kT – коэффициент теплоотдачи;
k ТВ – коэффициент теплоотдачи с внутренней поверхности обмотки ЭМ;
k Г – коэффициент геометрии токоведущей шины;
k ГПР – предварительный коэффициент геометрии токоведущей шины;
k З – коэффициент заполнения гибкого соединения – «косички»;
k ЗОБ1 – предв. значение коэффициента заполнения обмоточного пространства;
k ЗОБ – коэффициент заполнения обмоточного пространства катушки;
k ПХ – коэффициент, зависящий от материала и состояния поверхности;
k C – поправочный коэффициент (0,5 ÷ 0,63);
k 1 – характеристический коэффициент;
79
k – коэффициент типа контакта; число элементарных площадок (1, 2, 3);
k Л – число Лоренца;
k ЗМ – коэффициент износа материала контактов при замыкании;
k РЗ – коэффициент износа материала контактов при размыкании;
k НЕР – коэффициент неравномерности (1,1 ÷ 3,0)
k ЗС – коэффициент запаса по силе (1,3 ÷ 1,7);
k КП – коэффициент увеличения контактной площади при нагреве (2 ÷ 4);
k СВ – коэффициент сваривания коммутирующих контактов;
k КР – коэффициент критической (конечной) длины электрической дуги;
k ИП – коэффициент использования пространства дугогасительной камеры;
k МР – коэффициент магнитного рассеяния;
k ВП – расчётный коэффициент возвратной пружины.
“L”
L ИЗН – линейный износ коммутирующего контакта;
l – длина (плечо), длина проводника;
l КР – критическая (конечная) длина электрической дуги;
l КС – длина контактного соединения, перекрытие токоведущих шин;
l К – длина (высота) катушки;
lОБ – длина (высота) обмотки приводного электромагнита;
l ЭМ – плечо приложения тяговой силы электромагнита;
l ВП – плечо приложения силы возвратной пружины;
l КП – плечо приложения силы контактной пружины;
l Н – начальная длина цилиндрической пружины сжатия;
l К – конечная длина цилиндрической пружины сжатия;
l СВ – длина цилиндрической пружины в свободном состоянии;
СВ
– длина цилиндрической возвратной пружины в свободном состоянии;
l ВП
СВ
– длина цилиндрической контактной пружины в свободном состоянии;
l КП
 l КП

 l ЭМ
 l ЭМ

 l КП

 – отношение плеч действия сил FКП и FЭМ ;

l 

 – величина, обратная значению  КП  ;

 l ЭМ 
 l ЭМ 

 – отношение плеч приложения сил FЭМ и FВП ;
l
 ВП 
 l ВП 

 – отношение плеч приложения сил FВП и FЭМ ;
 l ЭМ 
В
– длина среднего витка обмотки электромагнита (средняя длина витка).
lСР
80
“M”
m – коэффициент формы контактной поверхности (0,5; 0,5-0,7; 0,7-1).
“N”
N – коммутационная износостойкость (0,01 млн. циклов)
n – количество болтов в не размыкаемом контактном соединении;
n1 – число рабочих витков цилиндрической пружины сжатия;
n1 ВП – число рабочих витков цилиндрической возвратной пружины;
n1 КП – число рабочих витков цилиндрической контактной пружины;
nГС – количество параллельных плоских проводов – «косичек»;
nОТ – кратность тока отключения (2,5 ÷ 4).
“P”
max
PЭМ – максимальное значение потребляемой обмоткой ЭМ мощности;
p – количество главных контактов (число полюсов).
“R”
R – электрическое сопротивление;
RН – электрическое сопротивление нагрузки в главной цепи контактора;
RК – переходное сопротивление контактирующих поверхностей шины;
RК 1 – омическое сопротивление контакта;
RКО – общее сопротивление электрического контактного соединения;
R ПХ – переходное сопротивление коммутирующего контакта;
ОП
R ОБ
Д – сопротивление обмотки электромагнита при температуре  Д ;
r – радиус круглой контактной площадки касания контактов;
rК – радиус кривизны круглой контактной площадки.
“S”
S – площадь поперечного сечения токоведущей шины;
S КК – площадь поперечного сечения коммутирующего контакта;
S 1 – площадь контакта токоведущих шин;
S ГС – площадь поперечного сечения гибкого соединения – «косички»;
S К – полная площадь наружной поверхности контактного соединения шин;
S ПК – площадь поперечного сечения подвижного контакта;
Р
– расчётная площадь контактирования подвижного контакта;
S ПК
Ф
– фактическая площадь контактирования подвижного контакта;
S ПК
S КП – площадь контактного пятна;
n
– площадь контактного пятна при n болтах;
S КП

– площадь на графике, определяемая силой возвратной пружины;
S ВП

S КП – площадь на графике, определяемая силами контактных пружин;
S П – площадь поперечного сечения полюса сердечника электромагнита;
S 0 – площадь сечения контактной зоны в месте сужения линий тока;
81
S ДК – площадь боковой поверхности дугогасительной камеры;
S ПП – площадь пластины-полюса щелевой дугогасительной камеры;
SС – площадь поперечного сечения сердечника катушки тока;
S ПР – площадь поперечного сечения электрического провода;
S ОБ – площадь поперечного сечения обмотки электромагнита;
Р Cu
– расчётное значение площади металла (меди) обмоточного провода;
S ОП
Cu
– фактическая площадь металла (меди) обмоточного провода;
S ОП
Н
– площадь наружной поверхности обмотки электромагнита;
S ОБ
В
– площадь внутренней поверхности обмотки электромагнита.
S ОБ
“T”
t КЗ – длительность короткого замыкания;
t Д – время горения (гашения) электрической дуги;
t 1 – шаг пружины; шаг намотки винтовой цилиндрической пружины;
t 1 ВП – шаг намотки винтовой цилиндрической возвратной пружины;
t 1 КП – шаг намотки винтовой цилиндрической контактной пружины.
“U”
U – электрическое напряжение; величина электрического напряжения;
U Н – номинальное напряжение главной цепи;
UУ – номинальное напряжение цепи управления;
U У1 ,1 – повышенное напряжение цепи управления;
U У0 ,85 – пониженное напряжение цепи управления;
U РЕК – напряжение рекристаллизации (размягчения) металла контакта;
U ПЛ – напряжение плавления металла контакта;
UК – падение напряжения на замкнутых коммутирующих контактах.
“V”
VИЗН – часть объёма пары контактов, который будет подвергнут износу;
VЗМ – удельный объёмный износ при одном замыкании контактов;
VРЗ – удельный объёмный износ при одном размыкании контактов.
“W”
w – число витков катушки;
w ДКТ – число витков дугогасительной катушки тока;
w КЭМ – число витков обмотки катушки электромагнита.
“Z”
z – допустимое число циклов включения в час.
“ ”
 – температурный коэффициент сопротивления (ТКС).
“ ”
 – величина угла сужения дугогасительной камеры (30º; 45º; 75º).
82
 – удельная плотность материала.
“ ”
“Δ,  ”
Δ – толщина изоляции между каждым рядом (слоем) обмотки ЭМ;
 – рабочий зазор приводного электромагнита;
 max – максимальное значение рабочего зазора приводного электромагнита;
 min – минимальное значение рабочего зазора приводного электромагнита;
 КР – критический рабочий зазор электромагнита;
 1 – расстояние между пластинами-полюсами дугогасительной камеры;
 2 – расстояние между стенками в месте расположения контактов;
 3 – ширина узкой щели для гашения электрической дуги.
“ ”
 – температура, значение температуры;
 О – температура окружающей среды (40 ºС);
 К – температура нагрева в номинальном режиме;
 Д – допустимая температура нагрева токоведущих шин (95 ºС);
 ПР – температура проводника в точке, удалённой от контактной площадки;
 КП – температура нагрева контактной площадки;
 ДКК – допустимая температура нагрева коммутирующих контактов (105 ºС);
 ДОП – допустимая температура нагрева обмоточного провода (105 ºС);
Р
– расчётное значение температуры нагрева обмотки электромагнита;
 ОБ
 РЕК – температура рекристаллизации (размягчения) металла;
 ПЛ – температура плавления металла;
 КИП – температура кипения металла.
“ ”
 – удельная теплопроводность токоведущего проводника (материала).
“ ”
 0 – магнитная проницаемость вакуума (магнитная постоянная).
“ ”
 – удельное электрическое сопротивление материала;
 0 – удельное электрическое сопротивление материала при 0 ºС;
 1 – удельное электрическое сопротивление первого материала;
 2 – удельное электрическое сопротивление второго материала.
“ ”
 СМ – предел прочности на смятие;
 О – предел прочности на растяжение;
 П – провал коммутирующего контакта;
 Р – раствор коммутирующих контактов;
83
 – полное значение (сумма) раствора и провала коммутирующих контактов;
 КР – допустимое напряжение на скручивание, предел выносливости.
“ ”
 К – превышение температуры контактного соединения шин;
 ККК – превышение температуры контактной площадки главных контактов.
“Ф”
Ф – магнитный поток;
Ф ПП – величина магнитного потока в зоне пластин-полюсов;
Фmin – минимальный (начальный) магнитный поток в рабочем зазоре;
ФС – величина магнитного потока в сердечнике дугогасительной катушки;
 – величина угла.
“А”
А или В – применённая типовая конструктивная схема контактора.
“Г”
Г – геометрический показатель («конструктивный фактор»).
“Д”
Д – электрическая дуга.
“М”
МДС – магнитодвижущая сила катушки (или намагничивающая сила НС).
“Н”
НС – намагничивающая сила катушки (или магнитодвижущая сила МДС).
“О”
ОП – облицовочная пластина коммутирующего контакта.
“П”
П – периметр токоведущей шины;
П КК – периметр коммутирующего контакта;
ПВ% – продолжительность включения (15, 25, 40, 60 и 100%).
“Т”
ТКС – температурный коэффициент сопротивления.
“Э”
ЭМ – электромагнит.
84
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Электрические и электронные аппараты. В 2 т. Т 1. Электромеханические
аппараты : учебник для студентов высших учебных заведений. Под ред. А.Г.
Годжелло, Ю.К. Розанова. – М. : Издательский центр «Академия», 2010. –
352 с.
2. Белкин Г.С. Тепловые процессы в электрических аппаратах. – М. : Издательство «Знак», 2006. – 355 с.
3. Алиев И.И., Абрамов М.Б. Электрические аппараты. Справочник. – М. : Издательское предприятие «РадиоСофт», 2004. – 256 с.
4. Розанов Ю.К. Электрические и электронные аппараты : учебник для студентов высших учебных заведений. – М. : «Энергоатомиздат», 2001. – 417 с.
5. Чунихин А.А. Электрические аппараты. Общий курс : учебник для вузов. –
М. : «Энергоатомиздат», 1988. – 720 с.
6. Буткевич Г.В. Задачник по электрическим аппаратам. – М. : «Высшая школа», 1977. – 232 с.
7. Чунихин А.А. Электрические аппараты (общий курс) : учебник для энергетических и электротехнических институтов и факультетов. – М. : «Энергия»,
1975. – 648 с.
8. Сахаров П.В. Проектирование электрических аппаратов (общие вопросы
проектирования) : учебное пособие для студентов электротехнических вузов. – М. : «Энергия», 1971. – 560 с.
9. Основы теории электрических аппаратов. Под ред. Г.В. Буткевича. – М. :
«Высшая школа», 1970. – 600 с.
10.Хольм Р. Электрические контакты. Перевод с английского. Под ред. Д.Э.
Брускина, А.А. Рудницкого. – М. : Издательство иностранной литературы,
1961. – 464 с.
85
ПРИЛОЖЕНИЯ
Справочные данные
Таблица П.1
Технические характеристики медных Cu шин прямоугольного ( b  a )
сечения, коэффициент геометрии k Г и допустимые токовые нагрузки I Н на
них при температуре 100 ºС, окружающая среда +40 ºС
(шина окрашена в чёрный цвет и поставлена на ребро)
Размер k Г
ТокоРазмер
ТокоРазмер
ТокоkГ
kГ
шины
вая
шины
вая
шины
вая
ba ,
ba ,
ba ,
нагруз
нагруз
нагрузмм
мм
мм
ка I Н ,
ка I Н ,
ка I Н ,
А
А
А
10 × 1
10
62
12,5 × 1 12,5
121
16 × 1
16
153
10 × 1,5 6,7
122
12,5 × 1,5 8,3
150
16 × 1,5 10,7
188
10 × 2
5
144
12,5 × 2 6,25
175
16 × 2
8
223
10 × 2,5 4
166
12,5 × 2,5
5
200
16 × 2,5
6,4
254
10 × 3 3,3
184
12,5 × 3
4,2
223
16 × 3
5,3
280
10 × 4 2,5
220
12,5 × 4 3,13
271
16 × 4
4
330
10 × 5
2
254
12,5 × 5
2,5
306
16 × 5
3,2
380
–
–
–
–
–
–
16 × 6
2,7
425
–
–
–
–
–
–
16 × 8
2
515
86
Таблица П.2
Технические характеристики медных Cu шин прямоугольного ( b  a )
сечения, коэффициент геометрии k Г и допустимые токовые нагрузки I Н на
них. В числителе приведена токовая нагрузка при переменном токе,
в знаменателе – при постоянном токе
Размер
КоэффициТоковая нагрузка при числе полос на фазу, А
шины, мм
ент k Г
1
2
3
4
15 × 3
5
210
–
–
–
20 × 3
6,7
275
–
–
–
25 × 3
8,3
340
–
–
–
30 × 4
7,5
475
–
–
–
40 × 4
10
625
– / 1090
–
–
40 × 5
8
700 / 705
– / 1250
–
–
50 × 5
10
860 / 870
– / 1525
– / 1895
–
50 × 6
8,3
955 / 960
– / 1700
– / 2145
–
60 × 6
10
1125 / 1145 1740 / 1990 2240 / 2495
–
80 × 6
13,3
1480 / 1510 2110 / 2630 2730 / 3220
–
100 × 6
16,7
1810 / 1875 2470 / 3245 3170 / 3940
–
60 × 8
7,5
1320 / 1345 2160 / 2485 2760 / 3020
–
80 × 8
10
1690 / 1755 2620 / 3095 3370 / 3850
–
100 × 8
12,5
2080 / 2180 3060 / 3810 3930 / 4690
–
120 × 8
15
2400 / 2600 3400 / 4400 4340 / 5600
–
60 × 10
6
1475 / 1525 2560 / 2725 3390 / 3530
–
80 × 10
8
1900 / 1990 3100 / 3510 3900 / 4450
–
100 × 10
10
2310 / 2470 3610 / 4325 4650 / 5385 5300 / 6060
120 × 10
12
2650 / 2950 4100 / 5000 5200 / 6250 5900 / 6800
87
Таблица П.3
Технические характеристики алюминиевых Al шин прямоугольного ( b  a )
сечения, коэффициент геометрии k Г и допустимые токовые нагрузки I Н на
них. В числителе приведена токовая нагрузка при переменном токе,
в знаменателе – при постоянном токе
Размер
Коэффициент
Токовая нагрузка при числе полос на фазу, А
шины, мм
kГ
1
2
3
4
15 × 3
5
165
–
–
–
20 × 3
6,7
215
–
–
–
25 × 3
8,3
265
–
–
–
30 × 4
7,5
365 / 370
–
–
–
40 × 4
10
480
– / 855
–
–
40 × 5
8
540 / 545
– / 965
–
–
50 × 5
10
665 / 670
– / 1180
– / 1470
–
50 × 6
8,3
740 / 745
– / 1315
– / 1655
–
60 × 6
10
870 / 880 1350 / 1555 1720 / 1940
–
80 × 6
13,3
1150 / 1170 1650 / 2055 2100 / 2460
–
100 × 6
16,7
1425 / 1455 1935 / 2515 2500 / 3040
–
60 × 8
7,5
1025 / 1040 1680 / 1840 2180 / 2330
–
80 × 8
10
1320 / 1355 2040 / 2400 2620 / 2975
–
100 × 8
12,5
1525 / 1690 2390 / 2945 3050 / 3620
–
120 × 8
15
1900 / 2040 2650 / 3350 3380 / 4250
–
60 × 10
6
1155 / 1180 2010 / 2110 2650 / 2720
–
80 × 10
8
1480 / 1540 2410 / 2735 3100 / 3440
–
100 × 10
10
1820 / 1910 2860 / 3350 3650 / 4160 4150 / 4400
120 × 10
12
2070 / 2300 3200 / 3900 4100 / 4860 4650 / 5200
88
Таблица П.4
Технические характеристики стальных шин прямоугольного ( b  a ) сечения,
коэффициент геометрии k Г и допустимые токовые нагрузки I Н на них.
В числителе приведена токовая нагрузка при переменном токе,
в знаменателе – при постоянном токе
Размер Коэффициент
Токовая
Размер
Коэффициент Токовая
шины
нагрузка
шины
нагрузка
kГ
kГ
b  a , мм
IН , А
b a , мм
IН , А
16 × 2,5
6,4
55 / 70
100 × 3
33,3
305 / 460
20 × 2,5
8
60 / 90
20 × 4
5
70 / 115
25 × 2,5
10
75 / 110
22 × 4
5,5
75 / 125
20 × 3
6,7
65 / 100
25 × 4
6,25
85 / 140
25 × 3
8,3
80 / 120
30 × 4
7,5
100 / 165
30 × 3
10
95 / 140
40 × 4
10
130 / 220
40 × 3
13,3
125 / 190
50 × 4
12,5
165 / 270
50 × 3
16,7
155 / 230
60 × 4
15
195 / 325
60 × 3
20
185 / 280
70 × 4
17,5
225 / 375
70 × 3
23,3
215 / 320
80 × 4
20
260 / 430
75 × 3
25
230 / 345
90 × 4
22,5
290 / 480
80 × 3
26,7
245 / 365
100 × 4
25
325 / 535
90 × 3
30
275 / 410
–
–
–
89
Таблица П.5
Основные свойства наиболее распространённых контактных материалов
Материал
ПлотУдельное
ТКС
ТеплопроводТеплоём
3
ность
сопротивле-   10
ность  ,
кость С ,
3
ние
Вт/(м׺С)
Дж/(кг׺С)
  10 ,
,

8
 0  10 ,
1/ºС
кг/м3
Ом×м
Al твёрдотя2,7
2,62
4,2
210
950
нутый
Бронза
8,2 ÷ 8,8
5,3 ÷ 16
4,0
64 ÷ 84
360
Вольфрам
19,3
5,1
4,2
170
140
Графит
1,7 ÷ 1,8 700 ÷ 1400
– 1,3
160
650 ÷ 850
Дюралюми2,75
3,3
2,2
160
930
ний
Железо
7,9
9 ÷ 10
5,5
79,5
640
Кадмий
8,64
7,0
4,3
92
230
Латунь
8,5 ÷ 8,9
7,0 ÷ 7,2
1,5
100
340
Cu твёрдо- 8,7 ÷ 8,9
1,62
4,3
390
390
тянутая
Молибден
10,2
4,5 ÷ 5,0
4,3
146
270
Никель
8,8
7,2
6,1
70
460
Олово
7,3
11,4
4,5
64
230
Свинец
11,3
19,5
4,1
35
130
Ag твёрдо10,5
1,5
4,4
420
234
тянутое
Сталь
7,8
10 ÷ 13
6,2
40
470
Хром
7,1
14,0
5,2
94
430
Цинк
7,1
5,8
4,2
113
390
Золото
19,3
2,2
4,0
320
130
КМК-А10
9,7
3,0
–
325
–
КМК-А20
9,5
2,5
–
350
–
90
Коэффициенты теплоотдачи kT при естественном
свободном движении воздуха
Наименование нагретых деталей и узлов.
Характеристика их поверхности и условия охлаждения
Стержни круглые медные горизонтальные, диаметр 10 ÷ 60 мм
Шины плоские медные:
горизонтальные, поставленные на ребро ……………………
горизонтальные, расположенные плашмя …………………..
вертикальные ………………………………………………….
Шины коробчатые, расположенные горизонтально:
медные (наружная поверхность охлаждения) ………………
медные (полная поверхность охлаждения) …………………
алюминиевые (полная поверхность охлаждения) …………..
алюминиевые (наружная поверхность охлаждение) ……….
Изоляторы фарфоровые горизонтальные …………………………...
Пакеты штампованных пластин – магнитопроводы ……………….
Катушки многовитковые:
слаботочных реле, диаметр 3 – 14 мм ……………………….
аппаратов управления и распределения энергии …………...
Катушки шинные дугогасительные в камерах ……………………...
Элементы резисторов (сопротивлений):
трубчатые эмалированные …………………………………...
трубчатые проволочные, без покрытия ……………………..
плоские на каркасе, проволочные, ленточные ( kT отнесён
к поверхности проволоки, ленты) …………………………...
цилиндрические фехралевые, намотанные на ребро,
горизонтальные ( kT отнесён к поверхности элемента) ……
чугунные, вертикальные ( kT отнесён к пов. элемента) ……
Оболочки и детали с гладкой поверхностью, покрытой лаком или
краской ………………………………………………………...
91
Таблица П.6
kT ,
Вт
м 2 0 С
13 ÷ 9
6÷9
5÷8
4÷7
10 ÷ 12,5
6÷8
5,6 ÷ 8
9 ÷ 12
18
10 ÷ 12,5
60 ÷ 8
9 ÷ 14
12 ÷ 20
20 ÷ 25
23
10 ÷ 20
42 ÷ 43
10 ÷ 15
10 ÷ 14
Таблица П.7
Допустимые плотности тока j КЗ (А/мм ) для типичных проводниковых
материалов в зависимости от расчётного времени короткого замыкания
Расчётное время короткого замыкания
1 секунда 5 секунд 10 секунд
2
Материал проводника
Медь
152
68
48
Алюминий
89
40
28
Латунь
73
33
23
Таблица П.8
Особо гибкие провода, применяемые для гибких соединений – «косичек»
Круглый провод ПЩ
Плоский провод,
плетёный из провода
ПЩ
Сечение
Допустимый
провода,
длительный
Диаметр
Диаметр
Диаметр
Размер
2
мм
ток, А
проволоки, провода, проволоки, плоского
мм
мм
мм
провода,
мм
1
0,08
1,7
–
–
13
1,5
0,08
2,1
–
–
17
2,5
0,10
2,6
–
–
24
4
0,13
3,3
–
–
30
6
0,13
4,2
0,08
12 × 1,7
38
10
0,13
5,5
0,08
20 × 1,7
50
16
–
0,08
25 × 1,7
75
25
–
0,08
25 × 4,6
105
35
–
0,08
30 × 4,6
120
Таблица П.9
Рекомендуемые значения плотности тока j
в не размыкаемых болтовых контактных соединениях
Медь
Латунь,
Алюбронза
миний
2
А/мм
Плотность тока в ЭА до 200А
0,31 0,124÷0,21 0,238
Плотность тока в ЭА от 200А до 600А
0,27 0,108÷0,18 0,208
Плотность тока в ЭА от 600А до 1000А 0,23 0,092÷0,15 0,177
92
Сталь
0,044
0,039
0,033
Таблица П.10
Рекомендуемые удельные давления f К в неразъёмных болтовых контактных
соединениях
Материал шины
Па, Н/м2
Н/мм2
кгс/мм2
Медь лужёная
(5 ÷ 10)  106
5 ÷ 10
0,5 ÷ 1,0
6
Медь, латунь, бронза не лужёные (6 ÷ 12)  10
6 ÷ 12
0,6 ÷ 1,2
6
Алюминий
(22 ÷ 25)  10
22 ÷ 25
2,2 ÷ 2,5
6
Сталь лужёная
(10 ÷ 15)  10
10 ÷ 15
1,0 ÷ 1,5
6
Сталь не лужёная
(60 ÷ 65)  10
60 ÷ 65
6,0 ÷ 6,5
Таблица П.11
Расчётные данные болтов, изготовленных из стали марки Ст.3,
для не размыкаемых контактных соединений
Диаметр
ДиаДиаметр
Площадь Сила за- Ширина Величина
метр
контакт- контактно- тяжки
пономинальболта d
отвер- ного пятго пятна,
одного движно- ного тока на
,
*
болта,
го конодин болт
мм
S КП ,
на, DКП ,
стия d
2
1
такта
FБ , кН
I НБ , А
мм
мм
, мм
Ф
, мм
bПК
М4
4,2
9
50
1,0 ÷ 1,3 8 ÷ 10
10 ÷ 20
М5
5,5
11
70
1,4 ÷ 1,8 10 ÷ 13
20 ÷ 40
М6
7
14
115
2,3 ÷ 2,9 12 ÷ 18
40 ÷ 100
М8
9
18
190
4,2 ÷ 5,4 16 ÷ 24
100 ÷ 160
М 10
11,5
22
275
7,0 ÷ 8,6 20 ÷ 30
160 ÷ 250
М 12
14
28
460
10 ÷ 13 25 ÷ 40
250 ÷ 400
М 16
19
34
625
20 ÷ 24 35 ÷ 50
400 ÷ 630
М 20
24
46
1210
30 ÷ 36 45 ÷ 60
630 ÷ 1000
При применении болтов, изготовленных из стали марки Ст.4 или Ст.5, сила затяжки одного болта FБ может быть увеличена в 1,15 или 1,30 раза соответственно.
93
Таблица П.12
Значения k ПХ для материалов контактных соединений
Соединяемые материалы
k ПХ
Серебро – серебро
0,06  10-3
Медь – медь (плоскостной контакт)
(0,09 – 0,14)  10-3
Медь – медь (точечный контакт)
(0,14 – 0,18)  10-3
Медь – медь (лужёные поверхности)
(0,07 – 0,10)  10-3
Медь – латунь
0,38  10-3
Латунь – латунь
0,67  10-3
Латунь – сталь
3,04  10-3
Медь – сталь
3,10  10-3
Металлокерамика (КМК – А10, А20)
(0,20 – 0,30)  10-3
Олово – олово
0,48  10-3
Алюминий – медь
0,98  10-3
Алюминий – алюминий
1,60  10-3
Алюминий – латунь
1,90  10-3
Сталь – латунь
3,04  10-3
Сталь – алюминий
4,40  10-3
Сталь – сталь
7,60  10-3
Таблица П.13
Значения коэффициента формы m контактной поверхности
Вид контактного соединения
m
Точечный контакт
0,5
Линейный контакт
0,5 – 0,7
Плоскостной контакт
0,7 – 1,0
94
Таблица П.14
Примерные значения технических параметров подвижных контактов
I
j Л  Н , А/мм
I Н или I ЭКВ , А
bПК , мм
bПК
63
14
4,5
160
18
8,9
300
25
12
Таблица П.15
Размеры облицовочных пластин (накладок) из металлокерамики или серебра
Ширина b* , мм
Высота h* , мм
Толщина c * , мм
3; 4; 5
4; 5
0,8; 1,0; 1,6
3; 4; 6; 8; 10
6; 8; 10
1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2,2
6; 8; 10; 12; 14
12; 14
1,0; 1,4; 1,6; 2,2; 2,5
8; 10; 14; 16; 20
16; 20
1,6; 2,0; 2,2; 2,5; 3,0
12; 16; 20; 25; 32
25; 32
3,0; 3,5; 5,0
14; 20; 25; 32; 40
40; 50
2,5; 3,0; 3,5; 5,0
Величина тока I ориентировочно может быть определена путём
сопоставления площади прямоугольника и площади круга.
Размеры цилиндрических контактов и контактных накладок d К из
драгоценных металлов, серебра и металлокерамических композиций
Величина тока I , А
Диаметр контакта d К ,
Толщина контакта c * ,
мм
мм
до 2
1÷2
0,3 ÷ 1,0
2÷5
2÷4
0,6 ÷ 1,2
5 ÷ 10
3÷5
0,8 ÷ 1,6
10 ÷ 20
5÷8
1,0 ÷ 2,0
20 ÷ 40
8 ÷ 12
1,2 ÷ 2,2
40 ÷ 63
12 ÷ 16
1,4 ÷ 2,5
63 ÷ 100
16 ÷ 20
1,6 ÷ 3,0
100 ÷ 160
20 ÷ 25
2,2 ÷ 3,0
160 ÷ 250
25 ÷ 32
2,5 ÷ 3,5
95
Таблица П.16
Основные свойства наиболее распространённых контактных материалов
Материал
ТемТемМодуль
Твёрдость
Предел
перапераупругости
прочности
HB ,
тура
тура
на растяжеE,
×
 ПЛ ,  КИП ,
ние  О  ,
×
6
2
2
2
10 кгс/см , 10 кгс/мм ,
ºС
ºС
кгс/см
,
2
105 Н/мм2
100 Н/мм
10 Н/см2
Al твёрдотянутый
660
1800
0,72
2,7
1500
Бронза
950
–
1,1 ÷ 1,2
6÷7
3900 ÷ 7000
Вольфрам
3410
5900
3,5
20 ÷ 35
(10÷30)×103
Графит
–
3650
0,03 ÷ 0,09
1,2 ÷ 2,0
70 ÷ 100
Дюралюминий
650
–
0,71
7 ÷ 11
3500
Железо
1530
2450
2,0 ÷ 2,2
6÷8
2500 ÷ 3000
Кадмий
321
770
0,5 ÷ 0,7
3,5
700 ÷ 900
Латунь
900
–
0,9 ÷ 1,1
6,0 ÷ 14,5 3000 ÷ 6000
Cu твёрдотянутая
1083
2600
1,1 ÷ 1,3
11 ÷ 13
4100
Молибден
2620
3560
3,5
18
(14÷25)×103
Никель
1455
2730
2,1
8
4000 ÷ 4500
Олово
232
2270
0,4 ÷ 0,6
0,4 ÷ 0,5
140 ÷ 200
Свинец
327
1540
0,16
0,4
210
Ag твёрдотянутое
960
1955
0,75
3÷6
3800
Сталь
1400
–
2,1 ÷ 2,2
10 ÷ 20
4000 ÷ 6000
Хром
1800
2200
9,0
9 ÷ 13
–
Цинк
419
907
0,84
3
1120 ÷ 1330
Золото
1063
2807
0,7 ÷ 0,85
1,8
–
КМК-А10
–
–
–
4,0 ÷ 7,5
–
КМК-А20
–
–
–
4,5 ÷ 6,0
–
96
Таблица П.17
Напряжения U РЕК , U ПЛ и температуры рекристаллизации (размягчения)  РЕК
и плавления  ПЛ металлов электрических контактов
Материал
Температура  , ºС
Напряжение U ( U К ), В
контактов
U РЕК
U ПЛ
 РЕК
 ПЛ
Алюминий
0,1
0,3
150
660
Железо
0,21
0,6
500
1530
Никель
0,22
0,65
520
1455
Медь
0,12
0,43
190
1083
Серебро
0,09
0,37
150
960
Молибден
0,3
0,9
900
2620
Вольфрам
0,4
1,1
1000
3410
Платина
0,25
0,7
540
1773
Золото
0,08
0,43
100
1063
Кадмий
–
0,15
–
321
Цинк
0,1
0,17
170
419
Таблица П.18
Напряжения U К и соответствующие им значения превышений
температуры  ККК контактной площадки над температурой металла контакта
U К , мВ
10 15 20 25 30 35 40 45 50 60 70 90
3
4
8
11 16 21 28 36 44 61 85 149
 ККК Ag
4
5
10 14 20 26 40 42 51 70 96 160
, ºС Cu
97
Таблица П.19
Н
Коэффициент kСВ для расчёта начального тока сваривания контактов I СВ
Тип контакта
Материал
kСВ , А/Н0,5
Щёточный
Медь – латунь
950 ÷ 1270
Пальцевый несамоустанавливающийся
Медь – медь
1300
Пальцевый несамоустанавливающийся
Латунь – медь
1200
Пальцевый несамоустанавливающийся
Латунь – сталь
1520
Пальцевый несамоустанавливающийся
Латунь – латунь
1600
Пальцевый самоустанавливающийся
Медь – латунь
1820
Розеточный (на один элемент розетки)
Медь – латунь
1740
Розеточный (на один элемент розетки)
Медь – медь
1900
Таблица П.20
Предел прочности на смятие  СМ различных контактных материалов
Материал
Предел прочноМатериал
Предел прочноконтакта
сти на смятие
контакта
сти на смятие
2
 СМ , Н/мм
 СМ , Н/мм2
Медь твёрдая
520
Цинк
430
Медь мягкая
390
Олово
45
Al отожжённый
110
Свинец
23
Al твёрдотянутый
250
Молибден
1690
Золото
530
Серебро
310
Платина
780
Дюраль твёрдый
420
Латунь твёрдая
500 ÷ 600
Дюраль мягкий
210
Латунь мягкая
300 ÷ 450
КМК-А10
450
Сталь
900 ÷ 1000
КМК-А20
470
98
Таблица П.21
Экспериментальные значения коэффициентов износа k ЗМ или k РЗ
Диапазон токов
Режим
Материал конk ЗМ или k РЗ ,
тактов
I , А и среда
г/А2
200 – 400
Замыкание контактов
Серебро
Около 0,002
Воздух
со сниженной вибраСеребро + 15%
Около 0,001
цией (суммарное
окиси кадмия
время меньше 0,3 мс) (мелкодисперсная
структура)
15 – 300
Замыкание контактов Серебро + 15%
0,01
Воздух
со значительной вибокиси кадмия
рацией (суммарное (мелкодисперсная
время от 1 до 5 мс)
структура)
Серебро
Около 0,05
100 – 300
Воздух
1 – 500
Воздух
То же
Медь
Около 0,2
Размыкание
Материалы,
указанные на
Рисунке П.4
Значения,
указанные на
Рисунке П.4
99
Таблица П.22
Минимальная напряжённость H min магнитного поля, требующаяся для
перемещения дуги Д в щель  3 дугогасительной камеры
Ток
2,
Минимальная напряжённость H min поля, А/см
IОТ ,
мм
 3 = 1 мм
 3 = 2 мм
 3 = 4 мм
А
β =30º β =45º β =75º β =30º β =45º β =75º β =30º β =75º
2
14
12
6
–
–
–
–
–
4
–
104
–
8
6
2
–
–
2
8
–
152
–
–
–
–
2
2
16
168
164
136
20
12
10
2
2
2
22
18
10
–
–
–
–
–
4
–
120
–
10
10
1,2
–
–
35
8
–
155
–
–
–
–
4
1,2
16
184
172
124
32
14
10
4
1,2
2
164
133
128
–
–
–
–
–
4
–
137
–
10
6
2
–
–
150
8
–
164
–
–
–
–
6
1,2
16
190
176
140
36
28
18
6
1,2
2
175
152
144
–
–
–
–
–
4
–
–
–
15
–
4
–
–
300
8
–
–
–
–
–
–
6
1,2
16
195
176
165
40
–
19
6
1,2
2
132
104
54
–
–
–
–
–
4
–
112
–
46
12
6
–
–
600
8
–
148
–
–
–
–
6
1,2
16
188
168
136
168
114
92
6
1,2
100
Таблица П.23
Допустимые длительные нагрузки медных проводов с резиновой и
полихлорвиниловой изоляцией при  О = 40 ºС
Режим работы
Сечение провода
ПВ% = 100%
ПВ% = 40%
ПВ% = 25%
S ПР , мм2
Допустимый ток, А
1,5
18
18
18
2,5
24
24
24
4
32
32
32
6
39
39
39
10
63
88
110
16
79
110
135
25
110
150
190
35
130
180
225
50
170
235
295
70
210
290
365
95
260
360
455
120
300
420
525
150
345
480
600
101
Таблица П.24
Длительно допустимые температуры  Д для изоляционных материалов
различных классов нагревостойкости
Класс нагревоY
A
E
B
F
H
C
стойкости
 Д , ºС
90
105
120
130
155
180
> 180
Класс Y – непропитанные и не погруженные в жидкий электроизоляционный
материал волокнистые материалы из целлюлозы, шёлка и др. Этот класс изоляции в электроаппаратостроении практически не применяется.
Класс А – то же, но погруженные в жидкий электроизоляционный состав.
Класс Е – некоторые синтетические и органические пленки и др.
Класс В – материалы на основе слюды (в том числе на органических подложках), асбеста и стекловолокна, применяемые с органическими связующими и
пропитывающими составами.
Класс F – то же, но применяемые в сочетании с синтетическими связующими и
пропитывающими составами.
Класс Н – то же, но применяемые в сочетании с кремнийорганическими связующими и пропитывающими составами, а также кремнийорганические эластомеры.
Класс С – слюда, керамические материалы, стекло, кварц, применяемые без
связующих составов или с неорганическими или кремнийорганическими связующими составами. Применяется для специальной техники.
Таблица П.25
Допустимые превышения температуры для многослойных катушек с изоляционными материалами (температура окружающего воздуха 40 °С)
Класс
Продолжительный режим
Прерывисто-продолжительный,
нагреработы
повторно-кратковременный и
востойкратковременный режимы
кости
работы
в воздухе
в трансформав воздухе
в трансформаторном масле
торном масле
65
60
80
60
A
80
60
90
60
E
90
60
100
–
B
110
–
120
–
F
130
–
140
–
H
102
Таблица П.26
Cu
Сортамент диаметров медных обмоточных проводов (по меди) d ОП
ИЗ
и наружных (максимальных, по изоляции) диаметров d ОП
эмалированных проводов. Класс нагревостойкости изоляции проводов – A
Cu
ИЗ
Cu
ИЗ
, мм
по
, мм
d ОП по
d ОП
d ОП
d ОП
меди,
меди,
ПЭЛ
ПЭВ-1 ПЭВ-1
ПЭЛ
ПЭВ-1 ПЭВ-2
мм
мм
0,020
0,030
0,030
–
0,425
0,460
0,455
0,465
0,025
0,035
0,035
–
0,450
0,485
0,480
0,490
0,032
0,040
0,042
–
0,475
0,510
0,505
0,515
0,040
0,050
0,052
–
0,500
0,540
0,545
0,555
0,050
0,062
0,070
–
0,530
0,570
0,575
0,585
0,060
0,072
0,083
0,087
0,560
0,600
0,605
0,615
0,070
0,082
0,093
0,097
0,600
0,640
0,645
0,655
0,080
0,092
0,103
0,107
0,630
0,670
0,675
0,685
0,090
0,102
0,113
0,117
0,670
0,710
0,715
0,730
0.100
0,115
0,123
0,127
0,710
0,760
0,755
0,770
0,112
0,135
0,143
0,147
0,750
0,800
0,800
0,815
0,125
0,140
0,148
0,153
0,850
0,900
0,900
0,915
0,132
0,147
0,155
0,159
0,900
0,950
0,950
0,965
0,140
0,155
0,163
0,167
0,950
1,000
1,000
1,015
0,150
0,168
0,177
0,180
1,000
1,060
1,070
1,080
0,160
0,178
0,187
0,190
1,060
1,120
1,130
1,140
0,170
0,188
0,197
0,200
1,120
1,180
1,190
1,200
0,180
0,198
0,207
0,210
1,180
1,240
1,250
1,260
0,190
0,208
0,217
0,220
1,250
1,310
1,320
1,330
0,200
0,222
0,227
0,230
1,320
1,380
1,390
1,400
0,212
0,234
0,239
0,242
1,400
1,465
1,470
1,480
0,224
0,246
0,251
0,254
1,500
1,565
1,570
1,580
0,236
0,258
0,266
0,271
1,600
1,665
1,670
1,680
0,250
0,272
0,280
0,285
1,700
1,765
1,770
1,780
0,265
0,291
0,295
0,300
1,800
1,865
1,875
1,880
0,280
0,306
0,310
0,315
1,900
1,965
1,975
1,980
0,300
0,326
0,330
0,335
2,000
2,065
2,075
2,080
0,315
0,345
0,345
0,350
2,120
2,185
2,205
2,210
0,335
0,365
0,365
0,370
2,240
2,305
2,325
2,330
0,355
0,385
0,385
0,395
2,360
2,425
2,445
2,450
0,375
0,405
0,405
0,415
2,500
2,565
2,585
2,590
0,400
0,435
0,430
0,440
–
–
–
–
103
Рисунок П.1
Рис. П.1. Зависимость ширины подвижного контакта от величины тока.
104
Рисунок П.2
Рис. П.2. Графические зависимости переходного сопротивления контактов от
силы нажатия. Контакты металлокерамические точечные, диаметр 14 мм, токи 140 А и 240 А (пунктирные линии – 240 А). 1 – серебро; 2 - металлокерамика КМК-А10 (СОК15); 3 – КМК-А20 (СОМ10); 4 – СВ50; 5 – СН40.
105
Рисунок П.3
RПХ,
мкОм
200
140
100
8
7
50
6
20
14
10
5
4
5
3
2
1
2
1
1
2
5
10 14 20
50
100
200
FК,
H
500 1000
Рис. П.3. Графические зависимости переходного сопротивления контактов от
силы нажатия при разных формах контактной поверхности. 1 – серебряный
плоский; 2 – медный плоский; 3 – серебряный линейный; 4 – медный линейный; 5 – серебряный точечный; 6 – медный свежезачищенный точечный
(медь твёрдая); 7 – медный (медь твёрдая, масляный выключатель); 8 – медьвольфрам (масляный выключатель).
106
Рисунок П.4
Рис. П.4. Зависимость коэффициента износа k РЗ от тока при размыкании
контактов в воздухе.
1 – серебро + 30 – 40% никеля; 2 – серебро + 15% окиси кадмия; 3 – серебро;
4 – медь; 5 – кадмиевая медь; 6 – серебро + 40% вольфрама; 7 – серебро +
15% вольфрама.
107
Рисунок П.5
min
Tл Bδ
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0,6
Г
0,8
1
2
2,24
2,88
1,92 3,2
2,56
3
4
5
6
8
10
20
30
12,8 22,4
16 28,8
6,4
9,6
19,2 32
25,6
40
60
80
0,5
100кгс /см
128 224
160 288
64
96
Г
192 320 Н0,5/м
256
2
10
Рис. П.5. Зависимость магнитной индукции Bmin в рабочем воздушном
зазоре при отпущенном якоре (  max ) от геометрического показателя Г.
Для электромагнитов с внешним притягиваемым якорем. Режим работы
продолжительный. Превышение температуры 70 ºС.
108
Рисунок П.6
Тл B
2,6
2,4
1
2,2
12
2
2,0
5
4
1,8
6 10
1
1,6
3
5
1,4
6
10
4
1,2
11
1,0
9
10
0,8
9
6
7
8
11
2
0,6
0,4
4 12 1
3
5
0,2
Н
0
0,02 0,05 0,1 0,2 0,5 1
2
4 7
15 30 50 100
300
800 А/м
2
0,03 0,07
0,3 0,7 1,5 3 5 10 20
70
200 500
10
Рис. П.6. Кривые намагничивания магнитомягких материалов:
1 – сталь низкоуглеродистая электротехническая марки Э отожжённая; 2 –
сталь качественная конструкционная марки Ст.10 отожжённая; 3 – сталь качественная конструкционная марки Ст.20 отожжённая; 4 – сталь листовая
электротехническая марки Э41; 5 – сталь листовая электротехническая холоднокатанная марки Э330; 6 – чугун ковкий отожжённый; 7 – чугун серый
легированный марки № 00 отожжённый; 8 – чугун марки № 00 неотожжённый; 9 – высоконикелевый пермаллой марки 79НМ; 10 – низконикелевый
пермаллой марки 50Н; 11 – низконикелевый пермаллой марки 50НХС; 12 –
пермендюр, сплав марки 49К2Ф; (permendur: permeability – «проницаемость»;
durable – «прочный»); сплав железа (47 ÷ 50%) с кобальтом (48 ÷ 50%), с н ебольшой добавкой ванадия (1,5 ÷ 2,0%).
109
Рисунок П.7
Рис. П.7. Определение коэффициента заполнения k ЗОБ обмоточного проCu
странства в зависимости от диаметра обмоточного провода по меди d ОП
:
а) – обмотка без межрядовой изоляции; б) – обмотка с изоляцией Δ между
каждым рядом; в) – коэффициенты заполнения для проводов разных марок: 1
– эмалированные (ПЭЛ, ПЭВ, ПЭВА, ПЭТВ и др.); 2 – эмалированные с однослойной волокнистой изоляцией из шёлка (ПЭЛШО, ПЭВЛО и др.); 3 – с
двухслойной волокнистой бумажной и стеклянной изоляцией (ПБД, АПБД,
ПСД, АПСД, ПСДК и др.). Верхние границы зон 1, 2 и 3 – без межрядовой
ИЗ
изоляции, нижние – с изоляцией между каждым рядом (слоем). Диаметр d ОП
– наружный (максимальный) диаметр обмоточного провода в изоляции.
110
Рисунок П.8
Н
Рис. П.8. Примерное значение диаметра обмотки DОБ
приводного электромагнита в зависимости от величины коммутируемого тока I Н ( I ЭКВ ).
Верхняя граница зоны – с межрядовой изоляцией Δ между каждым рядом
(слоем) обмотки, нижняя граница зоны – без изоляции Δ между каждым рядом (слоем) обмотки.
111
Учебное издание
Марков Александр Михайлович
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ
КОНТАКТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА
Часть II
Учебно-методическое пособие
Компьютерная вёрстка: А. М. Марков
Технический редактор: А. М. Марков
Корректор: С. Н. Емельянова
________________________________________________________
Подписано в печать 25.12.2012 г. Формат 60×90/16
Гарнитура Times New Roman. Усл. п. л. 7.
Тираж 80 экз. Заказ № 4274.
Адрес издательства:
Россия, 180000, г. Псков, ул. Л. Толстого, 4.
Издательство ПсковГУ
112