Tài liệu thiết kế CONTACTOR xoay chiều, chương 7 docx

Khái niệm Nam châm điện đ-ợc sử dụng ngày càng rất rộng rãi mà không một lĩnh vực ngành nào không sử dụng nó.. Nhiệm vụ chủ yếu của nam châm điện là bộ phận sinh lực để thực hiện các chu

Ch-ơng 7

Nam châm điện

6.1 Khái niệm

Nam châm điện đ-ợc sử dụng ngày càng rất rộng rãi mà không một lĩnh vực ngành nào không sử dụng nó Nhiệm vụ chủ yếu của nam châm điện

là bộ phận sinh lực để thực hiện các chuyển dịch tịnh tiến hay chuyển quay hoặc sinh lực hãm

Trong mỗi lĩnh vực khác nhau thì có những loại nam châm khác nhau

về hình dáng, kết cấu, ứng dụng Các quá trình vật lý xảy ra trong nam châm

điện rất phức tạp, th-ờng đ-ợc mô tả bằng các ph-ơng trình vi phân tuyến tính Vì vậy việc tính tóan nam châm điện th-ờng đ-ợc dựa theo các công thức gần đúng, đơn giản sau đó mới kiểm nghiệm lại theo công thức lý thuyết, dẫn tới bài toán tối -u

Đối với công tắc tơ, nam châm điện là cơ cấu sinh lực để thực hiện tịnh tiến đối với cơ cấu chấp hành là hệ thống các tiếp điểm

6.2 Tính tóan kích th-ớc nam châm điện

6.2.1 Các số liệu ban đầu

a/ Dạng kết cấu

Với công tắc tơ xoay chiều ba pha thì th-ờng chọn nam châm điện có kết cấu chữ E hút thẳng

b/ Vật liệu:

Tra bảng 5 -3 (TL1) chọn Thép lá kỹ thuật điện hợp kim tăng c-ờng

31 (thép Silic) Loại thép này có lực từ phản kháng bé nên tổn hao do từ trễ không đáng kể

Các thông số kỹ thuật của thép 31:

Lực từ phản kháng HC 0,35 A/cm

Từ cảm d- 1,1T

Độ từ thẩm cực đại 6,5

Điện trở suất 50.10-8.cm Khối l-ợng riêng 7,65 g/cm3

Thành phần Cacbon 0,025%

Tổn hao từ trễ khi bão hòa 0,15

Chiều dày lá thép 0,5 mm c/ Chọn từ cảm, hệ số từ rò, hệ số từ cảm

Chọn điểm tính toán là K (điểm nguy hiểm), tại  = 3 mm

Ftt = 23,645 N

Chọn B = 0,5T

Chọn hệ số từ rò r = 1,4; hệ số từ tản t = 1,2

6.2.2 Tính tiết diện lõi mạch từ

- Theo công thức 5 - 8 (TKKCĐAH), tổng diện tích lõi thép mạch từ

để đạt đ-ợc lực điện từ ở điểm tới hạn:

Sl = k Ftt; 19 9.104.B2



trong đó Ftt lực hút điện từ ở điểm tới hạn: Ftt = 23,645 N

k: hệ số dự trữ, chọn k = 1,15

=> Sl = Error! = 5,47 10-4 m2 = 547 mm2

- Diện tích lõi cực từ giữa:

Sl2 = Error!= Error!= 273,5 (mm2)

- Diện tích lõi 2 cực từ nhánh:

Sl1 = Sl3 = Error!= Error!= 13,75 (mm2)

Hình vẽ

- Đối với cực từ giữa

Chọn Error!= 1,25

=> a = Sl2;1

25 = Error!  12,32 (mm)

Để đảm bảo mạch đ-ợc đóng cắt một cách nhanh chóng và lực từ đủ mạnh ta chọn: a= 16 mm

b= 1,25a = 1,25 16  20 (mm)

- Cạnh thực của lõi thép:

b' = Error!

với Kc = 0,9 là hệ số ép chặt các lá thép b' = 20;09  22 (mm)

- Số lá thép kỹ thuật điện:

n = Error!= Error! = 44 (tấm)

trong đó  = 0,5 mm là chiều dày một lá thép

- Hai cực từ mạch nhánh chọn kích th-ớc: d= 12 mm

b= 20 mm

6.2.3 Tính toán cuộn dây

a/ Sức từ động của cuộn dây

- (IW)tđ= (IW)nh + (IW)h (A vòng) (CT 5-18)

trong đó:

 (IW)nh : sức từ độn của khe hở không khí làm việc khi phần ứng hở

 (IW)h : sức từ động không đổi khi khe hở không khí làm việc

- (IW)nh = Error! (CT 5 - 19 TL1)

nh- tổng khe hở không khí làm việc

nh = 2 nh = 2.4.10-3 = 8 10-3 (m)

0 = 1,25.10-6 (H/m)

=> (IW)nh = Error! = 3200 (A.vòng)

- (IW)h = Error! (CT 5 -20 TL 1)

r: hệ số từ rò, r = 1,4

h: khe hở không khí ở trạng thái hút

h = 2cn + cd + ht = 0,2 0,7 mm

cn = 0,03  0,1 mm - khe hở công nghệ, chọn cn = 0,05 mm

cd = 0,1  0,5 mm - khe hở chống dính, chọn cd = 0,3 mm

ht: khe hở giả định, chọn cd = 0,1 mm

=> h = 2.0,05 + 0,3 + 0,1 = 0,5 mm (IW)h = Error! = 280 (A.vòng)

=> (IW)tđ = 3200 + 280 = 3480 (A vòng)

- Kiểm tra lại, ta có hệ số bội số dòng điện:

Kt = Error!= Error! 12,43

=> thỏa mãn yêu cầu Kt = 4  15

b/ Kích th-ớc cuộn dây

Hình vẽ

- Tiết diện cuộn dây đ-ợc xác định cho trạng thái phần ứng bị hút vì khi phần ứng hở, dòng điện chạy trong cuộn dây lớn hơn nhiều lần so với khi phần ứng bị hút và thời gian rất ngắn Vì vậy sức từ động (IW)tđ đ-ợc tính ở trạng thái hở của phần ứng cần phải đ-a về trạng thái hút của phần ứng

- Theo công thức 5 - 24 (TL1), diện tích cuộn dây:

Scd = Error!

trong đó:

KU max : Hệ số tính đến điện áp nguồn tăng mà NCĐ vẫn làm việc Chọn KU max = 1,1

KU min : Hệ số tính đến điện áp nguồn giảm mà NCĐ vẫn làm việc Chọn KU min = 0,85

Kqt: Hệ số quá tải dòng điện ở chế độ làm việc dài hạn Kqt = 1 j: Mật độ dòng điện trong cuộn dây ở chế độ làm việc dài hạn, th-ờng j = 2  4 A/mm2 Chọn j = 2,5A/mm2

Klđ: Hệ số lấp đầy cuộn dây, Klđ = 0,3  0,6 Chọn Klđ = 0,5

=> Scd = Error!  328 (mm2)

- Từ diện tích cuộn dây, chọn hệ số hình dáng Khd = Error! = 3

=> bcd = Error!= Error! = 10,46 (mm)

hcd = 3 bcd = 3.10,46 = 31,37 (mm)

- Số vòng dây:

W = KU max.Udm.KIR;4

44.f.tb (trang 234 TL1) trong đó:

KIR: hệ số tính đến điện áp rơi trên điện trở của cuộn dây khi phần ứng bị hút KIR 1

Uđm: điện áp định mức của cuộn dây, Uđm = 380V

KU min: hệ số tính đến sụt áp, KU min = 0,85

f = 50 Hz

tb = r.B.S2 = 1,4.0,5.16.20.10-6 = 2,24.10-4 (Wb)

=> W = Error!= 6495 (vòng)

- Tiết diện dây quấn:

q = Error!

=> q = 5;6495 = 0,025 (mm328.0 2) + Đ-ờng kính dây:

d= Error!= Error!= 0,18 (mm) Chọn d = 0,2 mm

c/ Kích th-ớc mạch từ

Hình vẽ

a = 16 mm ; b = 22 mm

Chọn 1 = 0,5 mm

2 = 1,5 mm (bề dầy khung dây)

3 = 0,5 mm (bề dầy cách điện cuộn dây)

4 = 5,0 mm

5 = 5,0 mm Chiều cao lõi mạch từ: h1 = 32 mm

Chiều rộng cuộn dây: bcd = 13 mm

Chiều cao cuộn dây: hcd = 26 mm

Chiều rộng cửa sổ mạch từ:

c = 1 + 2 + 23 + bcd + 4 = 19 mm

Diện tích nắp mạch từ:

Sn = 0,8 S1 = 0,8 352 = 281,6 mm2

=> hn = Error!= Error!= 12,8 mm

Diện tích đáy mạch từ:

Sđ = 0,7 S1 = 0,7.352 = 246,4 mm2

=> hđ = Error!= Error!= 11,2 mm 6.2.4 Tính toán thử nghiệm

Tính các thông số của mạch từ

Tính các từ dẫn, hệ số từ rò, hệ số từ cảm

Bỏ qua từ trở sắt từ (Fe  ), ta có mạch từ đẳng trị

Hình vẽ a/ Từ dẫn khe hở không khí

Dùng ph-ơng pháp phân chia từ tr-ờng để tình từ dẫn qua khe hở không khí Ta chia ra làm 17 hình:

 Một hình chữ nhật với các cạnh a, b và chiều cao :

G0 = Error!= Error!

= Error!

 Hai hình nửa khối trụ đặc, đ-ờng kính , chiều dài a, từ dẫn của mỗi hình là:

G1 = 0,26 0 a= 0,26 0 16 10-3

= 4,16.10-3.0

 Hai hình nửa khối trụ đặc, đ-ờng kính , chiều dài b, từ dẫn của mỗi hình là:

G2 = 0,26 0 .b = 0,26 0 20.10-3

= 5,2.10-3 0

 Hai hình nửa trụ rỗng với đ-ờng kính trong , đ-ờng kính ngoài (+2m), chiều dài a, từ dẫn mỗi hình là:

G3 = Error! chọn với m = 0,1.

= Error! = 0,926.10-30

 Hai hình nửa trụ rỗng với đ-ờng kính trong , đ-ờng kính ngoài (+2m), chiều dài b, từ dẫn mỗi hình là:

G4 = Error!

= Error! = 1,16.10-30

 Bốn hình 1/4 cầu đặc với đ-ờng kính , từ dẫn của mỗi hình là:

G5 = 0,077.0.

 Bốn hình 1/4 cầu rỗng với đ-ờn kính trong , đ-ờng kính ngoài (+2m), từ dẫn mỗi hình là:

G6 = Error!= Error!

= 0,025.0.

Vì tất cả các từ dẫn này song song với nhau nên từ dẫn tổng G2 ở khe

hở không khí sẽ là tổng của 17 từ dẫn trên:

G2 = G0 + 2.(G1 + G2 + G3 + G4) + 4.(G5 + G6)

= 0 Error! + 22,89.10-3 + 0,408  T-ơng tự với từ dẫn G1 và G3 ta cũng tính nh- G2 chia ra làm 17 hình:

 Một hình chữ nhật với các cạnh d, b và chiều cao :

G0 = Error!=Error!

= Error!

 Hai hình nửa khối trụ đặc, đ-ờng kính , chiều dàu a/2, từ dẫn của mỗi hình là:

G1 = 0,26 0 d= 0,26.0.12.10-3

= 3,12.10-3.0

 Hai hình nửa khối trụ đặc, đ-ờng kính , chiều dài b, từ dẫn của mỗi hình là:

G2 = 0,26.0.b= 0,26.0.20.10-3

= 5,2.10-3.0

 Hai hình nửa trụ rỗng với đ-ờng kính trong , đ-ờng kính ngoài (+2m), chiều dài a/2, từ dẫn mỗi hình là:

G3 = Error! chọn với m = 0,1.

= Error! = 0,695.10-30

 Hai hình nửa trụ rỗng với đ-ờng kính trong , đ-ờng kính ngoài (+2m), chiều dài b, từ dẫn mỗi hình là:

G4= Error!

= Error! = 1,16.10-30

 Bốn hình 1/4 cầu đặc với đ-ờng kính , từ dẫn của mỗi hình là:

G5 = 0,077.0.

 Bốn hình 1/4 cầu rỗng với đ-ờn kính trong , đ-ờng kính ngoài (+2m), từ dẫn mỗi hình là:

G6 = Error!= Error!

= 0,025.0.

=> G1 = G3 = G0 + 2.(G1 + G2 + G3 + G4) + 4.(G5 + G6)

= 0 Error!+ 20,34.10-3 + 0,408.

=> G13 = G1 + G3 = 0 Error!+ 40,68.10-3 + 0,816.

Vậy từ dẫn tổng qua khe hở không khí:

G = Error!

= 0 Error!

Error!= 0Error!

b/ Từ dẫn tản

Từ dẫn tản ở cực từ giữa với khe hở không khí:

G2 = 2 (G1 + G2 + G3 + G4) + 4.(G5 + G6)

= 0 (22,73.10-3 + 0,408.) c/ Từ dẫn rò

Đối với mạch từ xoay chiều, từ dẫn rò đ-ợc tính theo công thức:

Gr = Error!.gr hl trong đó: gr: suất từ dẫn rò

hl: chiều cao lõi mạch từ Tính suất từ dẫn rò gr?

Xét hl = 1

Hình vẽ

gr bao gồm: - 1 hình trụ chữ nhật bx1xc

- 2 hình 1/2 trụ tròn đặc đ-ờng kính c, chiều cao l

- 2 hình 1/2 trụ tròn rỗng đ-ờng kính trong c, đ-ờng kính ngoài (c +a), chiều cao l

gr = 0 Error! + 2 0.0,026 l + 2 0 Error!

= 1,25 10-6 Error!+ 2.1,25.10-6.0,26 + 2.1,25.10-6 Error! =

2,585.10-6

Gr1 = Gr2 = Error!grhl = Error!.2,585.10-6.26.10-3= 22,4.10-9

Gr = Gr1 + Gr2 = 44,8.10,8290-9

d/ Hệ số từ tản, từ rò

Hệ số từ tản: t = Error!= Error!= 1 + Error!= 1 + Error!

Hệ số từ rò: r = Error!= Error!= 1 + Error!= 1 + Error!

Kết quả tính toán

G2 (.10-6) 0,829 0,429 0,230 0,163 0,130 0,111 0,098

G(.10-6) 0,499 0,258 0,138 0,099 0,079 0,065 0,06

Gr(.10-9) 44,8 44,8 44,8 44,8 44,8 44,8 44,8

Gt (.10-8) 2,867 2,89 2,94 2,994 3,05 3,10 3,15

t 1,057 1,112 1,213 1,302 1,386 1,477 1,525

r 1,09 1,17 1,32 1,45 1,567 1,689 1,747 -dG/d (.10-5) 96,1 24 5,97 2,64 1,47 0,93 0,63

Nh- vậy tại điểm tới hạn  = 3 mm, hệ số rò r = 1,45 xấp xỉ với hệ số

rò ban đầu chọn (=1,4), do đó đạt yêu cầu

Từ thông mạch từ (tính ở lõi giữa):

 = Ku U; 4

44.f.W = Error!= 2,24.10-4 (Wb)

Từ cảm mạch tại  = 3 mm là:

 = r B.S12 => B = Error!= Error!= 0,48T

Giá trị từ cảm thực tế tính đ-ợc gần xấp xỉ giá trị ban đầu chọn (=0,5T) do đó thỏa mãn yêu cầu