Đồ án Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha

ộ tăng nhiệt độ: - Mật độ dòng điện ở chế độ dài hạn: b. Kiểm nghiệm thanh dẫn ở chế độ ngắn mạch. Độ bền nhiệt của KCĐ là tính chất chịu được sự tác dụng nhiệt của dòng điện ngắn mạch trong thời gian ngắn mạch nó được đặc trưng bằng dòng bền nhiệt là dòng điện mà ở đó thanh dẫn chưa bị biến dạng. Để thuận tịên cho việc đánh giá ta xét giới hạn cho phép của dòng điện và mật độ dòng điện bền nhiệt của thanh dẫn ở các thời gian ngắn mạch. tnm = 1sec; tnm = 3sec; tnm = 10sec; Với điều kiện ôđ = 95oC Nhiệt độ cho phép đối với đồng khi có dòng ngắn mạch bn = 300oC Mật độ dòng điện khi ngắn mạch và khi ở dòng bền nhiệt được xác định theo công thức : Với : tbn= tnm – Thời gian ngắn mạch(sec) Ad; Abn= Anm – Giá trị giới hạn dưới và giới hạn trên là nhiệt độ vật dẫn ban đầu và sau khi ngắn mạch là d và bn(A2S/mm4) Theo (Hình 6_6 trang 313 TKKCĐHA) ta có : =3,875.104(A2S/mm4) =1,625.104(A2S/mm4) - Mật độ dòng điện khi ở tnm = 1 sec: Có J1cp = 162(A/mm2)(bảng 6-7 trang 305 TKKCĐHA) - Mật độ dòng điện khi ở tnm = 3 sec: Có J3cp = 94(A/mm2)(bảng 6-7 trang 305 TKKCĐHA) - Mật độ dòng điện khi ở tnm = 10 sec: Có J10cp = 51(A/mm2)(bảng 6-7 trang 305 TKKCĐHA) 2.3.6. Đánh giá và kết luận. ở chế độ dài hạn độ tăng nhiệt độ cho phép ôđcp=55oC và nhiệt độ ổn định cho phép ôđcp= 95oC (Bảng 6_1 TKKCĐHA). ở chế độ ngắn hạn, mật độ dòng điện cho phép ở thời gian ngắn hạn tnh = 5sec là 13,27(A/mm2). ở chế độ ngắn mạch, mật độ dòng bền nhiệt cho phép đối với thanh dẫn bằng đồng ở thời gian ngắn mạch 1sec, 3sec, 10sec là 162(A/mm2) 94 (A/mm2) 51 (A/mm2). Kết luận: Với thanh dẫn có kích thước a = 19 mm , b = 2 mm ( Khi làm việc với dòng điện Iđm = 100A) có độ tăng nhiệt độ, nhiệt độ làm việc và mật độ dòng điện dài hạn tính toán. Hoàn toàn có khả năng làm việc được và làm việc tốt ở các chế độ dài hạn và chế độ ngắn hạn. Riêng ở chế độ ngắn mạch thanh dẫn có kích thước nói trên chỉ cho phép làm việc tối đa ở thời gian ngắn mạch là 10 sec (Bởi khi làm việc với thời gian ngắn mạch tnm 10 sec mật độ dòng điện bền nhiệt lớn hơn mật độ dòng bền nhiệt cho phép, không đảm bảo khả năng an toàn). 2.4. đầu nối. 2.4.1. Khái niệm và nhiệm vụ. Đầu nối tiếp xúc là phần tử rất quan trọng của khí cụ điện, nếu không chú ý dễ bị hư hỏng nặng trong vận hành. Đầu nối gồm, các đầu cực để nối nối với dây dẫn bên ngoài và nối với các bộ phận bên trong mạch vòng dẫn điện. Đầu nối làm nhiệm vụ liên kết mạch ngoài với mạch vòng dẫn điện, đồng thời làm nhiệm vụ liên kết các chi tiết của mạch vòng dẫn điện. 2.4.2. Yêu cầu. - Nhiệt độ các mối nối ở chế độ làm việc dài hạn với dòng điện định mức không được tăng quá dòng điện cho phép, do đó mối nối phải có kích thước và lực ép tiếp xúc Ftx đủ để điện trở tiếp xúc Rtx không lớn, tổn hao công suất bé. - Mối nối tiếp xúc cần có đủ độ bền cơ và độ bền nhiệt khi có dòng ngắn mạch chạy qua. - Lực ép điện trở tiếp xúc, năng lượng tổn hao và nhiệt độ phải ổn định khi khí cụ điện vận hành liên tục. 2.4.3. Chọn dạng kết cấu. Qua phân tích các ưu nhược điểm các dạnh kết cấu mối nối. Chọn dạng kết cấu mối nối tháo rời được bằng vít (với Iđm = 100 A ), không dẫn điện, được chế tạo bằng thép CT3 có mạ thiếc. Dạng kết cấu này phù hợp với hình dáng vật liệu thanh dẫn và các yêu cầu kết cấu khác. 2.4.4. Đường kính vít. Số lượng vít. Theo số liệu thực nghiệm (Bảng 2_9 và Bảng 2_10 trang 32-33 TKKCĐHA) - Đối với dòng Iđm = 100 A. Chọn vít có đường kính ren d = 5 mm có các thông số: - Ký hiệu M8 - Tiết diện tính toán (mm2) - Lực ép cần có lên chỗ tiếp xúc để đạt điện trở tiếp xúc và điện áp tiếp xúc cho phép là: Ftx = ftx.Stx Với : ftx (KG/cm2) - Lực ép riêng mối nối. Chọn ftx = 100 KG/cm2 Stx (cm2) - Diện tích mặt tiếp xúc . Chọn J = 0,31A/mm2 Vậy: Ftx = ftx.Stx = 100.322 =3,22(KN) Với: Ktx = 0,14.10-3(m) hệ số phụ thuộc vào điện trở suất và ứng suất của vật liệu, đồng thời phụ thuộc vào trạng thái mặt tiếp xúc. Đối với tiếp xúc mặt: m = 1(trang 55 TKKCĐHA) -Điện áp tiếp xúc: - Số lượng vít :1 2.5. Tiếp điểm. 2.5.1. Khái niệm và các yêu cầu chung về tiếp điểm. Tiếp điểm dùng để dẫn dòng, đồng thời thực hiện chức năng đóng ngắt của các khí cụ điện đóng ngắt. Yêu cầu . - Khi khí cụ điện làm việc ở chế độ định mức nhiệt độ bề mặt nơi tiếp xúc phải bé hơn nhiệt độ cho phép. Nhiệt độ của vùng tiếp xúc phải bé hơn nhiệt biến đổi tinh thể của vật liệu tiếp điểm. - Với dòng điện lớn cho phép ( dòng khởi động, dòng ngắn mạch ), tiếp điểm phải chịu được độ bền nhiệt và độ bền điện động. - Khi làm việc với dòng điện định mức và khi đóng ngắt dòng điện trong giới hạn cho phép, tiếp điểm phải có độ mòn điện và cơ là nhỏ nhất của tiếp điểm, độ rung của tiếp điểm không được lớn hơn trị số cho phép. 2.5.2. Chọn dạng kết cấu hệ thống tiếp điểm chính (Iđm = 100A). Chọn tiếp điểm kiểu cầu, có hai chỗ ngắt. Loại này có ưu điểm khả năng ngắt lớn, không cần dây dẫn mềm, làm sạch nơi tiếp xúc khi đóng ngắt, chiếm ít không gian, việc dậm hồ quang được đảm bảo . 1_ Lò xo tiếp điểm 4_ Tiếp điểm tĩnh 2_ Cữ chặn 5_ Giá tiếp điểm động 3_ Tiếp điểm động 6_ Giá tiếp điểm tĩnh l, h, D_ độ lún , chiều cao, đường kính của tiếp điểm m_ Độ mở tiếp điểm 2.5.3. Chọn vật liệu và kích thước tiếp điểm. a. Chọn vật liệu. Vật liệu làm tiếp cần đảm bảo các yêu cầu sau: điện trở suất và điện trở tiếp xúc bé, ít bị ăn mòn, ít bị ôxy hoá, khó hàn dính, độ cứng cao, đặc tính công nghệ cao, giá thành hạ và phù hợp với dòng điện I = 100A Từ bảng 2-13 ( TKKCĐHA ) ta chọn vật liêu là bạc niken than chì, với các thông số kỹ thuật sau: Ký hiệu KMK.A32 Tỷ trọng () 8,7 g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy (nc) 1300 0C Điện trở suất ở 200C (20) 3,5.10-8 mm Độ dẫn nhiệt () 3,25 W/cm 0C Độ cứng Briven (HB) 45 65 kG/cm2 Hệ số dẫn nhiệt điện trở () 0,0035/ 0C Nhiệt độ cho phép cấp A ([cp]) 950 C b. Kích thước tiếp điểm Để phù hợp với chiều rộng, bề dày thanh dẫn và giá trị dòng điện định mức, kết cấu tiếp điểm kiểu cầu, hai cỗ ngắt, và tần số đóng ngắt dòng điện là 350 lần/giờ Kích thước tiếp điểm hình trụ và tấm ốp tiếp điểm được lấy theo (Bảng 2-15 trang 51 KKCĐHA) Tiếp điểm chính :Chiều cao h = 2mm; chiêu rộng a = 17mm; chiều dài b = 19mm. Diện tích S =; P = 2.(17+19) =72mm. 2.5.4. Chọn độ mở tiếp điểm. Độ mở m của tiếp điểm là khoảng cách giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh ở vị trí ngắt của công tắc tơ. - Hệ thống tiếp điểm chính theo công thức kinh nghiệm với công tắc tơ xoay chiều, dòng điện Iđm = 100A Chọn độ mở m = 6mm 2.5.5. Chọn độ lún. Độ lún l của tiếp điểm là quãng đường đi thêm được của tiếp điểm động nếu không có tiếp điểm chính chặn lại (hình 7) Độ lún được chọn theo dòng điện định mức đi qua tiếp điểm, có công thức sau: l = A + B.Iđm - Với hệ thống tiếp điểm chính: l = A + B.Iđm = 1,5 + 0,02.100 =3.5mm 2.5.6. Lực ép, nhiệt độ, điện trở tiếp xúc và điện áp rơi trên tiếp điểm ở chế độ làm việc dài hạn. a. Lực ép tiếp điểm Lực ép tiếp điểm phải đảm bảo sao cho tiếp điểm làm việc bình thường ở chế độ dài hạn, mà trong chế độ ngắn hạn, dòng điện lớn như mở máy, quá tải, ngắn mạch... lực ép tiếp điểm phải đảm bảo cho tiếp điểm không bị đẩy ra do lực điện động và không bị hàn dính do hồ quang khi tiếp điểm bị đẩy và rung . - Lực ép lên hệ thống tiếp điểm chính: - Lực ép tiếp điểm lên một chỗ ngắt (tiếp điểm cầu) được xác định theo công thức kinh nghiệm: Ftđ = ftđ .Iđm Tra bảng 2-17 ta chọn ftđ = 10 G/A Ftđ =10.100 =1000G =10N - Tính theo công thức lý thuyết 2-14 (TL1) , tại một điểm tiếp xúc , lực ép tiếp điểm sẽ là : Ftđ1 = Trong đó : A=2,3.10 -8 (V/ OC) : hằng số Loen. HB : độ cứng Britnel của tiếp điểm HB = 45 kG/mm2 = 3,9 W/cm.OC - hệ số dẫn nhiệt của thanh dẫn Ttd : nhiệt độ thanh dẫn chỗ xa nơi tiếp xúc, lấy bằng nhiệt độ phát nóng dài hạn Ttd = 55 + 273 = 328 OK Ttx = td +8 + 273 = 336 OK Ftđ1 = (KG) Do tiếp điểm tiếp xúc mặt nên m = 3 Ftđ = Ftđ1.m = 3.0,337 = 1,011(KG) Vậy ta chọn Ftđc = 10,11(N) b. Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm. - Đối với tiếp điểm chính: - Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm khi chưa bị phát nóng(20oC) : Trong đó: Ktx- Hệ số phụ thuộc vào điện trở suất và ứng suất của vật liệu, đồng thời phụ thuộc vào trạng thái mặt tiếp xúc. Đối với tiếp xúc điểm (Đồng- Đồng), từ bảng trang 58 TKKCĐHA chọn Ktx =0,2.10-3(.N) m – Hệ số dạng bề mặt tiếp xúc. Đối với tiếp xúc điểm m = 0,5. Vậy ta có : - Điện trở tiếp xúc khi chưa phát nóng (20oC) - Điện trở tiếp xúc khi làm việc ở chế độ phát nóng cho phép: = 1,94.10-4(1+.0,0035.75) = 2,28.10-4() c. Điện áp rơi trên tiếp điểm: - Hệ thống tiếp điểm chính: Utx = IđmRtx95C= 100. 2,28.10-4= 22,8(mV) d. Nhiệt độ của tiếp điểm: Sự tăng nhiệt độ của tiếp điểm chủ yếu là khi có dòng điện lớn đi qua. Nên ở đây ta chỉ tính cho hệ thống tiếp điểm chính làm việc ở Iđm = 40 A Nhiệt độ tiếp điểm được xác định theo công thức sau: + Với: - mt- Nhiệt độ của môi trường xung quanh = 40oC -- Hệ dẫn nhiệt của vật liệu tiếp điểm = 3,25 (W/cmoC) - P- Chu vi tiếp điểm P = 2.3,14.7= 4,4 cm - S – Tiết diện bề mặt tiếp điểm S = 3,14.72=1,54 (cm2) Vậy nhiệt độ tiếp điểm: tđ = 40 + = 40 + 2,714 + 9,912 = 52,852,626oC Vậy nhiệt độ tiếp xúc: 2.5.7. Dòng điện hàn dính: Theo công thức lý thuyết 2-33 và 2-34: Trong đó: A= Theo công thức kinh nghiệm trị số dòng điện hàn dính được xác định theo công thức sau: Với: Khd – Hệ số hàn dính của tiếp điểm trong không khí. Từ bảng 2-19_trang 67 TKKCĐHA với tiếp xúc điểm thời gian của xung dòng điện 0,05 5 sec. Chọn Khd = 1500 KG/A Ta có vậy điều kiện chống hàn dính thoả mãn 2.5.8. Sự rung của tiếp điểm. - Biên độ rung: -Thời gian rung: Với: - Tổng khối lượng phần động. vđo - Vận tốc tiếp điểm tại thời điểm va đập. Chọn vđo =0,1m/sec Kv - Hệ số va đập phụ thuộc vào tính dần hồi của vật liệu. Đối với đồng Kv = 0,9 (Trang 72) - lực ép tiếp điểm tại thời điểm va đập ban đầu chọn Vậy: Sự rung ( khoảng cách rung và thời gian rung ) nằm trong giới hạn cho phép. 2.5.9. Sự mòn của tiếp điểm - Sự mòn của tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng và ngắt mạch điện. Sự mòn tiếp điểm thể hiện qua việc giảm độ lún, giảm kích thước của tiếp điểm cũng như giảm khối lượng hoặc thể tích của kim loại tiếp điểm. - Nguyên nhân gây ra sự ăn mòn của tiếp điểm là ăn mòn hóa học, ăn mòn về điện, về cơ, Nhưng chủ yếu tiếp điểm bị ăn mòn về điện. - Khối lượng mòn trung bình của tiếp điểm cho một lần đóng ngắt: gđ + gng =10-9(Kđ.Iđ + Kng.Ing2)Kkđ Với: Iđ - Dòng điện khi đóng tiếp điểm. Chọn Iđ = 6.Iđm(A) Ing - Dòng điện khi ngắt tiếp điểm. Chọn Ing = 8.Iđm(A) Kđ, Kng(g/A) Hệ số mòn khi đóng và ngắt. Chọn Kđ = Kng= 0,01 (Từ bảng 2-21 trang 40 TKKCĐHA) Kkđ - Hệ số không đồng đều dánh giá độ mòn không đều của các tiếp điểm. Theo quy định ở các khí cụ điện xoay chiều 3 pha. Độ mòn lớn nhất được lấy bằng 2 lần độ mòn trung bình. Vậy: gđ + gng = 10-9(0.01.6002 + 0,01.8002).2 = 2. (g) - Khối lượng mòn về cơ sau 105 lần đóng ngắt: gđ + gng =1184.10-9.105 = 1184.10-4(g) - Khối lượng mòn về điện sau 105 lần đóng ngắt: gđ + gng =2.10-5.105 = 2(g) - Khối lượng tiếp điểm: Gtđ = tđ.Vtđ Với: tđ- Trọng lượng riêng của vật liệu làm tiếp điểm(bạc) = 8,7.10-3(g/mm3) Vtđ - Thể tích của tiếp điểm a – chiều dài tiếp điểm b – chiều rộng tiếp điểm h – Chiều cao của tiếp điểm Gtđ = xét tỷ sồ lượng tiếp điểm bị mòn thoả mãn 2.5.10. Kết kuận và đánh giá: Với kích thước và kết cấu của tiếp điểm cầu hai chỗ ngắt có: Hệ thống tiếp điểm chính Vật liệu làm tiếp điểm Bạc Niken Than chì Chiều dài b(mm) 19 Chiều rộng a(mm) 17 Chiều cao h(mm) 2 Lực ép tiếp điểm đầu Ftdd(N) 36,96 Lực ép tiếp điểm cuối Ftdc(N) 60,66 So sánh với các trị số cho phép: - Điện áp tiếp xúc cho phép Utxcp= 230mV - Nhiệt độ hóa mềm cho phép đối với đồng cphm= 190oC(bảng 2-18) - Nhiệt độ hóa mềm cho phép đối với bạc cphm= 180oC(bảng 2-18) - Nhiệt độ làm việc của tiếp điểm cho phép tđcp= 950C(bảng 6-1) - Tổng thời gian rung cho phép đối với công tắc tơ t = 0,3 ms Với kích thước và kết cấu lựa chọn trên tiếp điểm hoàn toàn có khả năng làm việc tốt. Phần 3 Tính toán lò xo 3.1. Khái niệm chung. Lò xo là một bộ phận quan trọng của công tắc tơ có nhiệm vụ tạo lực ép lên tiếp điểm (Đối với lò xo tiếp điểm ), tạo lực ngắt cơ cấu trong quá trình ngắt của cơ cấu ( Lò xo nhả ) Yêu cầu đối với lò xo tiếp điểm và lò xo nhả: - Có độ đàn hồi phù hợp - Có đặc tính cơ ổn định theo thời gian - Có khả năng bền về cơ - Không bị ăn mòn bởi hóa chất và môi trường 3.2. Chọn kiểu và vật liệu lò xo. 3.2.1. Kiểu lò xo. Qua phân tích và đánh giá các loại lò xo. Chọn kiểu lò xo là lò xo xoắn hình trụ chịu nén, loại lò xo không dẫn điện, Với loại lò xo này phù hợp với kết cấu đã chọn, có ưu điểm, ít bị ăn mòn, bền về cơ, làm việc tin cậy, không bị phát nóng và già hóa. Hình 8 3.2.2. Chọn vật liệu làm lò xo. Dựa vào công dụng công tắc tơ được thiết kế, dùng để đóng ngắt mạch điện có tần số đóng ngắt 300lần/ giờ. Có tuổi thọ về cơ và điện 105 lần đóng ngắt và 106lần đóng ngắt. Có lực ép tương đối lớn. Tra bảng 4-1 (TKKCĐHA), chọn vật liệu làm lò xo là dây thép cácbon OTC9389-60 độ bền trung bình , nhãn hiệu II () : Độ bền giới hạn khi kéo 2650 N/mm2 Giới hạn mỏi cho phép khi uốn 930 N/mm2 Giới hạn mỏi cho phép khi xoắn 580 N/mm2 Module đàn hồi 200.103 N/mm2 Mudule trợt 80.103 N/mm2 Điện trở suất 0,19 0,22 .10-6 m Các thông số của lò xo : Hình 9 d L D t Hình 10: Đặc tính lò xo flv fđ Flv llv Fđ lđ ltđ - x -Hành trình của cơ cấu lò xo, tính từ vị trí tại đó lò xo sinh lực lớn nhất. - fđ - Độ võng ban đầu của lò xo - flv - Độ võng làm việc của lò xo - Fđ , lđ - Lực nén ban đầu và chiều dài ban đầu của lò xo - ltđ - Chiều dài tự do của lò xo 3.3. Tính toán lò xo. 3.3.1. Lò xo tiếp điểm chính. - Lực ép cần thiết do 1 lò xo tạo ra F = 6.Ftđtt = 2.10,11 = 60,66 (N) - Khoảng lún ban đầu: fđ =A+B.Iđm =1,5+0,02.100 = 3,5 (mm) - Khoảng lún cần thiết là: flv = 2.fđ= 2.3,5 = 7 (mm) - Chỉ số của lò xo chọn : C = =10 - Đường kính của lò xo: zd = 1,6 - Đường kính trung bình của lò xo: D = C.d = 10.1,64 = 16,4(mm) - Số vòng của lò xo: (vòng) - Bước lò xo chịu nén: - Chiều dài tự do của lò xo: ln = w.tn + 1,5.d = 5,678.2,873 +1,5.1,64 = 18,773(mm) - Độ cứng cửa lò xo: J= - Khoảng lún thực tế ứng với lực đã cho: - ứng suất xoắn thực tế: cp = 580N/mm2 Vậy lò xo tiếp điểm chính chọn phù hợp 3.3.2. Lò xo nhả. - Lực nhả đầu của một lò xo : Fnh đ = Kdt(Gđ + Ftđ đ ) Fnh đ = 1,2.(10 + 1) = 13,2 (N) Trong đó: Hệ số dự trữ Kdt = 1,1 1,3 . Chọn Kdt = 1,2 Trọng lượng phần động : Gđ = mc.Iđm = 3(N) - Lực nhả cuối : Fnh c = 2.Fnh đ = 1,5.13,2 = 26,4 (N) flv =1,5.fđ = 1,5.9 = 13,5(mm) (fđ - khoảng lún ban đầu = = 9( mm) C = =10 d = 1,6 D = C.d = 10.1,079 = 10,79(mm) (vòng) 13 (vòng) ln = w.tn + 1,5.d = 12,87.1,895 +1,5.1,079 26(mm) cp = 580 N/mm2 Vậy lò xo nhả chọn hoàn toàn phù hợp phần 4 Đặc tính cơ 4.1. Tính toán đặc tính cơ. 4.1.1. Lập sơ đồ động Xét trường hợp Công tắc tơ đặt ngược : 0 m Fđ Fđ Gđ + Fnhđ * = m + l Gđ + Fnhc Fđt Fđ Fđ * = 0 Hình 11 Lực cơ tác dụng bao gồm :(Fcơ) Lực ép tiếp điểm chính thường mở Lực ép tiếp điểm phụ thường mở Lực ép tiếp điểm phụ thường đóng Lực lò xo nhả Trọng lượng phần động Lực ma sát ( bỏ qua ) 4.1.2 Tính toán các lực : a. Lực ép tiếp điểm chính thường mở : Lực ép tiếp điểm cuối : Ftđ c = 6.Ftđ ( 3 tiếp điểm cầu) = 6.10,11 = 60,66 (N) Lực ép tiếp điểm đầu : Ftđ đ = 0,6.Ftđ c = 0,6.60,66 = 36,396 (N) b. Lực ép tiếp điểm phụ thường mở : Lực ép tiếp điểm cuối : Ftđ c = 4.Ftđ phụ.m = 4.5.5 = 100 (G) = 1(N) - Lực ép tiếp điểm đầu : Ftđ đ = 0,6. Ftđ c = 0,6.1 = 0,6 (N) c. Lực ép tiếp điểm phụ thường đóng : - Lực ép tiếp điểm đầu : Ftđ đ = Ftđ c = 1 (N) - Lực ép tiếp điểm cuối : Ftđ c = Ftđ đ = 0,6 (N) d. Lực lò xo nhả : - Lực nhả đầu : Fnh đ = 2.Kdt(Gđ + Ftđ đ ) Fnh đ = 1,2.(1 + 0,1) = 1,32 (N) =13,2 (N) - Lực nhả cuối : Fnhc = 2.Fnhđ = 2.13,2 = 2,64 (KG) = 26,4 (N) Trong đó: Hệ số dự trữ Kdt = 1,1 1,3 . Chọn Kdt = 1,2 Trọng lượng phần động : Gđ = mc.Iđm = 10.100 =1000 (G)=10 (N) 4.2. Đồ thị đặc tính cơ: phần 5 Tính toán nam châm điện 5.1.Khái niệm về nam châm điện. - Nam châm điện là một bộ phận rất quan trọng của khí cụ điện, đặc biệt là trong công tắc tơ kiểu điện từ, được dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng trong khí cụ điện. - Nam châm điện được dung rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, như tự động hóa, rơle, công tắc tơ... - Trong công nghiệp nó được dùng ở cần trục để nâng hạ các tấm thép, trong truyền động điện, nó được dùng ở các bộ ly hợp, các van điện từ ... - Trong sinh hoạt hàng ngày, cơ cấu điện từ được ứng dụng rộng rãi như chuông điện, loa điện... - Cơ cấu điện từ gồm hai bộ phận chính: Cuộn dây(phần điện), Mạch từ (phần từ). 5.2. Các số liệu ban đầu. Thiết kế nam châm điện xoay chiều có các thông số và yêu cầu sau: - Nam châm điện có khả năng làm việc trong điều kiện môi trường ẩm, nhiệt độ của môi trường = 40oC. - Có lực và hành trình của cơ cấu = 10,5 mm khi đóng. - Có số lần đóng ngắt về cơ 105 lần, số lần đóng ngắt về điện là 106 lần . Tần số đóng ngắt 300 lần/giờ. - Nam châm điện làm việc ở chế độ dài hạn, với điện áp đính mức Uđm = 380V tần số làm việc f = 50Hz - Yêu cầu của nam châm điện phải có kích thước và mạch từ nhỏ gọn. 5.3. Chọn dạng kết cấu. Ta chọn vậy Trên cơ sở phân loại tính toán và thực nghiệm về các loại nam châm điện : Chọn nam châm hình chữ E, có nắp hình chữ E, phần ứng ngập một phần trong lòng cuộn dây. Loại nam châm điện kiểu này (được mô tả ở hình 1, trang 7), có đặc điểm là : không bị phát nóng khi làm việc, cho lực tương đối lớn, có từ thông rò sinh thêm lực từ phụ, nó không đi qua khe hở không khí làm việc mà đi qua phần ứng của nam châm điện. 5.4. Chọn vật liệu làm mạch từ . - Qua khảo sát các loại vật liệu làm mạch từ. Chọn vật liệu làm mạch từ có các thông số : Vật liệu: Thép kĩ thuật điện hợp kim tăng cường Mã hiệu : 31 Lực từ phản kháng HC : 0,35A/cm Từ cản dư: 1 Tesla Từ cảm bão hòa: 2 Tesla Độ từ thẩm: 250 Độ từ thẩm cực đại: 6,5 Điện trở suất: 50.10-8 .cm Khối lượng riêng: 7,65 g/cm Thành phần cácbon: 0,025 Tổn hao từ trễ khi bão hòa: 0,15 Từ cảm lõi thép: 0,6 Tesla Chiều dầy lõi thép: 0,5 mm - Chọn từ cảm , hệ số từ rò , hệ số từ cảm - Chọn điểm tính toán là K (điểm nguy hiểm), tại = 3,5 mm, Ftt = 68,396 N - Chọn B = 0,6T - Chọn hệ số từ rò r = 1,4 ; hệ số từ tản t = 1,4. 5.5. Kích thước và các thông số cơ bản mạch từ. 5.5.1 Tính tiết diện lõi mạch từ - Theo công thức 5-8 (TKKCĐAH) , tổng diện tích lõi thép mạch từ để đạt được lực điện từ ở điểm tới hạn : Sl = Trong đó: F1đtt lực hút điện từ ở điểm tới hạn tính toán có tính đến dung sai về lực(điểm K- Đặc tuyến phản lực cơ : F1đtt = k.FK= 1,3.68,4 (N) (Đối với CTT chọn hệ số dung sai k = 1,3)). Sl = m2 = 1787,34 mm2 - Diện tích lõi cực từ giữa : Sl1 = - Diện tích lõi 2 cực từ nhánh : Sl2 = Sl3 = a/2 b a Hình 13 - Đối với cực từ giữa chọn Với a = b = a = 30(mm) - Cạnh thực của lõi thép : b' = với KC = 0,94 là hệ số ép chặt các lá thép . b'= - Số lá thép kỹ thuật điện : n = (tấm) trong đó = 0,5 mm là chiều dày một lá thép . - Bề rộng vòng ngắn mạch là : v = 2 mm - Hai cực từ mạch nhánh chọn kích thước : a/2 +2. v = 19 mm b = 32 mm 5.5.2. Tính toán cuộn dây a. Sức từ động của cuộn dây (IW)tđ = (IW)nh + (IW)h (A.vòng) (CT 5-18 Tài liệu TKKCĐHA) Trong đó : - (IW)nh :sức từ động 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 = (CT 5-19 TKKCĐHA) nh - tổng khe hở không khí làm việc nh = 2.nh = 2.3,5.10 -3 = 7.10 -3 (m) O = (H/m) (IW)nh = (A.vòng) - (IW)h = (CT 5-20 TKKCĐHA) nh : hệ số từ rò khi phần ứng hở , nh = 1,4 h : khe hở không khí ở trạng thái hút cn= 0,03 0,1 mm cd = 0,1 0,5 mm ht : khe hở giả định h=0,20,7 mm chọn h = 2cn + cd + ht = 0,5.10-3 (m) (IW)h= (A.vòng) (IW)tđ = 2979 + 267 = 3246 (A.vòng) - Kiểm tra lại, ta có hệ số bội số dòng điện : KI = thoả mãn yêu cầu KI = 4 15 b. Kích thước cuộn dây 2 1 lcd hcd Hình 14 - Tiết diện cuộn dây được 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 được tính ở trạng thái hở của phần ứng cần phải đưa về trạng thái hút của phần ứng . - Theo công thức 5-24 (TKKCĐHA) , diện tích cuộn dây : Scd = Trong đó : - KUmax : Hệ số tính đến điện áp nguồn tăng mà NCĐ vẫn làm việc . Chọn Kumax = 1,1 - KUmin : Hệ số tính đến điện áp nguồn giảm mà NCĐ vẫn làm việc . Chọn Kumin = 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 , thường j = 2 4 A/mm2 . Chọn j = 2,5 A/mm2 - Klđ : Hệ số lấp đầy cuộn dây , Kld = 0,3 0,6 . Chọn Klđ = 0,5 . Scd = - Từ diện tích cuộn dây, chọn hệ số hình dáng Khd = hcd = ; chọn hcd =11 (mm) lcd = 2,5.hcd = 2,5.10,53 = 26,325 (mm) ; chọn lcd = 27 (mm) - Số vòng dây W = (TKKCĐHA) 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 - KUmin : hệ số tính đến sụt áp , KUmin = 0,85 - f = 50 Hz - tb = nh.B.S2 = 1,5.0,5.667,3.10 -6 5.10 -4 (Wb) W = 2910 (vòng) - Tiêt diện dây quấn : q = - Đường kinh dây : d = . Chọn d = 0,3 mm 5.5.3. Kích thước mạch từ và cuộn dây nam châm điện :Hình 15 a/2 a b c hđ hn 6 5 3 2 1 hcd lcd hl a; Xác định kích thước lõi mạch từ: Lõi giữa: a = 30 mm ; b =32 mm Lõi bên: a’ = 20,5 mm; b = 32 mm b; Xác định kích thước mạch từ: Chọn : 1 = 0,5 mm; 2 = 1,5 mm (bề dày khung dây) 3 = 0,5 mm (bề dày cách điện cuộn dây) 4 = 0,5 mm; 5 = 5,0 mm; 6 = 6,0 mm - Chiều cao lõi mạch từ : hl = 20 mm - Chiều rộng cuộn dây : hcd = 26,325 mm, chiều cao : lcd = 11 mm - Chiều cao cửa sổ mạch từ: hcs = hcd + 6 + 2.2 = 26,325 + 6 + 2.1,5 = 36 mm - Chiều rộng cửa sổ mạch từ : Ccs = 1 + 2 + 3 + lcd + 4 + 5 = 0,5 + 1,5 + 0,5 + 10,53 + 0,5 + 5 = 19 mm c; Xác định chiều rộng trong và chiều rộng ngoài cuộn dây: - Chiều rộng trong cuộn dây: Dt = a+ 2.1 + 2.2 + 2.3 = 30 + 2.0,5 + 2.1,5 + 2.0,5 = 35 mm - Chiều rộng ngoà cuôn dây: Dn = Dt + 2. lcd + 2. 4 = 35 + 2.11 + 2.0,5 = 58 mm d; Xác định kích thước nắp mạch từ: - Theo lý thuyết trang 213 có: - Do có cùng hệ số ép chặt nên bn = bl = 32 mm - Thường chọn tiết diện nắp mạch từ Sn = Sl. Tuy nhiên để giảm khối lượng nắp nên ta chọn Sn = (0,7 : 0,9).Sl chọn Sn = 0,8.893,67 = 715 mm2 - Bề dày nắp mạch từ sẽ là n = - Để giảm bớt sự phức tạp của từ thông tản đi qua khe hở ta chọn đối xứng với cực từ. - Thường bề dày từ thông tản m = (0,1 : 0,2). e; Xác định khích thước mạch từ: - mạch từ hình chữ E nắp hut thẳng chọn: Sđ = 0,5.Sl = 0,5.893,67 = 447 mm2 - Bề rộng của đáy: bđ = bl = 32 mm - Bề dày của đáy: đ = -Tổng chiều cao mạch từ: H = hcd + đ + n = 36 + 14 + 22,5 = 72,5 mm - Tổng chiều dài NCĐ: L = 2.Ccd + a + 2.a’ = 2.19 + 30 + 2.19 = 106 mm phần 6 Tính toán kiểm nghiệm 6.1.1. 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 Go3 Gt3 Go2 Gt2 Go1 Gt1 Gr2 Gr1 IW Gr2 Gr1 G3 G2 G1 IW Gr G IW Gr G2 G13 IW Hình 16 G13 = G1 + G3 = 2.G1 = 2.G3 6.1.2 Từ dẫn khe hở không khí Dùng phương pháp phân chia từ trường để tính 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 = - Hai hình nửa khối trụ đặc, đường kính , chiều dài a, từ dẫn của mỗi hình là : G1 = 0,26.0.a - Hai hình nửa khối trụ đặc, đường kính , chiều dài b, từ dẫn của mỗi hình là : G2 = 0,26.0.b - Hai hình nửa trụ rỗng với đường kính trong , đường kính ngoài ( + 2m), chiều dài a, từ dẫn mỗi hình là : G3 = chọn với m = 0,1. - Hai hình nửa trụ rỗng với đường kính trong , đường kính ngoài ( + 2m), chiều dài b, từ dẫn mỗi hình là : G4 = - Bốn hình 1/4 cầu đặc với đường kính , từ dẫn của mỗi hình là : G5 = 0,0770. - Bốn hình 1/4 cầu rỗng với đường kính trong . đường kính ngoài ( + 2m), từ dẫn mỗi hình là : G6 = = 0,025.0. Vì tất cả các từ dẫn này song song với nhau nên từ dẫn tổng G2 ở khe hở không khí sẽ là tổng của 17 từ dẫn trên : G2 = G0 + 2.( G1 + G2 + G3 + G4) +4.( G5 +G6) = 0. 6.1.3 Tính từ dẫn rò: - Đối với mạch từ xoay chiều, từ dẫn rò được tính theo công thức: - Trong đó: hr: chiều cao của lõi mạch từ, đã tính được hr = 40,5 mm gr: suất từ dẫn rò - Trong đó: lr: chiều cao cửa sổ mạch từ lr = hcs = 36 mm Gr: từ dẫn rò thật trên sơ đồ Grqd = - Một hình chữ nhật với các cạnh hl, b và chiều cao c : Gr0 = - Hai hình nửa khối trụ đặc, đường kính c, chiều cao hl, từ dẫn của mỗi hình là : Gr1 = 0,26.0.hl - hai hình nửa