Đồ án Tính toán thiết kế rơ le trung gian điện từ kiểu kín

. Tính nhiệt độ phát nóng của tiếp điểm. Dựa vào sự cân bằng nhiệt trong quá trình phát nóng của thanh dẫn dài vô hạn, có tiết diện không tương đối. Giả sử một đầu thanh tiếp xúc với thanh dẫn khác và nguồn nhiệt đặt tại nơi tiếp xúc. Theo công thức 2-11 tài liệu [2] ta có: Trong đó: - qmt là nhiệt độ môi trường xung quanh: qmt = 400C. - Iđm là dòng điện định mức, Iđm = 5A. - S là tiết diện thanh dẫn động. S = 0,025 cm2. - Ctd là chu vi của thanh dẫn. Ctd = 1,1 cm. - KT là hệ số toả nhiệt ra, KT = 6.10-4W/cm20C - Rtx là điện trở tiếp xúc của tiếp điểm Rtx = 0,44. 10-3W. - rq130 là điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm ở 1300C ta có: rq130 = r20.[1+a.(q-20)] = 0,0159.10-4[1+0,004.(130 –20)] = 0,02289 .10-4Wcm. l là độ dẫn nhiệt, l = 0,416W/mm20C. Ta có: = 40 +3,45 + 2,1 = 45,60C Vậy theo 2-12 tài liệu [2] ta có: qtđ+ Thay số vào ta được: Nh­ vậy qtx = 46,240C < [qtx] = 1800C là nhiệt độ dạng tinh thể của vật liệu làm tiếp điểm là bạc. 8. Xác định dòng điện hàn dính. Khi dòng điện qua tiếp điểm lớn hơn dòng điện định mức Iđm = 5A (xảy ra khi quá tải, ngắn mạch, khởi động) nhiệt độ sẽ tăng lên và tiếp điểm bị đẩy do lực điện động dẫn đến khả năng bị hàn dính. Độ ổn định của tiếp điểm chống đẩy và chống hàn dính, gọi là độ ổn định điện động (độ bền điện động). Độ ổn định nhiệt và độ ổn định điện động là các thông số quan trọng được biểu thị qua trị số dòng điện giới hạn hàn dính Ithhd. Tại trị số đó sự hàn dính của tiếp điểm có thể không xảy ra, nếu cơ cấu có khả năng đủ để ngắt tiếp điểm. Có hai tiêu chuẩn để đánh giá : Lực cần thiết để tách các tiếp điểm bị hàn dính, trị số tới hạn của dòng điện hàn dính, các trị số này phụ thuộc vào vật liệu làm tiếp điểm, và kết cấu chế độ làm việc của khí cụ điện. Theo công thức kinh nghiệm ta có thể xác định dòng điện hàn dính bằng công thức 2-36 tài liệu [2]. Ihd = Khd. Với Ftđ = 0,3N = 3.10-2kG. Khd là hệ số hàn dính tra theo bảng 2-19 tài liệu [2]. Chọn Khd =1000 Ta có: Ihd= 1000.=173,2A So với yêu cầu kỹ thuật ta có dòng điện ngắt mạch Inm là: Inm =10.Iđm = 10.5 = 50A Nh­ vậy với dòng điện ngắn mạch là 50A, thì khi ngắn mạch, mạch không thể nào hàn dính được do Iđm = 50A < Inmcp = Ihđ = 173,2A. 9. Độ ăn mòn tiếp điểm. Sự ăn mòn tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng và ngắt mạch điện. Sự ăn mòn của tiếp điểm được thể hiện qua việc giảm độ lún của kích thước (chiều cao) của tiếp điểm cũng nh­ giảm khối lượng hoặc thể tích của tiếp điểm. Nguyên nhân gây ra sự ăn mòn của tiếp điểm là sự ăn mòn về hoá học, ăn mòn về cơ nhưng chủ yếu là sự ăn mòn về điện gây nên cho tiếp điểm. TÝnh toán sự ăn mòn của tiếp điểm rất phức tạp và thiếu chính xác, ở đây ta chỉ dùng các công thức gần đúng để tính toán. Sự ăn mòn của tiếp điểm thể hiện qua thời gian sử dụng ứng với số lần đóng ngắt. Chúng được xác định theo công thức 2-48 tài liệu [2]. Trong đó: - Vm cm3 là phần thÓ tích của mỗi tiếp điểm cỡ 0,5¸0,75 độ dày (chiều cao) của tiếp điểm khi bị ăn mòn. - Vđ là thể tích mòn tính cho một lần đóng. - Vng là thể tích tính cho một lần ngắt. - gđ là khối lượng mòn riêng cho một lần đóng. - gng là khối lượng mòn riêng cho một lần ngắt. - g là khối lượng riêng của vật liệu làm tiếp điểm. Ta có công thức 2-54 tài liệu [2]: gđ+ gng =10-9 (KđIđ2 +KngIng2)Kkđ. Trong đó: Kđ, Kng (g/A2) là hệ số mòn khi đóng và khi ngắt. Tra trong đồ thị 2-16 tài liệu [2]. Với Ing = Iđ =5A, ta được Kđ = Kng = 0,45g/A2. Kkđ là hệ số không đồng đều, đánh giá độ mòn không đều của các tiếp điểm. Với khí cụ điện xoay chiều Kkđ = (1,1ữ 2,5).ở đây ta chọn Kkđ =1,1 lần độ mòn đều của tiếp điểm. Nh­ vậy ta có: gđ + gng = 10-9. (0,45.102 + 0,45.102).1,1=0,99.10-7g. Vậy Vđ + Vng = (gđ + gng)/g ==0,0943.10-7g Thể tích cuả đôi cặp tiếp điểm là: = 12,56mm3 Do đó: Ta thấy N = 1,33.106 > Nđiện = 106 . Nên kích thước và tính toán lựa chọn thỏa mãn độ bền điện. Vậy thể tích bị ăn mòn trong qúa trình làm việc là: Vm = Nđiện . (Vđ + Vng) = 106.0,094.10-7 = 9,4.10-3 cm3 Ta có diện tích của cặp tiếp điểm là: Vậy độ ăn mòn của tiếp điểm là: Với chiều cao h = 1mm, ta có hm/h = nằm trong phạm vi 0,5¸0,75 nên kết cấu lựa chọn thỏa mãn. 10. Độ mở Độ mở m của tiếp điểm là khoảng cách giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh ở trạng thái ngắt của rơ le. Độ mở cần thiết phải đủ lớn để có khả năng rập hồ quang, song nó không được lớn quá ảnh hưởng tới kích thước của rơ le. Theo kinh nghiệm, 1mm có thể chịu được 3000V vì vậy ta chọn độ mở của rơ le cần thiết là 3mm. 11. Độ lún Độ lún của tiếp điểm là quãng đường đi thêm được của tiếp điểm động nếu không có tiếp điểm tĩnh cản lại. Cần thiết phải có độ lún của tiếp điểm để có lực Ðp và trong qúa trình làm việc tiếp điểm bị ăn mòn nhưng vẫn đảm bảo tiếp xúc. Vì vậy phải chọn độ lún của tiếp điểm lớn hơn độ ăn mòn của tiếp điểm mới có thể đảm bảo tiếp xúc tốt. l = (1,5 ¸2).hm = 1,6.0,748 = 1,2mm Nh­ vậy tiếp điểm đi được trong một hành trình là: d= 3 + 1,2 = 4,2mm IV. Đầu nối 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 nhất là với khí cụ điện có dòng điện lớn và điện áp cao. Có thể chia làm hai phần. Các đầu cực để nối với dây dẫn ngoài. Mối nối các bộ phận bên trong mạch vòng dẫn điện. Yêu cầu đối với các mối nối ở chế độ làm việc dài hạn với dòng điện định mức không được tăng quá trị số cho phép, do đó mối nối phải có kích thước và lực Ðp tiếp xúc để điện trở tiếp xúc Rtx không lớn, Ýt tổn hao công suất. Mối nối tiếp xúc cần có đủ độ bền cơ và độ bền nhiệt khi có dòng ngắn mạch chạy qua. Lực Ðp điện trở tiếp xúc, năng lượng tổn hao và nhiệt độ phải ổn định, khi khí cụ điện vận hành liên tục. Chọn kết cấu mối nối có thể tháo rời được , dây dẫn được nối với đầu nối thông qua mối hàn có tráng thiếc thanh dẫn động hoặc thanh dẫn tĩnh. Ngoài ra phần đầu nối phải bố trí hợp lý để không gây ảnh hưởng tới yếu tố xung quanh. Với dòng điện I = 5A ta chọn mối nối tháo rời, và sử dụng loại vít M2 bằng thép CT3 vậy có thể lấy d = 3mm. Tiết diện của lỗ vít: Với dòng điện định mức Iđm = 5A, tra trang 31 tài liệu [2] mật độ dòng điện phần tiếp xúc đầu nối lấy J = 0,31A/mm2, tiết diện của bề mặt tiếp xúc được xác định theo công thức: Tổng diện tích tiếp xúc của vít: S = Stx + Slv = 7,065 + 16,13 = 23,19mm2. Chọn chiều rộng của phần bắt bu lông là 4mm. Chiều dài của phần bắt bulông xấp xỉ 6mm. Lực Ðp được tính theo công thức: Ftx =100.16,13.10-2=16,13kG = 161,3N. V. Dẫy dẫn mềm. Để xác định đường kính dây dẫn mềm, do chênh nhiệt ta có công thức: Do đó: Trong đó : - d là đường kính dây dẫn mềm. Chọn d =2(mm). - I là dòng điện định mức Iđm =5A. - S là diện tích của dây dẫn: - J là mật độ dòng điện qua dây dẫn: j < [j] = [2¸4]A/mm thoả mãn thiết kế. - P là chu vi của dây dẫn mềm P =p.d = p . 2 = 6,28mm. - rcu là điện trở suất của đồng, rcu = 0,0176.10-3(mm) Thay số vào ta có: Nh­ vậy nhiệt độ chênh lệch của dây dẫn là 15,630C lúc đó nhiệt độ của dây dẫn sẽ là : qôđ = qmt + tôđ = 40 + 3,9 = 43,90C Vậy qôđ = 43,90C < [qôđ] =1300C do đó đủ chỉ tiêu về lĩnh vực kỹ thuật. Nhiệt độ mà ở đó nhiệt độ phát nóng không được lớn hơn trị số cho phép, phải đảm bảo cách điện. Dây dẫn phải đủ độ mềm và chiều dài, để khi rơ le làm việc không ảnh hưởng tới quá trình đóng ngắt của tiếp điểm. Chọn chiều dài dây dẫn 3cm. chương iii: tính và dựng đặc tính cơ I. Khái niệm Đường đặc tính cơ phản lực Fph = f(d) là tổng hợp đặc tuyến của các đường đặc tuyến của các lực gồm có: - Lực ma sát Fms - Lực lò xo nh­ Fnh - Lực lò xo tiÕp điểm thường đóng và thường mở Ftđ - Trong lực nắp mạch từ Gn = Gđ (coi trọng lượng của phần động chính là trọng lượng của nắp nam châm điện). ii. sơ đồ động Được biểu thị ở hai trạng thái khác nhau d = 0 và d ¹ 0 (d = m + l). Fnh lnh lt®® Gn F®t 0 Fnh lnh l®t Gn F®t 0 d ¹ 0 (d = m + l) d = 0 Trong đó: d: khe hở không khí giữa thân và phần ứng Gđ: trọng lượng phần động Fđt: lực hút điện từ Fnh: lực lò xo nhả Iii. tính toán lò xo tiếp điểm 1. Tính chọn vật liệu làm lò xo tiếp điểm Do thanh dẫn động cũng là lò xo tiếp điểm vì vậy lò xo tiếp điểm là đồng phốt pho. Lò xo có dạng tấm phẳng có lực không lớn và độ võng cũng nhỏ; lò xo bằng đồng phốt pho có điện trở nhỏ, độ bền cơ điện cao, có khả năng chống ăn mòn tốt. Các thông số của lò xo tiếp điểm. Ký hiệu bp0 f6,5 Giới hạn đàn hồi 350 N/mm2 Giới hạn mỏi cho phép khi uốn du = 350 N/mm2 Giới hạn mỏi cho phép khi xoắn dx = 120 N/mm2 Modul đàn hồi E = 110.103 N/mm2 Modul trượt G = 42.103 N/mm2 Điện trở suất r = 0,176.10-6 Wm Khi rơle tác động gây ra lực Ðp tiếp điểm ở 4 tiếp điểm thường mở. + Lực Ðp tiếp điểm cuối của lò xo Ftđc = 4Ftđ = 4.0,3 = 1,2 (N) + Lực Ðp tiếp điểm đầu của lò xo Ftđđ= 0 2. Tính kích thước lò xo tiếp điểm Thanh dẫn động đồng thời cũng chính là lò xo tiếp điểm nên kích thước của chúng là kích thước của thanh dẫn động. Tiếp điểm có giá đỡ là nắp của mạch từ được Ðp chặt với một miếng nhựa cứng có nhiệt độ nóng chảy cao. - Chiều rộng lò xo: a = 5 mm - Chiều dài lò xo: b = 0,5 mm Theo công thức 4 - 25 của tài liệu [2] ta có: dut = Trong đó: w: mômen chống uốn dut: ứng suất thực tế khi uốn l: chiều dài thanh dẫn động F: lực Ðp tiếp điểm b l Chiều dài lò xo tiếp điểm. Theo công thức 4-17 tài liệu [2] ta có: L = Trong đó: F = Ftđ = 0,3 (N): lực đặt tại tiếp điểm E = 110.103 (N/mm2): môđul đàn hồi của vật liệu làm lò xo J(mm4): mômen quán tính của tiết diện ngang lò xo đối với trục trung tính của tiết diện. J = = 0,052 mm4 f = 1,2 (mm): độ võng của lò xo Suy ra: L = = 40,9 (mm) Chọn chiều dài thanh dẫn: L = 40 (mm) Þ dut = = 57,6 (N/mm2) Vậy dut = 57,6 N/mm2< [dư] = 190 N/mm2 là thoả mãn các phương án đã chọn. * Độ võng cần thiết của lò xo tại đầu nút. Ta có: f = E: modul đàn hồi J: momen quán tính: J = 0,052 (mm4) Þ f = = 1,12 (mm) * Độ cứng của lò xo tĩnh chính là lực gây ra độ võng 1mm. j = = 0,28 (N/m) 3. Tính trọng lượng của phần động Ta có công thức: Gđ = Gn= mc.Iđm Trong đó: I = 5A: dòng điện định mức mc = (5 ¸ 10) G/A chọn mc = 10 G/A Þ Gđ = 5.10 = 50 (G) = 0,5 (N) 4. Tính lò xo nhả 4.1. Chọn vật liệu làm lò xo nhả Vật liệu làm lò xo nhả sử dụng loại thép cacbon có độ bền về cơ cao bản thân nó không dẫn điện. Kiểu của lò xo thuộc loại xoắn hình trụ, có khả năng chịu nén vào kéo tốt. Lò xo nhả khi làm việc luôn ở tình trạng kéo, tức là nó tạo được lực Ðp tiếp điểm thường đóng, khi đó thì Fđt = 0. Theo bảng 4-1 của TL[2] ta có các thông số kỹ thuật của thép cacbon. Ký hiệu II (p) Độ bền giới hạn khi kéo 2200 N/mm2 Giới hạn mỏi cho phép khi uốn du = 770 N/mm2 Giới hạn mỏi cho phép khi xoắn dx = 480 N/mm2 Modul đàn hồi 20.103 N/mm2 Modul trượt 80.103 N/mm2 Điện trở suất r = (0,19 ¸ 0,22).10-6 Wm 4.2. Tính lò xo nhả Lò xo xoắn hình trụ được cuốn bằng dây hoặc có tiết diện tròn, có thể chịu nén hướng trụ hoặc chịu tải kéo. Để tính toán lò xo này, trước hết cần chọn chỉ số lò xo C, nó đặc trưng chỉnh độ cong của các vòng lò xo và xác định ứng suất tập trung trong vật liệu của lò xo, chỉ số C còn phụ thuộc vào đường kính d của dây quấn lò xo, khi d nhỏ thì nên lấy C lớn và ngược lại. Trước tiên ta cần tính lực lò xo nhả ban đầu phải tạo được Ftđc của 4 tiếp điểm thường đóng, trọng lượng phần động Gđ và lực ma sát. Fnhđ =Kdt (Ftđc + Gđ + Fms) Trong đó: Kđt = (1,1 ¸ 1,3): hệ số dự trữ, chọn Kdt = 1,2 Ftđc: lực Ðp lò xo tiếp điểm cuối, Ftđc =1,2 (N) Gđ - là trọng lượng phần động. Gđ = 0,5 (N) Fms = 0 bá qua ma sát H h d D d - đường kính dây làm lò xo D - đường kính trung bình lò xo h(mm) - khoảng cách giữa hai vòng lò xo H(mm) - chiều cao của lò xo Suy ra: Fnhđ = 1,2(0,5 + 1,2) = 2,04 (N) Þ Fnhc = K.Fnhđ = 1,8.2,04 = 3,67 (N) * Đường kính d của dây quấn lò xo được xác định theo công thức 4-31 của tài liệu [2]: d = 1,6 Trong đó: F = 3,67 (N): lực lò xo nhả cuối [dx] = 480 (N/mm2) : giới hạn cho phép khi xoắn C: chỉ số lò xo theo (TL2) trang 172 chọn C = 10 Þ d =1,6 = 0,44 (mm) Chọn d = 0,45mm Do đó đường kính trung bình của lò xo Ta có: D = c.d = 10.0,45 = 4,5 (mm) * Số vòng dây của lò xo được xác định theo công thức 4-32 của tài liệu [2] W = Trong đó: G = 80.103 (N/mm2): môđul trượt f: khoảng lún của lò xo f = d = m + l = 3 + 1,2 = 4,2 (mm) Với: m = 3 (mm): độ mở nắp mạch từ l = 1,2 (mm): độ lún tiếp điểm Ứng với: F = DF = Fnhc- Fnhđ = 3,67 - 2,04 = 1,63 (N) d = 0,45 (mm): đường kính dây quấn của lò xo Thay số vào ta được: W = » 11,6 vòng Ta thấy đây là một loại lò xo chịu kéo nên số vòng làm kết cấu của lò xo ta chọn là = 12 vòng. Theo công thức 4-33 tài liệu [2]. + Bước lò xo chịu kéo: tK = d = 0,45mm + Chiều dài tự do của lò xo chịu kéo lk = w.tk = 12.0,45 = 5,4 + Độ cứng của lò xo j = = 0,375 (N/mm) + Độ cứng đàn hồi của lò xo (f') là khoảng kéo của một vòng trên 1 đơn vị lực. Theo công thức 4-29 TL[2] f' = = 4,4 (mm) Ta kiểm nghiệm lại Trị số ứng suất xoắn khi có lực dx = = 462 (N/mm2) dx =462 (N/mm2) < [dx] = 480 (N/mm2) thỏa mãn điều kiện. 4.3. Tính toán lực quy đổi Khi chưa quy đổi: Ftđc = 1,2 (N) Ftđđ = 0 (N) Fnhđ = 2,04 (N) Fnhc = 3,67 (N) Gđ = 0,5 (N) Khi quy đổi về lực hút điện từ. Do điểm đặt của lực điện từ Fđt khác với điểm đặt của lực lò xo tiếp điểm (Ftđ) và lực lò xo và lực lò xo nhả (Fnh). Do vậy ta phải quy đổi 2 lực này về vị trí lực Ðp điện từ Fđt. Ta có: Fqđ = F. = F.kqđ Chọn llx = lđt Þ Kqđ = Vậy các lực được quy đổi nh­ sau: + Lực lò xo tiếp điểm F'tđđ = Ftđđ.Kqđ = 0 (N) F'tđc= Ftđc.Kqđ = 1,2.1 = 1,2 (N) + Lực lò xo nhả F'nhđ = Fnhđ.Kqđ = 2,04.1 = 2,04 (N) F'nhc = Fnhc.Kqđ = 3,67.1 = 3,67 (N) + Lực trọng trường G'đ = Gđ.Kqđ = 0,5.1 = 0,5 (N) + Độ mỡ và độ lún f' = d' = m' + l' = m.kqđ + l.kqđ = 3 + 1,2 = 4,2 (mm) Nh­ vậy để dựng được đường đặc tính lực ta cần phải tổng tất cả các lực để xây dựng nên sơ đồ đặc tính phản lực. iV. đặc tính cơ 5 - 4 - 3 - 2 - 1 - 0 5,37 F(N) 3,7 Fc¬ Fnh 3,2 3 2,5 2,04 1,34 Ft®û ë G® | | | | 1 1,2 2 3 4 4,2 Ft®û ë 1,2 d(mm) 3,67 1,2 Chương iV: Tính toán và kiểm nghiệm nam châm điện I. Giới thiệu chung về nam châm điện. Trong cơ cấu Rơle, nam châm điện là một bộ phận rất quan trọng. Nam châm điện được sử dụng để biến đổi điện năng thành cơ năng. Nam châm điện được sử dụng rộng rãi mà không một lĩnh vực khoa học kỹ thuật nào không sử dụng. Nam châm điện được sử dụng đặc biệt trong các lĩnh vực nh­ sinh lực (truyền động điện) để thực hiện các chuyển dịch tịnh tiến các chuyển dịch quay hoặc sinh ra lực hãm, thông tin liên lạc, tự động điều chỉnh… - Với các lĩnh vực kỹ thuật khác nhau đòi hỏi các nam châm điện phải có hình dáng và kết cấu khác nhau để phù hợp. Có những nam châm điện rất bé khoảng vài milimet mà có những nam châm điện có kích thước đến hàng mét, khối lượng của chúng từ vài gam đến hàng nghìn kilôgam lực điện từ của nam châm từ vài phần gam đến hàng chục tấn. Hành trình từ vài micromet đến hàng mét. Công suất từ vài mill-oat đến hàng chục kilo oat. - Các quá trình vật lý xảy ra trong nam châm điện rất phức tạp thường được mô tả bằng phương trình vi phân, phi tuyến. Vì vậy cho đến nay việc tính toán nam châm điện thường dựa theo những công thức kinh nghiệm gần đúng rồi kiểm tra lại theo công thức lý thuyết. Để đưa ra được kết quả tối ưu. - Trong cơ cấu điện từ, đặc biệt trong rơle điện từ trung gian thì nam châm điện có nhiệm vụ quan trọng là cơ quan sinh lực để thực hiện tịnh tiến cơ cấu chấp hành hệ thống tiếp điểm. - Nguyên lý hoạt động của nam châm điện. Khi có dòng điện chạy trong cuộn dây sẽ sinh ra lực điện từ (Fđt > 0) hút nắp (phần ứng) về phía thân mạch từ. Khi ngắt dòng điện thì lực hút điện từ sẽ không còn Fđt = 0, đồng thời nắp mạch từ sẽ tách ra khỏi thân nó nhờ lực của lò xo nhả Fnh sinh ra. - Đặc điểm của nam châm điện. + Nam châm điện xoay chiều có thể làm việc ở chế độ dài hạn và ngắn hạn. + Nam châm điện kiểu kín, chịu rung và va đập. + Nguồn điện xoay chiều với công suất không đổi: Uđm = 220 (V), Iđm = 5 (A) f = 50 (Hz); S = const. + Môi trường làm việc của rơle có nhiệt độ: qmt = 400C. II. Chọn và tính toán nam châm điện. A. Chọn kết cấu. Nam châm điện về hình thức rất đa dạng, có nhiều dạng kết cấu khác nhau về mạch từ và cuộn dây. Vì vậy dẫn đến sự khác nhau về đặc tính lực hút điện từ và công nghệ chế tạo: như chương I ta đã chọn mạch từ có dạng hình chữ U, kiểu hút chập và cuộn dây quấn trên mạch từ. Do vậy nam châm điện xoay chiều ở phía trên cực từ của cuộn dây ta đặt thêm một vòng ngắn mạch. Ta căn cứ vào hệ số kết cấu để chọn dạng kết cấu tối ưu theo công thức 5-2 của Tài liệu [2] ta có: Kkc = Trong đó: Kkc: hệ số kết cấu Fđt: lực hút điện từ. dth: Khe hở không khí tới hạn của nam châm điện. Xét trên đường đặc tính có phản lực ta xác định ở chương III thấy rằng để rơle làm việc thì có các điều kiện là: - Khi hót Fđt > Fcơ - Khi nhả Fđt < Fcơ. Ta có lực hút điện từ ở điểm tới hạn. Fđtth = Kđt. Fcơth Trong đó: Fđtth: lực hút điện từ tới hạn. Kđt: hệ số dự trữ về lực. Chọn Kđt = 1,2 Fcơth = 3,7 (N) Þ Fđtth = 1,2 . 3,7 = 4,44 (N). Chọn dth = 1,2 (mm) = 1,2 . 10-3 (m). Vậy hệ số kết cấu tối ưu là: Kkc = = 2483 B. Chọn vật liệu từ. Mạch từ của nam châm điện được chế tạo từ thép silic kỹ thuật điện hợp kim cao. ở loại này lực từ phản kháng bé nên tổn hao từ trễ không đáng kể. Theo bảng 5-3 Tài liệu [2]. Ký hiệu É 31 Độ dày lá thép D = 0,5 mm Lực từ phản kháng HC = 0,32 ¸ 0,4 (A/cm) Từ cảm bão hoà Bd = 2 (T) Độ từ thẩm Ma = 250 Độ tự thẩm cực đại Mmax = (6 ¸ 7). 1000 Điện trở suất r = (40 ¸ 60). 10-8 (Wm) Khối lượng riêng g = 7,65 (g/cm3) C. Chọn các thông số cường độ tự cảm, hệ số từ tản và hệ số từ rò. 1. Chọn cường độ tự cảm. - Để tránh trường hợp lãng phí vật liệu làm mạch từ hoặc già hoá lõi thép dẫn tới tổn hao, ta nên chọn từ cảm làm việc không quá lớn nhưng cũng không quá nhỏ. - Từ cảm của lõi thép: Bmax = 0,8 ¸ 1,2 (T) Chọn Bmax = 1 (T) - Từ cảm khe hở không khí tới hạn Bdth = 0,4 ¸ 0,8 (T) Chọn Bdth = 0,5T. 2. Chọn hệ số từ rò. Ở trạng thái phần ứng hở hệ số từ rò sr phụ thuộc rất lớn vào khe hở không khí với sr = 1,1 ¸ 4. Þ Chọn srth = 1,3. 3. Chọn hệ số từ tản. Dựa trên hệ số kết cấu của nam châm điện và theo Tài liệu [2] trang 197 hệ số từ tản trong khoảng st = 1 ¸ 1,8 Þ Chọn st = 1,4 D. Xác định các kích thước và thông số chủ yếu của nam châm điện. 1. Xác định tiết diện lõi thép. Nh­ trên ta đã chọn kết cấu của nam châm điện có hình ch÷ U. Do đó diện tích các cực từ ở 2 phía bằng nhau S1 = S2. Lực từ chỉ tác động nên phía cực từ có dây quấn do đó: Fđtth = Fđt = 4,44 (N) Theo công thức 5-8 tài liệu [2] diện tích cực từ là: S = Gọi kích thước các cạnh của lõi thép là a và b với mạch từ các lá thép kỹ thuật điện ta có quan hệ tối ưu các cạnh của tiết diện chữ nhật. a = b ® S = a. b = a2 Vậy a = = 9,5 mm » 10 (mm) Vì trong quá trình lắp ráp các lá thép có độ dày D = 0,5mm. Do đó ta phải kể đến hệ số Ðp chặt lõi thép KC. Chọn Kc = 0,93. Theo công thức 5 - 12 tài liệu [2] bề dày lõi thép là: b' = » 11 (mm) Do ở đầu cực từ có đặt vòng ngắn mạch nên. a’ = a + D’ vòng, với D’ vòng = 2mm. Þ a’ = 2 + 10 = 12 mm. Vậy tiết diện thật của trụ lõi thép có đặt cuộn dây. S’ = a’b’ = 11 . 12 = 132 (mm2). 2. Xác định kích thước của cuộn dây nam châm điện và nam châm điện. a. Sức từ động của cuộn dây nam châm điện xoay chiều. Kích thước cuộn dây hoàn toàn phụ thuộc vào sức từ động tác động (IW)tđ của nam châm điện do cuộn dây sinh ra nó tạo ra từ áp ở khe hở không khí khi làm việc. Sức từ động tổn hao từ trễ và dòng xoáy trong lõi thép, tổn hao trong vòng ngắn mạch. Các tổn hao này làm tăng dòng điện trong cuộn dây nên sức từ động của cuộn dây cũng tăng. Người ta sử dụng tổng khe hở làm việc tương đương ở trạng thái hút của phần ứng gồm các khe hở giả định dht, khe hở công nghệ dcn và khe hở chống dính dcd để đặc trưng cho từ áp rơi trên lõi thép, tổn hao từ trễ, dòng điện xoáy và trong vòng ngắn mạch. Theo tài liệu [2] trang 208 ta có: Sdh = 2dh + dcd + dht. Sức từ động cần thiết cho nam châm điện tác động (IW)tđ gồm các sức từ động khi nắp hút và khi nắp nhả. (IW)tđ = (IW)h + (IW)nh + Tính sức từ động (IW)nh của cuộn dây khi nhả theo công thức 5-19 trang 209 Tài liệu [2]. (IW)nh = Với Sdnh = dth + dph = 1,2 + 0,1 = 1,3 (mm) Bdth = 0,5 (T) m0 = 1,256 . 10-6 H/m: Hệ số từ thẩm khe hở không khí. Þ (IW)nh = (A/vòng) + Tính sức từ động (IW)h của cuộn dây khi phần ứng hút theo công thức 5-20 trang 210 tài liệu [2] ta có. (IW)h = Trong đó: dcn = 0,05 mm: Khe hở do công nghệ dcd = 0,15mm: Khe hở chống dính dht = 0,05mm: Khe hở giả định. sr = 1,3: hệ số từ rò. bdth = 0,5 (T): Từ cảm khe hở không khí. m0 = 1,256 . 10-6 (H/m): hệ số từ thẩm khe hở không khí. Þ (IW)h = A/vòng Vậy sức từ động cần thiết của nam châm điện. (IW)tđ = (IW)h + (IW)nh = 517,5 + 155,3 = 673 (A/vòng). + Kiểm tra lại bội số dòng điện theo công thức 5-21 TL [2] Ki = = 4,5 Vậy Ki nằm trong khoảng cho phép Ki = 4 ¸ 15. b. Xác định kích thước cuộn dây nam châm điện. - Tiết diện cuộn dây Scd và diện tích số mạch từ cần thiết để đặt cuộn dây có thể xác định theo quan hệ giữa sức từ động, các kích thước cuộn dây và một độ dòng ở chế độ làm việc đã cho. Chế độ làm việc năng về nhất của cuộn dây là khi điện áp nguồn đạt giá trị lớn nhất. Umax = Kmax. Uđm và dòng điện đạt giá trị lớn nhất Imax. - Đối với cuộn dây xoay chiều diện tích cuộn dây được xác định cho trạng thái phần ứng bị hút, vì khi phần ứng hở dòng điện trong cuộn dây lớn hơn nhiều lần so với khi phần ứng bị hút với thời gian ngắn nhất. Vì vậy sức từ động (IW)tđ được tính ở trạng thái hở của phần ứng cần được dựa trên trạng thái hút của phần ứng. Theo công thức (5-24) Tài liệu [2] ta có tiết diện cuộn dây xoay chiều. Scd = (mm2) Trong đó: Knmax = 1,1: hệ số tăng áp Knmin = 0,85: Hệ số sụt áp. Klđ = 0,3 ¸ 0,7: Hệ số lấp đầy cuộn dây chọn Klđ = 0,6. Ki: Hệ số bộ số dòng điện t heo 5-21 Tài liệu [2]. Ki = 4 ¸ 15 chọn Ki = 7 J = 2 ¸ 4 (A/mm2): Mật độ dòng điện chọn J = 4 A/mm2 Þ Scd = = 51,84 (mm2). + Từ tiết diện cuộn dây Scd ta có thể xác định được chiều vao và bề dày cuộn dây. Theo trang 212 tài liệu [2] ta có: = (2 ¸ 4) chọn = 3 Þ hcd = 3lcd Trong đó: lcd: bề dày cuộn dây. hcd: chiều cao cuộn dây Mặt khác theo công thức (5-22) TL [2]. Ta có: Scd = lcd. hcd = 3l2cd. Þ lcd = = 4,2 (mm) » 4,5 (mm) Vậy chiều cao cuộn dây hcd = 3. 4,5 = 13,5 (mm) c. Xác định kích thước của nam châm điện. + Bề rộng cửa sổ mạch từ. C = lcd + D2 + D3 + D4 + D5 + D1 Trong đó: lcd = 4,5 (mm) : Bề dày cuộn dây. D2 = (0,5 ¸ 1) mm : Bề dày lớp cách điện phía ngoài cuộn dây. Chọn D2 = 0,5 (mm) D1 = (1,5 ¸ 2) mm : Chiều dày khung quấn dây. Chọn D1 = 1,5 (mm) D3 = (0,5 ¸ 1) mm : Lớp cách điện phía trong cuộn dây. Chọn D3 = 0,5 (mm) D4 = (5 ¸ 10) mm : Khoảng cách từ lớp cách điện phía ngoài đến thân mạch từ đối diện. Chọn D4 = 5 (mm) D5 = 0,5 (mm): Khe hở lắp ráp Þ C = 1,5 + 4,5 + 0,5 + 0,5 +5 + 0,5 = 12,5 (mm) + Chiều cao cửa sổ mạch từ. hc = hcd = D1 + D6 Trong đó: D1 = (1 ¸ 2) mm: Bề dày tấm cách điện khung dây quấn. Chọn D1 = 1,5 (mm) D6 = (5 ¸ 10)mm: khoảng cách đầu phần ứng tới cách điện đầu trên của cuộn dây. Chọn D6 = 5 (mm) Þ hc = 13,5 + 2 . 1,5 + 5 = 21,5 (mm) + Chiều rộng của nam châm điện. C = 2a1 + C = 2 . 12 + 12,5 = 36,5 (mm) + Tiết diện nắp nam châm điện. - Bề dày của nắp lấy bằng bề dày cực từ. bn = b’ = 11 (mm) - Chiều cao của nắp lấy nhỏ hơn bề dày cực từ. hn = 10 (mm) suy ra: Sn = bn. hn = 11. 10 = 110 (mm2). + Tiết diện đáy của nam châm điện. Sđáy = S1 = 11 . 10 = 110 (mm2). + Chiều cao của nam châm điện. HNC = b + hc + hn = 10 + 21,5 + 10 = 41,5 (mm) E. TÝnh toán kiểm nghiệm nam châm điện. 1. Vẽ sơ đồ đẳng trị với d ¹ 0. Khi nắp mở (d ¹ 0) có thể bỏ qua từ trở và từ kháng của mạch từ, nhưng phải xét đến từ thông dò do đó mạch từ có sơ đồ đẳng trị sau: Khi dòng điện chạy qua cuộn dây của nam châm điện thì sẽ có 3 loại từ dẫn và 3 loại từ thông chạy trong mạch từ gồm: - Gc: Từ dẫn chính của khe hở không khí. - Gt: Từ dẫn tản đặc trưng cho từ thông tản; Gd = Gc + Gt - Gr: Từ dẫn rò đặc trưng cho từ thông rò. - fd: Từ thông chính đi qua khe hở không khí d tạo ra lực điện từ tác động lên nắp. - ft: Từ thông tản là từ thông đi bao bên ngoài từ thông chính. - fr: Từ thông rò là từ thông đi qua khe hở không khí chính mà nó khép kín trong không gian giữa thân và lõi mạch từ. 2. Tính từ dẫn rò: (Gr). Nam châm điện có hình chữ U nên từ dẫn rò được tính theo công thức 5 bảng 5-6 Tài liệu [2]. Gr = G1 + 2 (G7 + G9). Trong đó: G1: Từ dẫn rò của hình trụ chữ nhật. G7: Từ dẫn rò của 1/2 hình trụ đặc. G9: Từ dẫn rò của 1/2 hình trụ rỗng. Với: G1 = (H) G7 = m0 . 0,26lr = 1,256 . 10-6 . 0,26 . 21,5 . 10-3 = 7.10-8 (H). G9 = = 0,86 . 10-8 (H) Với lr = hc = 32,77 Chiều cao cửa sổ mạch từ. Þ Gr = G1 + 2 (G7 + G9). = 2,3 . 10-8 + 2 . 1