交流接触器的优化设计.doc

毕毕 业业 设设 计计 题 目 交流接触器的优化设计 系 电气与信息工程系 专业 电气工程及其自动化 班级 0000 学号 000000000 学生姓名 xxx 导师姓名 xxx 完成日期 2012 年 6 月 诚 信 声 明 本人声明 1 本人所呈交的毕业设计 论文 是在老师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果 2 据查证 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 毕业设计 论文 中不包含其他人已经公开发表过的研究成果 也不包含为获得 其他教育机构的学位而使用过的材料 3 我承诺 本人提交的毕业设计 论文 中的所有内容均真实 可 信 作者签名 日期 年 月 日 毕业设计 论文 任务书 设计 论文 题目 交流接触器的优化设计 姓名 XXX 系别 电气与信息工程系 专业 电气工程及其自动化 班级 0000 学号 0000000000 指导老师 XXX 职称 XXX 教研室主任 XXX 一 基本任务及要求 在规定时间内 完成以下工作 1 整体方案的设计 2 触头系统设计 3 灭弧系统设计 4 电磁系统设计 计算机优化设计 5 提交设计说明书和图纸 二 进度安排及完成时间 1 2 月 20 日至 3 月 1 日 查阅资料 熟悉相关的知识 2 3 月 2 日至 3 月 11 日 撰写文献综述和开题报告 3 3 月 12 日至 3 月 25 日 毕业实习 4 3 月 26 日至 4 月 16 日 整体方案的设计 5 4 月 17 日至 5 月 1 日 触头系统设计 6 5 月 2 日至 5 月 15 日 灭弧系统设计 7 5 月 16 日至 5 月 30 日 电磁系统优化设计 8 5 月 31 日至 6 月 15 日 撰写毕业设计论文 9 6 月 16 日至 6 月 20 日 毕业设计答辩 目 录 摘要 I Abstract II 第 1 章 绪 论 1 1 1 交流接触器的简介 1 1 2 交流接触器的主要技术参数和指标 1 1 2 1 主要技术参数 1 1 2 2 主要技术指标 3 1 3 交流接触器的设计要求与结构确定 4 1 3 1 设计要求 4 1 3 2 总体结构方案确定 4 第 2 章 触头系统设计 6 2 1 确定触头结构形式 6 图 2 1 接触器触点结构 6 2 2 主触头的设计 6 2 2 1 主触头的设计与计算 6 2 2 2 主触头温升及热稳定性的验算 9 2 3 辅助触头的设计与计算 11 2 3 1 触桥尺寸的确定 11 2 3 2 计算辅助触头厚度 11 2 3 3 验算辅助触头温升及动热稳定性 12 2 3 4 动稳定性的校核 13 2 3 5 计算 M FCC 值 14 第 3 章 灭弧系统设计 15 3 1 接触器的熄弧原理及方法 15 3 1 1 熄弧原理 15 3 1 2 熄弧方法 15 3 2 接触器的灭弧常用装置及材料 16 3 3 触头灭弧系统的结构形式及尺寸 16 3 3 1 主触头灭弧系统的结构形式及尺寸 17 3 3 2 辅助触头系统灭弧方法 18 第 4 章 电磁系统设计 19 4 1 电磁系统简介 19 4 1 1 电磁系统的种类以及结构形式和基本特性 19 4 2 电磁系统设计与计算 20 4 2 1 计算电磁系统反力 20 4 2 2 电磁系统的结构形式的确定 21 4 2 3 电磁铁的主要技术参数和计算 21 4 2 4 磁铁的初步设计 24 4 3 分磁环的设计 26 4 3 1 分磁环的结构 26 4 3 2 分磁环计算 26 4 4 确定其他结构尺寸并画出电磁铁草图 27 4 5 性能验算 28 4 5 1 线圈电阻 28 4 5 2 衔铁闭合位置工作气隙磁通及线圈电流的计算 29 4 5 3 线圈温升计算 31 4 5 4 衔铁在设计点的气隙磁导计算 32 4 5 6 线圈计算与设计 33 4 5 7 计算工作气隙磁通 33 4 5 8 平均吸力计算 33 4 5 9 工作气隙磁通 33 第 5 章 交流接触器的低压运行及控制 36 5 1 吸力与反力特性的配合 36 5 2 试验效果及控制电路 37 致谢 41 附录 A 42 附录 B 43 附录 C 44 交流接触器的优化设计 I 交流接触器的优化设计 摘摘 要 要 本文主要是以额定电流为 40A 的 CJ20 系列交流接触器为参照展开的交流接 触器的设计 并通过 BASIC 程序语言对其进行优化 以求能设计出性能更加优越的接 触器出来 首先对接触器各零部件的结构进行介绍 电磁铁采用单 U 直动式 非磁性 气隙置于静铁心底部的中间 在使用过程中不会发生变化 分磁环用胶粘剂粘紧在静 铁心的两个极靴上 线圈有骨架 机械强度比较好 导磁体上装有缓冲件 主动触头 的触桥为船形结构 具有较高的机械强度和较大的热容量 主触头材料为银 氧化锡陶 冶材料 具有较高的抗熔焊性和耐电腐蚀性 灭弧室罩也是陶土制成的 辅助触头采 用无色透明的聚碳酸脂制成的外壳 是封闭式结构 它制成单独的部件 放置在主触 头的两侧 有 4 8 个辅助触头 还备有控制直流电路的大开距大超程辅助触头 在设 计的最后完成阶段我分析设计了交流接触器的高压起动低压保持 还利用计算机对电 磁铁部件进行优化分析 以达到预期的效果 关键词关键词 接触器 电磁铁 触头 优化 交流接触器的优化设计 II Design for AC Contactor Abstract This dissertation mainly takesis the 40A three pole AC Contactor of CJ20 series as to according to the design of the AC contactor And it was analysed to optimize to go on through BASIC procedure language to it in order to be able to design performance superior contactor come out Make an introduction to the structure of every spare part of the contactor at first The electro magnet adopts single U moving type directly it is not the angry crack of magnetic that is put in the middle of the quiet unshakable in one s determination bottom will not change in the course of using It is tight on the boots very much in quiet two unshakable in one s determination to divide the magnetic ring to glue with the adhesive Kill arc room cover is also what potter s clay make into Auxiliary to touch head adopt colourless transparent outer cover that polycarbonate make closed structure it make single part is it touch both sides of contacts mainly to put have 4 8 auxiliary to touch hair is it control direct current way heavy to turn on from heavy to exceed Cheng auxiliary to touch hair to have also I analyzed to design the AC contact the high voltage of the machine starts the low voltage to keep And utilize the computer to optimize analysing to the part of the electro magnet during the course of finishing at the end that is designed in order to reach the anticipated result Keywords Contactor Electro magnet Contacts Optimal design 交流接触器的优化设计 1 第 1 章 绪 论 1 1 交流接触器的简介 交流接触器是一种适用于远距离频繁地接通和分断交流主电路及大容量控制电路 的电器 它主要用作控制交流感应电动机的起动 停止 反转 调速 并与热继电器 或其它适当的保护装置组合 保护电动机可能发生的过载或断相 也可用于控制其它 电力负载如电热器 电照明 电焊机 电容器组等 交流接触器的主要组成部分包括 触头灭弧系统 电磁系统 支架和外壳等 主 要技术参数包括 额定电压 额定电流 动作值 接通与分断能力 操作频率与工作制 额定电压指主触头 辅助触头及线圈的长期工作电压 它的工作原理是 当吸引线圈 通电后 电磁系统即可把电能转换为机械能 所产生的电磁吸力克服反作用弹簧与触 头弹簧的反作用力 使铁心吸合 并带动触头支架移动 动 静触头接触闭合 从而 完成接通主电路的操作 当吸引线圈断电或者电压显著下降时 由于电磁吸力消失或 过小 衔铁与动触头则在弹簧反作用力下断开 触头打开时产生电弧 电弧在回路电 动力的驱动下迅速移动 并在灭弧室内冷却去游离熄灭 最后分断电路 接触器按主回路的电源种类可分为交流接触器和直流接触器 按主触点的极数分 为单极 双极 三极 四极和五极等几种 直流接触器一般为单极或双极的 交流接触 器一般为三极的 在双回路控制时要用四极的接触器 五极式的接触器用于多速电动 机控制或自动式自祸减压起动器中 交流接触器按主触头的正常 即励磁线圈无电时 位置分为常分式和常合式 按吸引线圈种类分为交流励磁和直流励磁 按灭弧介质分 为空气式和真空式 按有无灭弧室分为有灭弧室和无灭弧室 1 2 交流接触器的主要技术参数和指标 1 2 1 主要技术参数 a 额定绝缘电压 规定交流接触器工作电压的最大值 b 交流接触器主触头的额定工作电压有 220 380 660 1140V c 辅助触头额定工作电压有 交流 380V 直流 220V d 交流接触器的额定电流按 CJ20 系列有 10 16 25 40 63 100 160 250 400 630A e 额定工作制有以下四种 间断长期工作制 8h 工作制 此工作制为基本工作制 接触器的约定发热电流 1 交流接触器的优化设计 2 Itch由这种工作制确定 不间断工作制 在这种工作制下 接触器的主触头保持闭合 并承载一稳定电 2 流超过 8h 如几星期 几个月甚至几年 也不分断 断续周期工作制 断续周期工作制的操作频率和通电持续率由产品标准规定 3 短时工作制 短时工作制的标准值触头通电时间分为 10 30 60 与 90min 4 f 操作频率 指每小时允许的操作次数 交流接触器的操作频率一般为 300 1200 次 时 操作 频率直接影响到接触器的电寿命及灭弧室的工作条件 对于交流接触器还影响线圈的 温升 所以是一个重要的技术指标 使用类别 接通分断能力 g 按接通分断能力来区分使用类别 接触器的接通和分断能力随着用途和控制对象的 不同有很大的差异 它时正确设计和选用接触器的主要依据 按 IEC60947 4 1 1990 GB14048 4 93 接触器标准规定 交流接触器可划分为 AC 1 AC 2 AC 3 AC 4 等四种使用类别 所谓使用类别是指其所带负载性质及工作条件 不同使用类别的接 通与分断能力的接通和分断条件不同 AC 1 类用于非感性负载或稍带电感性的电阻炉 负载 AC 2 类用于绕线转子异步电动机的起动及反接制动 AC 3 类用于笼型异步电动 机的起动 但在运转时断开 AC 4 类用于笼型异步电动机的起动 以及短时反复接通 和断开电容器及照明电路 我设计的交流接触器使用类别是 AC 3 其对应得接通与分 断能力的接通和分断条件以及验证电寿命的接通和分断条件如表 1 1 所示 h 机械寿命 电寿命 交流接触器是一种频繁操作的电器 自动控制系统不仅要求它有很高的操作频率 而且要求它有与之相适应的较高的机械寿命和电寿命 以提高系统运行的可靠性 交 流接触器的机械寿命一般为 1000 万次 小容量交流接触器的机械寿命可高达 3000 万 次 交流接触器的电寿命随使用类别不同而不同 IEC60947 4 1 1990 和 GB14048 4 93 规定各使用类别电寿命试验的接通和断开条件见表 1 1 交流接触器的优化设计 3 表 1 1 AC 3 使用类别的接通与分断能力及验证电寿命的接通和分断条件 接 通 和 分 断 条 件 使用 类别 I IeUr UeCos 或 L R ms 通电时 间 s 间隔 时间 s 操作循 环次数 AC 38 01 0510 05650 接 通 条 件 I IeU UeCos 通电时 间 s 间隔 时间 s 操作循 环次数 AC 3101 0510 051050 AC 410 01 0510 05650 接 通分 断验证 电寿 命时 使用 类别 额定 工作 电流 A I IeU UeCos 或 L R ms I IeU UeCos 或 L R ms Ie17 610 6510 170 65AC 3 Ie 17610 3510 170 35 Ie17 610 65610 65AC 4 Ie 17610 35610 35 注 额定工作电流 接通前电压 e IU 额定工作电压 恢复电压 e U r U 接通电流 分断电流I e I 1 2 2 主要技术指标 本次设计的主要技术指标如下 额定绝缘电压 最高额定工作电压 Ui 660V 额定工作电压 Ue 380V 额定工作电流 使用类别 AC 3 Ie 40A 约定发热电流 Ith 55A 交流接触器的优化设计 4 额定控制电源电压 即线圈电压 US 220V 50Hz 使用类别 AC 3 周围空气温度 40oC 40 oC 工作制 长期工作制 寿命 机械寿命 1000 万次 电寿命 AC 3 300 万次 操作频率 AC 3 1200 次 h 辅助触头约定发热电流 10A 辅助触头额定工作电流 AC 15 230V 5A 1 3 交流接触器的设计要求与结构确定 1 3 1 设计要求 a 灭弧性能好 分断电流时燃弧时间短 过电压低 喷弧距离小 b 触头材料具有良好的导电 导热性能 耐腐蚀 抗熔焊性能好 以降低触头的温升 和提高电寿命 同时要求触头材料的工艺性好 价格低廉 c 结构设计合理 机构寿命高 并具有足够的承受短时耐受电流的能力 1 3 2 总体结构方案确定 在给定的技术指标的基础下 初步确定 40A 三极交流接触器采用双断点桥式触头 直动式磁系统 各零件均安装在塑料外壳和铝合金底座上的整体式结构 辅助触头 主触头 电磁系统两层立体布置 结构紧凑 缩小安装面积 接触器的外壳由两段组 成 上段为热固性塑料压制的躯壳和耐高温的绝缘材料制成的外壳 外壳内安装三个 双向可控硅及控制电路 主触头设计成三腔可简化模具结构 并可满足控制三相四线 制电路及派生中间继电器的需要 辅助触头组件采用卡装式结构 配备二常开和二常 闭触头 下段为冷冲压成形的铝合金底座 固定电磁系统和缓冲装置 底部有卡轨安 装用的锁扣 可装于帽形标准安装轨上 安装拆卸十分方便 触头接线端子采用带瓦 形垫圈的不落自升式组合螺钉 接线方便 使用安全 交流接触器结构原理图如图 1 1 所示 交流接触器的优化设计 5 图 1 1 交流接触器结构原理图 交流接触器的优化设计 6 第 2 章 触头系统设计 2 1 确定触头结构形式 本次设计触头选取为双断点桥式结构 采用强磁吹回路 其优点是闭合中冲击能 量小 灭弧效果好 40A 三极交流接触器的触头系统由桥形 动 触头 接触板 静触头 触头弹簧 触头 触头支持件等主要零件组成 接触器触点结构如图 2 1 所示 图 2 1 接触器触点结构 2 2 主触头的设计 2 2 1 主触头的设计与计算 2 2 1 1 触头材料的确定 目前 交流接触器或继电器一般采用银基触头材料 因为它有很好的导电与导热 性能 并且耐电弧侵蚀和抗熔焊 但不同银基材料的材料转移性能不一样 英国西英 格兰大学H Nouri 等对不同的银基材料在交流AC 1使用类别 取电压240 V 频率 50 Hz 分断电流6 A的条件下进行定相分断试验 试验结果获得最小触头损耗的分闸 相角 对AgCdO 材料为 而对AgCu 则为 H Nouri的试验是在单相条件下135 45 进行的 对于实际的三相开关电路 每一相分断必须在各自指定的分闸相角 他还提 交流接触器的优化设计 7 出了一种用于控制三相开关的控制线路方案 我的设计主触头就选用了银基材料中的一种 AgSnO2 材料 选用 AgSnO2 触头 材料取代传统的 AgCdO 可使材料体积减少 25 并能保持同样的寿命 还可以大大简 化灭弧系统的设计 主静触头导电板选用导电性能好 抗拉强度较高的黄铜 并镀锡 3 6um 而辅助触头采用纯银材料 它具有良好的导电 导热性 接触电阻低而稳定 电磨损小而均匀 2 2 1 2 触头触桥的截面尺寸确定触头触桥的截面尺寸确定 查表 3 4 1 得黄铜 0 7 10 6欧 厘米 电阻温度系数 a 0 00151 1 0C B 级绝缘 材料的允许温升 900C 当介质温度取 400C 时 允许温度为 1300C 取散热系数 对于扁平铜母线 KT 6 10 10 4取 KT 6 10 4 w cm 0C 触桥为矩形截面 按公式 3 ab a b 2 1 T K Iea 2 1 2 0 901062 40 13000151 0 1 107 4 26 0 1239cm3 式中 a 厚度 b 宽度 允许温升 为额定电流Ie 取触桥厚度 a 2mm 则由公式 2 1 b 6 93mm 取 b 7mm 4 9 1232444 2 触桥截面积 S 2 7 14mm2 2 2 2 1 92 3 14 55 mmA S I J th 又有 J1在 3 6 6A mm2 范围取值 所以符合要求 2 2 1 3 主静触头导电板截面积的确定 考虑主动 静触头配合 取导电板的宽度为 20mm 查表 1 取接触板的电流密度 J2 2 7A mm2 而约定发热电流 55A 则接触板的截面积为 th I 2 3 2 2 1 37 20 7 2 55 mm j I S th 2 2 1 4 主触头尺寸的确定 按主静触头导电板及主动触桥尺寸 初定主触头截面尺寸 再计算主触头电磨损 体积 来确定触头厚度 由于触桥的宽度为 7mm 便于焊接 取主动触头直径为 6mm 则其电磨损体积的计算公式 1 如下 交流接触器的优化设计 8 Vc 2 4 e c k qN 0 式中 N 触头电寿命次数 300 104次 c 放电状态下单位电量所消耗的金属量系数 g c 由表 4 2 取 4 10 6 g c q0 在触头分段过程中 电路流过触头 c ke 金属体积的利用系数 ke 0 5 触头材料的密度 g cm3 对交流电路 q0 n 电弧燃烧半波数 取 1 nI 0 22 0 9 314 110022 查表 1 银 氧化锡密度 g c 10 1 cm3 Vc 1 105 0 9 010410300 64 2 14cm3 计算触头厚度 触头形状为圆柱体 直径 d 6mm 一个触头的磨损厚度计算公式 1 2 5 c c c 2 V h 2 S 4 2 14 2 3 14 0 6 3 78mm 一个触头的厚度 h 1 6 2 hc 取 h 1 8hc 6 8mm 2 2 1 5 主触头参数的确定 查表 1 16 12 主触头超程 2 4 4 5 mm 取 4mm 主触头开距 4 11 mm 取 7mm 为保证长期工作的可靠性 触头的初压力取得比较大 对于接触器等控制电器的 触头为了减少触头磨损保证接触可靠 单位额定电流的初压力范围是 F I 0 04 0 1 N A 取 F I 0 1N A 即可得触头初压力 F0 IN F I 40 0 1 4N 触头终压力按下式计算 FZ 1 15 1 5 F0取 FZ 1 5F0 6N 交流接触器的优化设计 9 2 2 2 主触头温升及热稳定性的验算 计算主触头接触电阻 2 6 98 6102 0 60 102 0 m z j j F K R 式中 Rj 接触电阻 Fz 接触压力 N m 系数 面接触 m 1 Kj 系数查资料 10 取 Kj 60 2 2 2 1 验算主触头温升值 a 导电板端部的稳定温升可按公式 1 计算 2 7 PSK I T wd 2 其中查表 8 可知 导电板电阻率 m 8 100 7 查表 3 可知 导电板表面的传热系数8w m2k T K 导电板横截面的周长 P 2 0 2 0 7 18mm 导电板的横截面积 S 2 03710 5 m2 故 2 72 10037 2 10188 100 755 53 82 2 PSK I T th wd b 触头与导电板连接面上的稳定温升可按下列公式进行计算 2 8 23 88 2 72 1039 5 350 1 2 72 350 1 3 wd j wdjd U 其中V 366 1039 5 10985510 jthj RIU c 触头接触点的稳定温升可按下列公式进行计算 2 9 35 88 100 74208 1039 5 23 88 8 8 23 2 j jdjm U 其中 导电板电阻率 m 8 100 7 触头材料的热导率420 W m 因为 T 90 故温升合格 jm 交流接触器的优化设计 10 2 2 2 2 校核主动触桥的热稳定性 当主动触桥通过产品技术条件规定的短时过载电流时 其温度应不超过材料的短 时允许发热温度 由 JB2455 85 查得其热稳定电流 I 8IN 320A 10S 则知道 V 266 10136 3 109840810 jRjR RIU 查表 10 4 4 查得 开始融化时的电压降 UJS 0 37V 因为 UjR UJS所以不会融焊 热稳定性 合格 2 2 2 3 校核主触头的动稳定性 查表 3 4 2 得 其压皱系数 500 102 N cm2 y 触头压皱面积计算公式 3 cm2 2 10 4 2 0 0 102 1 10500 6 y F S 触头接触点的电动斥力计算公式 3 2 11 0 27 ln102 S S IFch 7 4 6 23 10 102 1 10159 ln 108 0 2 0 015N 式中 为动稳定电流 AII e 3 108 020 作用在动触桥上有回路电动斥力 垂直布置导体电动力的计算公式 10 取触桥长度 L 为 4cm 回路导体距离为 2 12 40L6 s16 5mm 2 H 1 25 8 1 10 25 h 1 L 则有 2 2 13 C F S r hl r h II 7 21 21 10 2 7 22 10 25 404010 16 510 25 16 5 6 10 23 10N 总斥力计算公式 3 如下 0 0001023 0 015 0 0151023N 10N 2 14 chC FFF 0 F 交流接触器的优化设计 11 故满足触头动稳定性的要求 2 2 2 4 计算主动触头及触桥的质量与触头初压力的比值 应小于或接近千克 牛顿 以减少触头的震动 3 10 主动触头体积计算公式 1 2 15 223 3 14 36 8192 1 z Vr hmm 主动触头质量计算公式 1 Mz 0 1921 10 1 1 94g 2 16 触桥体积为 暂取触桥长度为 5cm 则取其一半为 2 5cm Vq 2 5 0 2 0 7 0 35 3 cm 查表 3 取黄铜 8 5g 3 cm 固其质量为 m 8 5 0 35 2 975g 总质量为 M 1 94 2 975 4 915g 初压力为 F I 40 0 1 4N 0 F e I 得 M F 比值 2 17 3 M F4 915 10 2 40 614kg N 小于千克 牛顿 故振动小满足要求 3 10 2 3 辅助触头的设计与计算 辅助触头基本参数 2 动合 2 动断 额定绝缘电压 660V 约定发热电流为 10A 额定工作电流为 10A 取辅助触头材料为纯银 触桥及导电板的材料仍取黄铜 2 3 1 触桥尺寸的确定 如公式 2 1 ab a b T e k Ia 2 1 2 0 901062 10 1300015 0 1 107 4 26 0 007745cm3 取触桥厚度为 1mm 取触桥宽度为 9mm 银触头选用圆柱形 直径 8mm 确定导电板形状 取导电板 宽度为 9mm 接触板电流密度为 1 5A mm 则其厚度 I 10 1 5 9 1mm 2 18 h b j 故导电板厚度为 1mm 2 3 2 计算辅助触头厚度 电磨损体积如公式 2 4 交流接触器的优化设计 12 Vc e c k qN 0 式中 N 300 104次 c 查表 1 4 2 取 3 6 10 6 g c ke ke 0 5 对交流电路 n 电弧燃烧半波数 取 1 q0 0 09 c 2 19 nI 0 22 314 11022 查表 1 纯银密度 10 5 g cm3 Vc 0 185cm3 5 105 0 09 0 106 310300 64 计算辅助触头厚度 触头形状为圆柱体 直径 d 4mm 一个触头的磨损厚度 2 20 c c c 2 V h 2 S 4 0 185 2 3 14 0 4 0 74mm 由触头厚度计算公式 1 h 1 6 2 hc 取辅助触头厚度 h 1 6 hc 1 6 0 74 1 18mm 初压力 单位电流的触头初压力 Fd 0 1N A 则一个触头的初压力 Fcc Ie Fd 1 1N 终压力 Fz 1 2Fcc 1 2 1 1 1 32N 开距 查表 1 16 9 取3 5mm 超程 查表 1 16 9 取 r 2mm 2 3 3 验算辅助触头温升及动热稳定性 如公式 2 7 Rj cc j F a K 102 0 3 2 1 1 1102 0 3 130004 0 2 1 00006 0 72 01 触桥周长 P 0 1 0 9 2 2cm 交流接触器的优化设计 13 触桥发热温升 t1 2 21 PSK Ia T 2 0 1 09 0 2 0106 10 1300015 0 1 107 4 26 77 450C 符合绝缘耐热等级要求 级绝缘材料的允许温升 900C 辅助触头的截面积为 S 3 14 d 2 2 0 52cm2 周长为 P 3 14 d 2 51cm 查表 3 得 电阻系数 0 1 5 10 6欧 厘米 导热系数 4 2w cm0C 由触头接触电阻 和电流线集中所引起的发热温升为 t2 2 22 0 2 2 2 82 IR SK IR j T j 6 225 4 25 105 12 48 10 1001 72 52 0 51 2 1062 42 101001 72 0 6278 1 0288 1 65660C 触头接触处总温升 t t1 t2 77 45 1 6566 79 1066 900C 辅助触头温升合格 2 3 4 动稳定性的校核 查表 3 4 2 得银的压皱系数 y 303 102 触头压皱面积 S0 F0 y 1 1 303 102 0 373 10 4cm2 动稳定电流为 30 Ie 30 10 3 102A 触头接触点的电动斥力 Fch 2 23 7 0 2 10ln2 S S I 7 4 22 10 10373 0 52 0 ln 103 2 0 1717N 小于 1 1N 故动稳定性合格 作用在动触桥上尚有回路电动斥力 按垂直布置导体电动力的计算公式 3 取触桥长 度为 3 6cm 回路导体距离 s 1 35cm 2 24 36L8 2 H 0 5 3 0 5 4mm l1 h 2 25 Fc 2 26 S r hl r h II 7 21 21 10 交流接触器的优化设计 14 35 1 10 35 1 4 1010 7 0 0000255 故其总斥力 F Fch Fc 0 171 0 0000255 0 1710255N 1 1N Fo 2 27 满足触头动稳定性的要求 2 3 5 计算 m Fcc 值 取触桥长度为 3 6cm 截面积 S 0 1 0 9 0 09cm2 触桥质量 8 5 0 09 3 6 2 75g 2 28 q msl 辅助触头为纯银 比重 10 5g cm3 厚度 h 0 15cm Ag 质量 sh 10 5 0 52 0 15 0 819g 2 29 c m Ag 故辅助触头的总质量为 2 0 819 2 75 2 2 189g 2 30 zcq mmm 所以得 m Fcc 2 1 1 0 995 10 3kg N z m 小于并接近 1 10 3 kg N 所以振动小 满足要求 交流接触器的优化设计 15 第 3 章 灭弧系统设计 3 1 接触器的熄弧原理及方法 3 1 1 熄弧原理 在交流接触器中触头刚分开时在气隙间形成高电场场将电子从阴极表面拉出 导致 气体游离 从而产生电弧 交流电弧的熄灭存在两种理论 即弧隙介质强度恢复理论及弧隙能量平衡原理 前 者是斯列宾提出来的 认为电弧的重燃是由于外加电场将间隙击穿的结果 斯列宾提 出弧隙介质强度恢复理论 从电流过零时刻开始 一方面弧隙上的电压从熄弧电压上开 始上升 要恢复到电源电压 另一方面在电流过零时弧隙有一定的介质强度 并随着 去游离程度而不断上升 电弧的熄灭或重燃就决定于这两个过程的 竞赛 结果 因 此 交流电弧的熄灭条件可概述为二电流过零后 弧隙介质强度在任何时刻始终高于 弧隙上的恢复电压 弧隙能量平衡理论是克西提出来的 认为电弧重燃不是电流过零 后简单的电压击穿 而是电路及弧隙之间能量平衡的结果 因此电弧熄灭的条件是 弧隙的输入能量小于弧隙的散出能量 弧隙电阻的变化决定于电弧能量输入与散出的 对比 随着能量散出的增加 电弧温度的下降 弧隙电阻增加 电弧熄灭 简单看有 下列原理 1 依靠触头的分开 在交流电流自然过零时灭弧 2 利用导体回路电动力或磁吹 使电弧迅速移动和拉长 3 采用金属栅片造成许多串联短弧 4 将电弧驱入多纵缝而使其撕裂并冷却电弧 5 在真空中开断触头 利用弧隙中由电极金属蒸汽形成的弧柱 在电流过 零时迅速扩散的原理进行灭弧 6 利用石英砂等固体颗粒介质 限制电弧直径的扩展和加强冷却 7 在封闭弧室中 利用电弧自身能量分解固体材料 8 在弧隙两端并联电阻 9 实行同步开断 10 用半导体器件实行无弧转换 3 1 2 熄弧方法 灭弧室由上述一种原理进行灭弧 但多数情况下是综合采用几种原理 以增大熄 弧效果 根据斯列宾理论 一般采取的熄弧的方法如下 交流接触器的优化设计 16 拉长电弧 如在大气中分开触头将电弧拉长 使电弧冷却而熄灭 或者利用导电 回路的磁场产生的电动力拉长电弧 或者利用磁吹线圈产生的磁场 使电弧受电动力 而被拉长 纵缝灭弧 利用磁吹线圈将电弧吹入用耐弧绝缘材料 耐弧塑料或陶瓷 制成的 具有纵向缝隙的灭弧室中 纵缝与电弧接触具有冷却作用并可以产生表面复合作用 金属栅片 去离子栅 灭弧 利用栅片 铁板镀锌 对电弧的吸引作用及磁吹线 圈的作用将电弧引入栅片中 栅片将电弧分割成许多串联的短弧 3 2 接触器的灭弧常用装置及材料 交流接触器的常用灭弧装置有以下几种 1 绝缘材料灭弧罩 2 多纵缝灭弧室 3 栅片灭弧室 4 联磁吹和绝缘材料灭弧室 5 真空灭弧室 灭弧室的材料有 灭弧室材料主要有石棉水泥 陶瓷 耐弧塑料 红钢纸管等 陶瓷灭弧室用的很 多 如接触器和空气开关的灭弧室 很多均采用陶土制造 而熔断器的灭弧室则采用 电磁制造 无填料熔断器则用反白纸管制成 陶瓷件虽然为较理想的灭弧室材料 当 前由于制造工艺落后 研究工作做得不多 尺寸公差变化大 形位公差控制不住 加 上包装运输不当 在产品到达用户时 破损很大 多它的使用产生了一定的影响 陶 土灭弧室有冷压和热压二种 热压的生产效率高 模具寿命长 尺寸 形状易保证 公差尺寸也比较稳定 但在电寿命试验中哟起层剥落和磨损现象 冷压的则相反 模 具易磨损 尺寸公差不易达到 但耐电弧寿命长 作为熔管的电瓷件则要解决低倍数 过载时的热膨胀问题 近年来 耐弧塑料获得了广泛的应用 在引进产品中 接触器和自动开关的灭弧 室均采用耐弧塑料 它的优点是工艺性较好 尺寸公差能保证 有一定的耐电磨损性 强度好 不易破裂 外形美观 3 3 触头灭弧系统的结构形式及尺寸 根据本次设计要求 我选择多纵缝栅灭弧装置 设计要求电流不是很高 磁滞和 涡流引起的损耗小 灭弧的综合性能优良 在我国自行设计的交流接触器中 我们应 交流接触器的优化设计 17 用这一原理并设计成多纵缝型式 电弧在回路电动力作用下 被迅速拉长和进入纵缝 中 电弧被分成多条细弧 并且迅速冷却而熄灭 用于操作频繁和额定电流较大的接 触器 灭弧能力较强 缝宽达到 3mm 左右 这主要有陶土压铸工艺决定 为了方便电 弧驱入多纵缝内 设计时尽可能利用触头导体的回路电动力和产生电弧时的气功力 使电弧冲向弧室外的出气口 同时设计合适的弧室形状和齿形 构成电弧纵缝的绝 缘板 尽可能便于电弧进入多纵缝内 合适的缝数 齿形 出气口的大小 往往要通 过试验来决定 目前的试验结果证实 多纵缝灭弧室很适合于额定电压为 660V 及以下 的交流接触器中 并可代替栅片灭弧室 其性能也十分接近 但工艺简单得多 零件 数少 成本低 弧室的耐电磨损性能好 参照国内外同类型的产品 可初步采用缝数 为 4 缝宽为 3mm 栅片厚度为 3mm 的灭弧罩进行灭弧 3 3 1 主触头灭弧系统的结构形式及尺寸 验算主触头灭弧系统性能 在不大于 0 1s 时间内可靠灭弧 采用多断口灭弧 1 接触器的分断条件为 I 8 Ie 320A U 1 1Ue 1 1 380 418V cos o 0 35 分断回路的固有振荡频率计算公式 3 fo 2000 I0 2 Ue 0 8 3 1 2000 3200 2 380 0 8 54 7kHz 2 对于三相线路的回路系数取 Khv 1 5 3 分断回路的电感按下式 3 计算 3 2 0 2 0 2 XLZsin 1 cos 4181 0 352 320 314 0 0038H U I 4 系数 KH的计算公式 3 KH 3 3 0 cos19 0 hv K 35 0 15 19 0 1 088 5 弧运动速度计算公式 3 Vh 3 4 2 1 12 2 h i 交流接触器的优化设计 18 2 12 320 0 5 1 2 959 4cm s 6 电弧长度计算公式 3 取触头分开速度 80cm s 根据同类型产品统计数据 熄灭时间为半个波 t 0 01s 3 5 22 h0 22 l9 0 01809 959 4 28 79cm ch tVV 7 纵缝灭弧室中交流电弧的等值电阻计算公式 3 3 6 h0 2 2 14200 R 0 015s 14200 0 015 320 0 1388 cm I s 8 当恢复电压为非周期过程时 电器必须的分断断口数 ndu计算公式 3 其中由表 3 4 16 查的电源频率 50Hz 时 银触头的修正系数 c 2 由图 3 4 38 查得系 数 M0 200 10 6H us 由图 3 4 39 取 Ujf0 80V Kjf 1 6 3 7 0 0 dv 00 6 6 1 ln n 0 34 1 088 418 8 10 2 1 6 0 00156 1 ln 2 1 6 0 00156 1 088 418 200 10 800 34 1 088 28 79 0 1388 320 0 79 N cjf cjf N jfN hh K UM K L K L K U M UK l R I 桥式触头为双断点 ndv 2 远大于要求 所以能可靠熄弧 9 检查恢复电压振荡过程转变为非周期过程的条件 其判断公式 3 如下 f0 3 8 L nM dv 14 3 106 0 54700 2054 54Hz 00156 0 14 3 102108 66 满足上述条件 因而恢复电压为非周期过程 3 3 2 辅助触头系统灭弧方法 由于辅助触头设计的接触容量较小 利用双断点触头在交流电流自然过零时的近 阴极效应 即可保证电弧顺利熄灭 在电流第一次过零顺利熄灭电弧而不重燃 触头 交流接触器的优化设计 19 回路不需要强磁吹 过大的磁吹力不利于分断时金属蒸汽重新回到触头表面 而且会 增加飞弧距离 造成重任务条件下触头材料和喷溅磨损 第 4 章 电磁系统设计 4 1 电磁系统简介 电磁系统是由磁系统 主要由两个相对运动的铁心及气隙等组成的 具有闭合磁路 的电器组件 和线圈组成 用以进行电磁转换的电器组件或部件 电器的电磁系统主要 是借线圈激磁使磁系统磁化 产生电磁吸力吸引衔铁 使之运动作机械功 从而达到 某些预定目的 通过线圈从电源吸取能量 并借衔铁的运动输出机械功 是电磁系统 进行能量转换的一个方面 通过线圈输入电磁信号 并借衔铁的机械运动输出指令 是电磁系统实行控制作用的又一个方面 它既可以单独成为一类电器 诸如用作牵引 电磁铁 制动电磁铁 起重电磁铁和电磁离合器及电磁吸盘等 它亦可作为电器的组 件或部件 例如用作电磁接触器 电磁式继电器 电磁式脱扣器等的感测部件 以及 电磁操作机构的执行部件 4 1 1 电磁系统的种类以及结构形式和基本特性 电磁系统种类很多 按线圈激磁电流的种类区分有直流电磁系统 单相交流电磁 系统 三相交流电磁系统 极化电磁系统以及交直流同时磁化的电磁系统 按线圈的 连接方式区分有并激电磁系统和串激电磁系统 按衔铁与线圈的相对位置区分有衔铁 穿入线圈内腔的内衔铁式电磁系统和衔铁在线圈外运动的外衔铁式电磁系统 按外观 形状区分有形电磁系统 螺管式电磁系统和拍合式电磁系统等 E 电磁系统的结构从衔铁运动方式区分有直动式和转动式结构 总之 电磁系统的 结构形式很多 且不同形式的具有不同的特性 所以在设计时要根据具体电器的反力 特性及对吸力特性与反力特性配合的要求 确定电磁系统的结构形式 电磁系统的基本特性包括吸力特性 反力特性 输入 输出特征及时间特性 电磁系统既然是一种依靠电磁吸力使衔铁产生机械位移而输出机械功的电工装置 驱 动衔铁运动的电磁吸力和衔铁的机械行程自然就是它的基本参数 这两个参数在 x F 一定条件下呈现的关系 也就成了电磁系统的基本特征 这个特征表征了电磁 x F f 系统带动负载的吸引能力 所以习惯上被称为吸力特性 电磁系统的衔铁在运动过程 中要克服机械负载的作用力做功 可以说 电磁系统的主要任务就是克服这种反作用 力 因此 机械负载性质的反作用力与衔铁行程之间的关系 反力特性 f F f F 为了保证电磁系统能可靠地工作 在衔铁的吸合过程中 在动作电流或电压下的吸力 交流接触器的优化设计 20 特性通常应高于反力特性 反之 在衔铁的释放过程中 反力特性应高于在释放电流 或电压下的吸力特性 或零电流及零电压下剩磁产生的吸力特性 4 2 电磁系统设计与计算电磁系统设计与计算 4 2 1 计算电磁系统反力 按主触头参数确定衔铁释放位置的工作气隙值 衔铁行程 主触头系统 开距为 7mm 超程为 4mm 则主触头行程为 4 7 11mm 即衔铁行程为 11mm 确定衔铁释放位置的初始反力及释放弹簧力 a 确定初始反力 按衔铁释放终了时 衔铁与停挡相碰撞的弹回距离 应小于接触 器常闭辅助触头的超程 磨损后 来确定初始反力 主触头弹簧初压力定为 16N 终压力为 20N 超程为 ch 3mm 三对主触头初压力 产生的反力 Ffcc 3 16N 48N 终压力产生的反力 Ffzc 3 20N 60N 参考同类型接触器产品 确定辅助触头的超程为 2mm 初压力为 1 1 2 2 2N 终压力为 1 32 2 2 64N 故 Ffcb 2 2 2 4 4N Ffzb 2 2 64 5 28N 考虑常闭辅助触头磨损为 0 74mm 计及一定裕度 取允许弹回距离 y 0 6mm 取弹 性恢复系数 e 0 14 初始反力计算公式 14 Ffc 4 1 y y fzh y ch fzcfcc e FFFe 2 2 1 2 2 2 311 0 14 4860 5 28 20 60 6 11 10 14 0 6 11 3N 交流接触器的优化设计 21 b 释放弹簧力 释放位置弹簧力 初始反力 常闭触头终压力 Ffcs Ffc Ffzb 11 3 5 28 16 58N 4 2 吸合位置的弹簧力 参考现有产品 取释放弹簧钢度 C 0 5N mm Ffzc Ffcs c 16 58 0 5 11 22 01N 4 3 吸合位置电磁铁反力 Fb Ffzc Ffzb 22 01 60 82 01N 4 4 释放位置电磁铁反力 Ff Ffzc 16 58N 4 5 4 2 2 电磁系统的结构形式的确定 电磁系统结构形式很多 交流电磁系统的结构型式 对于小容量多采用直动式 直动式电磁系统 常用的可分为六类 分别为 单 U 型 双 U 型 单 E 型 双 E 型 T 型 螺管式 由于前面设计中绘制的反力特性曲线较陡峭 故在本设计中采用单 U 或 E 型电 磁铁 再比较 U 型更利于寿命提高 而 E 型会因极面磨损去磁气隙不断减小而影响 电磁铁的寿命 但 U 型固定不方便 故采用两个浅串联并固定成一整体式 E 型可采 用在中柱底部增加一个非磁性垫片 产生固定去磁气隙 从而使寿命不受极面磨损影 响 单 U 或单 E 型都适于吸力特性较陡峭的情况 在本设计中通过计算机优化设计 比较单 U 及单 E 型电磁铁 从理论上讲 单 U 型比双 E 型的吸力特性陡峭 与反力特 性的配合单 U 型好些 本次接触器设计要求容量不大 考虑结构力求简单经济性好等 因素 选择单 U 型直动式电磁铁 4 2 3 电磁铁的主要技术参数和计算 主触头参数 a 开距 1 7mm b 超程 1 4mm c 初压力 F01 4N d 终压力 Fz1 6N e 触头数 n1 6 辅助触头参数 a 开距 2 3 5mm b 超程 2 2mm c 初压力 F02 1 1N d 终压力 Fz2 1 32N 交流接触器的优化设计 22 f 触头数 常闭触头 n2 4 常开触头 n3 4 释放弹簧参数 a 初始弹簧力 Fs0 Ffcs 16 58N b 弹簧钢度 0 5N mm 线圈