交流接触器电磁铁优化设计.doc

电磁铁的优化设计和计算1、 主要技术参数：1.1、主触头参数：a) 开距 1=6mmb) 超程 1=3mmc) 初压力 F01=8Nd) 终压力 Fz1=10Ne) 触头数 n1=61.2、辅助触头参数：a) 开距 2=4mmb) 超程 2=2mmc) 初压力 F02=1.1Nd) 终压力 Fz2=1.32Nf) 触头数 常闭触头n2=4 ;常开触头n3=41.3、释放弹簧参数：a) 初始弹簧力 Fs0= Ffcs=14.58Nb) 弹簧钢度 0.5N/mm1.4、线圈电压及允许电压波动范围a) 线圈额定电压 UN=220vb) 电压允许波动范围 0.85*UN=187v1.5、线圈耐热等级和允许温升a) 耐热等级 B级b) 允许温升 70oC1.6、工作制形式：长期工作制。2、 交流电磁铁反力特性计算；2.1、电磁铁工作气隙值计算；a) 衔铁释放位置 a=1+1=2+2b) 常闭辅助触头刚刚分开位置 b=a-2c) 主触头刚刚接触位置 c=1d) 常开辅助触头刚刚接触位置 d=2e) 衔铁闭合位置 e=0.040.052.2、电磁铁各位置反力计算：a)、释放弹簧反力Ff1Ff1a=Fs0Ff1e=Fs0+C(a -e)b)、常闭辅助触头的反力Ff2Ff2a=-n3Fz2Ff2b=-n3F02c)、主触头的反力Ff3Ff3c=n1F01Ff3e=n1Fz1d)、常开辅助触头反力Ff4Ff4d=n2F02Ff4e=n2Fz22.3、衔铁各位置反力:Ff1dFfa1=Ff1a+Ff2a=14.58-5.28=9.3NFfb1= Ff1b+Ff2b =15.58-4.4=11.48NFfb2= Ff1b =15.58NFfc1= Ffc=17.58NFfc2= Ff1c+Ff3c =65.58NFfd1= Ff3d+Ff1d =70.15Ffd2= Ffd1+Ff1d =74.55NFfe= Ff1e+Ff3e+Ff4e=19.08+60+5.28=84.36N根据以上各值画出反力特性曲线：2.4、确定电磁系统的设计点及设计点吸力和工作气隙值。取F的最大值:Ffa1a=9.39=83.7 Ffb2b=15.587=109.06Ffc2c=65.583=196.74 Ffd2d=74.552=149.1Ffee=84.360.05=4.218得吸力特性的设计点取主触头刚接触处的开距=3mm,吸力Ff0=65.58N考虑裕度Ko=1.2,则设计点的要求电磁吸力为： Fo=KoFf0=1.265.58=78.696N 工作气隙值=3mm3、 电磁铁的初步设计：3.1、决定铁心的尺寸：a)、决定铁心的截面积Sc：线圈电压下限时工作气隙磁通密度： Bm=0.718U1-线圈电压下限值（V）,一般U1=0.85UN;Bcm-额定电压时铁心磁通密度，1.1-1.7T取：1.2TKN-线圈反电动势E与UN的比值，设计点在主触头刚接触位置，取0.94-0.99,取：0.95=(1.1-2)设计点漏磁系数，设计点在主触头刚接触位置，取=1.35真空导磁率0=410-7=1.25710-6 (H/m)Sc= =3.83810-4 m2 b)、确定铁心截面边长：(取=a/b=1；叠片系数Kc=0.9-0.95)a=20.314mm 取：a=20 mm则：b=a=20 mm3.2、计算线圈匝数N: N= = 2108.65匝 取2108匝 3.3、初算线圈磁势并确定线圈尺寸： a)、线圈磁势 ：非工作气隙f=0.210-3 mIN=； K15=(1.652.5)取2=+= =9.64910-6f=2.41210-6=1.60810-6IN= =405.328b)、线圈高度：查电器学线圈厚度比值n=0.50.8 取n=0.6表6-5得：线圈导线的电阻率110=2.37*10-8 m表6-3得：线圈表面综合散热系数KT =10.99 W/m2Kktc -线圈填充系数，初步设计可取ktc = 0.5查电器学图6-25选D21-0.5曲线pc=3.8 W/kgKc= pca2Fe=3.810.02027.8103=11.856 w/m 得线圈高度: h=26.633mm 取h=26mmc)、计算线圈厚度：=na=0.6*20=12mm d)、计算线径： d= 低压电器及其测试技术式（8-30）=0.307mm 取d=0.31mm3.4、分磁环设计：由于极面积较大Sc=3.83810-4m2;采用极面有两个槽的方式，被分磁环包围的极面积为S2;未被包围的为S1。取分磁环槽宽t=(24)mm；取2mm; 由低压电器及其测试技术式（8-72）r2=0.7-0.85取0.8 则：r1=0.2S1+S2=(a-2t)b=(20-2*2) 20=320mm2S1=1(S1+S2)=0.2320=64mm2S2=2(S1+S2)=0.8320=256mm2分磁环的平均长度按下式计算： lk=71.88mm分磁环的电阻可按下式计算：（选分磁环材料为紫铜） rk=7.35510-4-磁通的角频率（rad/s）;0-真空导磁率（H/m）;1.25710-62-分磁环内工作气隙，（0.040.05）10-3m-分磁环内、外磁通相位差角，一般为（600-800）取700分磁环的截面积按下面公式计算: Sk=klk/rk=2.5810-871.8810-3/7.35510-4=2.521410-6m2 bk= Sk /t=2.521410-6/210-3=1.26mm 取bk =1mm3.5、确定其他结构尺寸，并画出电磁铁草图。a)、线圈的内孔尺寸A、Bc1= (0.5-1)mm取0.5mm c2=c1 + t=(0-5)mm A1=a+2c1=20+20.5=21mm,B1=b+2c2=20+22=24mm b)、线圈外形尺寸 A2=A1+2=21+212=45mm,B2=B1+2=24+212=48mm c)、衔铁截面积：Sx=Kxab=12020=400mm2 Kx=(0.8-1) Ke 1 d)、铁轭截面积：Se=Keab=12020=400mm2 e)、铁芯长度：li=h+bk=26+1=27mm f)、衔铁长度：l=2a+c1+c3=220+12+0.5+5=57.5mm g)、电磁铁高度：h=220+27=67mm f)、草图:4、 性能验算：4.1、线圈冷电阻（200C） 查表铜200C =1.7510-8m 线圈的平均匝长：lpj=2(A1+B1)+=2(21+24)+3.1412=127.68mm R200C=（铜200C lpj N）/S=62.4364.2、线圈热电阻：（1100C） R1100C= R200C 1100C/200C=62.4362.37/1.75=84.556 3)、衔铁闭合位置工作气隙磁通计算： EUN , 漏磁系数1 m=E/(4.44fN)=220/(4.44502108)=4.710-4wb 4.3、衔铁闭合位置线圈电流计算：a)、工作气隙磁化电流I =0abkc/2e=4.67610-6 I=m /(21/2N)=4.710-4/(1.41421084.67610-6)=0.0337A b）、非工作气隙磁化电流Iff=0abkc/f=(1.25710-620200.9310-6)/(0.2*10-3)=2.33810-6 If=m /(21/2Nf)=4.710-4/(1.41421082.33810-6)=0.0674Ac)、导磁体磁化电流：Im=H l /N 衔铁磁压降H1 l 1 B1=m /axbxkc=4.710-4/(202010-60.93)=1.263 T 采用D23-0.5冷轧硅钢片： 查电路与磁路P116表9-1续表三得：H1=786A/m衔铁的磁压降：H1 l1l 1=a+C1+C3=20+12+0.5+5=37.5mm静铁心磁压降：H2 l 2B2=B1, H2=H1 l 2= li=27mm铁轭磁压降H3l 3 B3=B2=B1 ; H3=H2=H1=786A/m l 3= l 1+ l i=57.5+27=84.5mm总磁压降为：H l= H1 l 1+ H2 l 2+ H3l 3=786(37.5+27+84.5) =11711410-3 Im=H l /N=11711410-3/2108=0.0556Ad)、导磁体损耗规划电流IPV1=axbx(l 1+a)=2020(57.5+20)=3.110-5 V2=ab l 1+ aebe(l i+ l 1+a)=202027+2020(27+57.5+20)=10800+41800=5.2610-5衔铁损耗：pC1=3.8 W/kgPFe1= PC1V1=3.878003.1*10-5=0.9188w静铁心损耗：PFe2= Pc2V2=3.878005.2610-5=1.559w则： Ip=PFe /UN=(0.9188+1.559)/220=11.26310-3 Ae)、分磁环规划电流Id Ed=4.44fNkm2=4.445014.710-40.8=0.0834 v Id= 2Ed2 /(UNrk)=20.08342/(2207.35510-4) =0.086 Af)、计算线圈电流I 磁化电流：Ir=I+If+Im=0.0337+0.0674+0.0556 =0.157A 损耗电流：Ia=Ip+Id=0.0112+0.086=0.097A I=0.1845A 1=arctg= arctg0.6178=31.70 U2=E2+I2R2+2E(IR)sin12202=E2+0.157284.5562+2(0.15784.556) 0.525E得：E2+9.85E-48223.77=0 E=214.729V故m1=3.410-4 =2.29%3%（要求计算前后两次磁通近似值之差与前次磁通近似值之比，应小于给定的误差值3%） 故满足条件4.4、线圈发热功率P P=I2R1100C=0.157284.556=2.09w4.5、线圈温升计算： a)、线圈包围部分铁心损耗PFe3 PC3=PC2=3.8w/kg PFe3=abkchFe PC3=202010-60.930.02678003.8=0.287w b)、线圈外表面散热面积S:S=(2A1+2B1+2pi) h=(221+2*24+23.1412 ) 26=4.29910-3m2 c)、计算线圈稳定温升：w （长期工作制线圈的功率过载系数：kp2=1） w=(P+ PFe3)/(kp2KTS)=(2.09+0.287)/(110.994.29910-3)=670C700C 温升合格4.6、衔铁在设计点的气隙磁导计算：a)、工作气隙磁导 （因0/a0.2,/b0.2,故用解析法计算） 一个磁极的磁导: =1.55910-7H b)、非工作气隙磁导f（因0/a0.2,/b65.58N4.12、在衔铁闭合位置取最小吸力Fmina)、工作气隙磁通：m=3.9110-4wbb)、计算分磁环内外相位差角： Sk=tbk=21=2mm2 rk=9.27310-4 tg= =2.179 因此：=65.350c)、求1m及2mR1=6.22105R2=1.55105Xk=3.386105m2=1m2+2m2+21m2mcos(1mR1)2=(2mR2)2+(2mXk)2(1m6.22)2=(2m1.55)2+(2m3.386)21m=1m=0.5992m(3.9110-4)2=(.5992m)2+2m2+20.5992m2cos65.3515.2910-8 =1.8582m22m=2.8710-4Wb 1m=1.7210-4Wbd)、计算平均吸力Fpj1和Fpj1Fpj1=91.9NFpj2=63.99Ne)、计算衔铁闭合位置最小吸力：i)一个工作气隙的最小吸力：Fmin=FPj1+FPj2-=91.9+63.99-=155.89-69.8=86.099 ii)两个工作气隙的最小吸力： Fmin=2 Fmin=172.2Ff0=78.696N 所以：最小吸力合格5、计算电磁铁材料重量及经济重量：a)、铜重：m1=0.181kgb)、铁重：V1+V2+V3=57.5202+(57.5202+27202)+27202 =6.7610-5m2=(V1+V2+V3)Fe=6.7610-57.8103 =0.5273kg因此：M=0.6kg6、经济重量计算：M= M /0.9(f00)=0.6/0.90.19674=3.389 符合要求7、误差分析（手算结果与机算结果的比较）：7.1、手算=500C；机算=66.220C 手算稍小 影响的因素主要有Bcm、TD%、KTBcm TD% =KT =7.2、手算Fmin=172.2N; 机算Fmin=172.484N 手算偏小 主要与相位差角r2有关r2，S2,tg, ,Fmin其次与rk有关，rk与Pk有关Pk，rk，tg, , Fmin 7.3、手算M=3.839;机算M=3.998439 手算稍小主要影响因素有：d、N、a、b、C1、C2dNA MbC1 C2 , V,M由于手算时，对所有的计算数据进行了四舍五入，保留小数点后面1-3位，又因为人为的误差，导致最后的手算结果与实际有一定的差距，而采用计算机程序优化设计，只要程序正确，算出的结果还是很准确的。所以在设计中，手算过程只作电磁铁设计计算过程及各参数之间的关系，设计的结果还是采用程序优化设计所的出的结果。8、提高接触器寿命采取的措施：提高接触器也是接触器优秀的一个重要标准，为提高接触器寿命，在本设计中采取以下措施。8.1、提高接触器的机械寿命：8.1.1、采用缓冲装置：在接触器的电磁系统及停档上，一般均装有缓冲装置，以吸收运动部分的碰撞能量，减小衔铁的弹距，避免触头发生二次跳动及减小碰撞应力，提高使用寿命；8.1.2、合理地选择吸力特性及反力特性的配合，在保证可靠吸合的前提下，使碰撞能量为最小，在本设计中通