CJ12,4003交流接触器电磁系统设计要点

1、1概述接触器是一种通用性很强的自动式开关电器，是电力拖动和自动控制系统中一种重要 的低压电器。它可以频繁地接通和断开交、直流主电路和大容量控制电路。它具有欠压释 放保护和零压保护接触器按通过其触点的电流种类不同可分为交流接触器和直流接触器。当交流接触器的电磁线圈接通电源时，线圈电流产生磁场，使静铁心产生足以克服弹 簧反作用力的吸力，将动铁心向下吸合，使常开主触头和常开辅助触头闭合，常闭辅助触 头断开。主触头将主电路接通，辅助触头则接通或分断与之相联的控制电路。当接触器线 圈断电时，静铁心吸力消失，动铁心在反作用弹簧力的作用下复位，各触头也随之复位.交流接触器的铁心和衔铁由U型硅钢片叠压而成，防

2、止涡流和过热，铁心上还装有短 路环防止震动和噪音。接触器的触点分主触点和辅助触点，主触点通常有三对，用于通断 主电路，辅助触点通常有两开两闭，用在控制电路中起电气自锁和互锁等作用。当接触器 的动静触点分开时，会产生空气放电，即“电弧”，由于电弧的温度高达3000c或更高，会导致触点被严重烧灼，缩短了电器的寿命，给电气设备的运行安全和人身安全等都造成 了极大的威胁，因此，我们必须采取有效方法，尽可能消灭电弧。CJ12-400/3系列交流接触器主要用于冶金。 轧钢等企业及起重机等电气设备中。 它使 用于交流50Hz=额定工彳电压至380V。电流至600A的电力系统中,供远距离接通和分断 电路之用，

3、并适宜于频繁地起动。分断交流电动机之用。使用环境条件：安装地点的海拔不超过 2000m周围空气温度：-5C-+40C, 24小 时的平均值不超过+ 35Co大气相对湿度在周围空气温度为+ 40c时不超过50%,在较低 的温度下可允许有较高相对湿度；安装类别为：田类。污染等级： 3级。安装条件：安装 面与垂直面倾斜度不大于土 5° :冲击振动：产品应安装和使用在无显著摇动、冲击和振 动的地方。结构特点：CJ12系统交流接触器为开启式，其结构为条架平面布置电磁系统居右，主 触头居中，辅助触头居左，并装有可转动的停档，整个布置便于监视和维修。接触器的磁 系统由“U'型动静铁心及线圈

4、组成，动静铁心均装有缓冲装置，从而提高了产品寿命。2产品的反力特性吸力特性和反力特性的合理配合可以提高接触器的寿命。接触器的动作电压为85%110%N。接触器电磁铁的反力特性是指反力 F对电磁铁衔铁行程 小的关系。即F=f（小）, 其中电磁铁的反力有释放弹簧力，触头弹簧力，以及运动的重力组成，又因为运动部分的重 力与反力相比，相对比较小，可以忽略，忽略重力可使设计过程得到简化，而且不会影响到 接触器的基本特性。2.1 选取触头参数主触头的开距为1316 mm,取开距为12 mm,超程为7.59 mm,取为8 mm,所以 主触头的行程为 X=12+8=20 mm。辅助触头开距为712 mm,取为

5、9 mm,超程为34.8 mm,取为4 mm,所以辅助触 头的总行程为9+4=13 mm。2.2 主触头的反力为了出头系统吸合可靠，取靠近上线的反力数值初压力为（5.47.5） kg, 取FC1=7 kg终压力为（8.110） kg ,Fc2=9 kg主触头为三级，主触头初压力为 Ffcc终压力为Ffzc,所以Ffcc=3XFc1=21 kg, Ffzc=3><Fzc=27 kg2.3 辅助触头的反力此反力和主触头反力存在在杠杆比，需要归算到终接触线处，杠杆比：K=f/d=0.385Ffcd =3"/=0.231 kgFfzb=3xFzb =0.347 kg其中Fcb,F

6、zb分别取辅助触头处压力和终压力范围下限Ffcb=0.2, Ffzb=0.3o2.4 释放弹簧的反力因为反力和触头反力存在杠杆比，归算杠杆比： K=e/d=0.346释放弹簧的收缩距离：*=主触头的总行程Xk=kXX=6.92闭合后，释放弹簧的终压力P2 = P1Kd X =3.67式中 P1 =3.2 kg. Kd =0.068 kg/mm已知数据：Ffcs =R 父 K =1.107 kg, Ffzs = P2 黑 K =1.27 kgcszs上式中Ffcs, Ffzs为释放弹簧的初反力，终反力。由以上数据做设计的交流接触器反力特性曲线如下所示:Ff ,3线圈参数的确定3.1 气隙磁导的计

7、算3.1.1 采用磁导分割法求气隙磁导采用电磁场分割法可以把一对磁极的磁导分割为5部分，用平均磁导求出，这5部分的磁导表示为：(1)平行直角六面体：Gi=0T(2)半圆柱体：G2 =0.26% mI(3)半空心圆柱体：G3二%(m +h、1 (4)球体：G4 =0.077N0641 .(5) 1 球：G5 =0.250m4本电磁体的气隙共分为17部分，即中间的六面体、左右前后四个半圆柱体(前后两1个等效如前)四个1球壳在四个边上，则总气隙磁导为 17个部分后，即：4G"=G14G2 G31 G32 2G41 2G42 2G51 2G523.1.2 计算电磁体对磁极的气隙1、对于A对数

8、：6a =以 45.27104214 n、旬2、a =1.10 a =49.92 214214-n'，22、.a =0.9 a =40.61 214m为散磁延伸到铁心侧面的假设距离，一般取m= (12) 6本设计中取 m = g= ma1 = a1 = 49.92 mm由于衔铁内侧高度为 m + g b = 60 + 44-85 = 19mm< 5a2 ,所 以ma2 = 19mm ,mama1 ma2-=34.46 mm2以上分析为6>6mm,大气隙的情况，当6小时可忽略2、由此求出130L104：；b1130 22x130、：b152=27.5 =32.15130：“b

9、2130 -22130、：b10827.5 =22.85130当 6>6mm 时，考虑 mb2= db2 =22.85mb mb2mb1=19mm mb=20.93222 130二 27.51043.1.3 各对磁极的总磁导1、总磁导的计算SG" A = % 4 0.26Ld2Lma1 12Lma2 1,a1mA12 0.077( a1 a2) 2(mA1 mA2) =2.30 10，2、气隙磁导的计算dG _ % s d、一一、.22。L。32二 m2(1 ) m12% L40 L“ 支、2Q 2二 m2(1 ) 二 m(1)m2m0.077 4%-1.5029780对于不同

10、的L值，分别求出对应的GZ A GZ B及其磁导数值，列表如下:表3-1不同的L值时的磁导数值L221813.583.570.05GE AX10，2.302.2132752.4656973.041404.191905238.044GE BK10-2.439952.4729622.7804314.018396.701812390.5465DGZ A二/10 二为15.2978822.98643140.14832107.41703489.7683229642.39DGZ B二父10 二d5B40.9883058.891962102.95752274.276691288.42546230013.83

11、、铁心中防剩磁气隙磁导的计算:设计用去磁间隙 6 =2mm ,铁心截面积SC防剩磁气隙磁导为:,0 SC. 0.0442*GbC二4 二 10 =1.216 100.002d3.1.4漏磁导计算当衔铁处于打开位置时，漏磁导和气隙磁导相比已不可忽略，而且必须考虑两极柱问漏磁导，采用磁场分割法可将铁芯柱间的漏磁导分成三部分，共 5块，分别为：平面直角 六面体：1块，平面柱体：2块，半中空圆柱体：2块G'Tn 25%9g G 2 22 g G ：-3LP2(2.44L)2' 3ln20a2M(1 L总漏磁导为三部分之和:G =G i G 2 G 3 =1.21956 10-7 (H/

12、m)3.2设计点的选择取范例特性曲线图中B/2点作为设计点:Ff0=B/2X 22.5/15=17.25为确保可靠吸合，吸力应大于反力，取安全系数 K=1.1,吸力值F0=KF f0=1.1 x 17.25=18.975kg3.3 比设计点的选择由于磁铁是转动式的，故在衔铁吸合释放时，两个气隙大小的距离不同，因而折算的 杠比不同，设计大小气隙的杠杆比分别为：Ki=214 /104=2.058 %=130/104=1.25,则:f=2k)2dGAd、aK1+/)2dGB d bI K22F0 dG,=Ga2 d、A Ki G-2 dG B3b :B K2 =1.213 10d、B最大值 m1.2

13、13 10，,2=1.715 10”3.4 线圈匝数的确定由以上知：Sc = A2 KCq=d/N=1 (d=N) KC =0.93 a=44mm则SC =0.93 1 0.0442 =1.81 10-3 (cm)1.437 10，Gjd 1.219566 10磁酱： B m= =- = 0.79=1 = 1 3- = 1.6 9 9 6,Sc1.8 10G 1.74323 10G 二 GaGb Ga Gb3.21 3.817= 1,743 10 ,3.21 3.81Bcm= Bm - =0.79 1.6996 = 1.35 ci HN=犯竺工583匝，皿44.44 fBcmSc取匝数N=60

14、0o4mm左右，上下间隙由于该接触器的导磁体尺寸已知，而且采用原线圈框架厚度为 为2mm左右，则线圈的高度：h=60(2M+2X4)=48mm 取线圈厚度初步设计值=N=(0.50.8),取 n=0.6WJ =n a =1.6 44 = 26.44 Kte h /：tc =1.159其中 Ktc =0.5 c取线圈标准直径1.16mm 线圈的平均长度t =2a+2b +兀=258.89父10， 取T=50七，则90(时为P90C =2.24父10上故4/ 二3.2942验算窗口面积 S = 0.25 d N = 1165mm2 Ktc加装它可以防止衔铁在吸合位置处发生震动，设计师主要是确定尺寸

15、材料，从而对吸 力是否满要求进行验算。= 4.25 10“式中Rd=0.3为综合参数，其最佳范围为0.20.4, 6 P =0.040.05mm衔铁闭合时候的工作气隙，这里取0.05mm,取分磁环宽ad=1.5mm ad<t分磁环槽宽)分磁环平均匝长为ld4.1 尺寸计算取槽宽t=1.5mm,则磁极面积S=S1+S2=a(b2< 1.6)=1795.2,比值系数r2表示分磁环 内面积与总面积之比：r2=S2/(S1+S2)=(0.70.85泮设计取0.8,所以S2=r2 s=0.8 1084=1436.2mm2s1=ss2=359mm2分磁环电阻可以求出：RdW(s1 s2)J0R

16、d 二Ps21436.2= 2(a ) - -：ad =2(44 ) 1.5 3.14 157.99mma44分磁环截面积三二945 10零9 10 < 2.95 10 上rd4.51 10式中=：；01+”0()=50C,P0 =7 10"(，"m), A , =0.015(1/ C)：=7 10” (1 0.015 90)=7.945 10”分磁环厚度为bd =p = 2.95= 1.97mm由此可取槽深为2.5mmad1.5 104.2 验算主要是验算在0.8 Ne情况下，铁心能够可靠的吸合即Fmin>Fmax,即可cm = = 2.282 10 (wb)

17、勺 m = cm = 2.282 104.44 50 600、=:2 = 0.05cm R 1 = - =73 = 11.09 10工。64 二 10,359 10X'rrd"3910" tg'T 嘿3=69.7C中为辑1和*2的相角差，由此和求Zi, Z2&Z=Zi +Z2,做出等效电路图:RS2Rsi1LCD m1I I m2图4-2等效电路图一4乙=R1 =11.09 104Z2 = R、2jx2 = R、2 jR -2 tg '' = 2.77 10 4j7.5 1044Z =Z1 Z2 =13.86 104 J7.5 104

18、、1m= 1.144 10 飞Z2 m _ 7.9 2.282 10 ,Z15.76,2mFr.1 =F ；2Zi m巾V4，oSi4 ,0$2311.09 2.282 1015.76= 1.606 10”2 (1.144 10 )24 4 二 10，359 10”=725.61_ -3 2(1.606 10 )4 4 二 10， 1436.2 10-=357.45Fmin =F：1F：2 -,F：12F：22 2F：iF：,2 cos2- = 421.46( N)将此力折算到触头接触处：Fmin1 = 214Fmin /104 =214 421.46/104 = 867.24Fmax = F

19、fzb = Ffzc = Ffzs = (32.1 0.469 1.713) 9.8 = 337.91Fmin1 > Fmax ,合格，即当U=0.85ue时能可靠的吸合。5产品电磁系统的结构草图此交流接触器采用双U型铁心ma图5-1需结构草图dn图5-2铁心柱截面其中：a=148 b=85 c=0.2 d=44 c=40 h=128 g=44 m=60 n=44 x=1.5y=2.5z= 1.97 p=26.4（单位：mm）6验算设计的合理性6.1 电磁吸力和吸力特性的计算1、以电压为0.85ue,主触头开距6=8mm为例计算。取Ke=0.99KeUe 0.850.99 380 0.8

20、53cm=2.423 104.44 fN 4.44 50 60032.423 101.69963= 1.426 10. _、m 1.4261O'、21.414= 1.008 10，F0=2（G6）2肾卜2 + 2（G6）2臂卜 K2 = 276.4（N）2 GA I d A2 GB 1d',BFf0276.423.69 9.8= 1.19 K =1.1才两足吸力要求。2、验算Ke的取值是否正确对磁路进行分段计算，将磁路分为相等的三段，每段长为41/3mm,设In =1.01G、.1.01 1.008 10，1.74323 10，=5782.371.21957 10，4.1 10

21、,fm5782.374.1 10，= 1.41033 105其中1g,G6为前面所求的值,= 2.935 10/求各段磁路的磁压降Bx= 1.008 10”SX442 1 0=0.521Hx=182（A/m）由磁化曲线查得，HxXLx=182 M28 >0.001=23.296U 二一U mabG1.008 10“Hx Lx -7 23.296 = 5805.791.74323 10,1=11 黑 /ulU mab L1_-35805.79 2.975 1041 103= 2.361 10"其中L1为41 /3 10“ m磁路图如下：，2HiLiH2L2GicRm5图6-1磁路

22、图O/ c _4o1= j + .1=1.008 10* 2.3610 =1.244 10其中j = :B J2,10 =0.643, H1=234(A /m)由磁化曲线查得S 442 10-62 234 41 14-32H1L16.3963.5 41Umcd =Umad 2HL 1 - f mL 1 = 5805.79 6.396-1.41-3 = 3884.7413 10-'23884.74 29.75 10-6 41 10-3=U mad ' L 2 ="3-4= 1.588 10 42 = ；,2 =1.244 10-3 1.588 10-4 =1.402 1

23、0-321.402 10-3一2-8S 442 10 8=0.7242H2L_ -32 277 41 102 =7.58U mef = U mcd 2HzLz-FmL?=-5-33884.74 7.58-1.4103 10 5 41 10 3=1964.839 -6-3,11964.839 2.975 1041 10二 U mef ' L 3 二3= 7.991 10-53 = 2'3 =1.482 10-3B = 3B3= S-31.482 10 cr”26-二 0.7654410-32 299 41 10 c/c =8.187IN1 -ININ100% =5782.37-5

24、853.115853.11100% =1.21%H 3 =299(A/m),查磁化曲线得 2H3LH C L C =H 3 L C =299 84 10-3 =25,16IN=H x L x +2H1L i+2H 2 L 2 +2H 3 L 3+H c L c+ =5853.11IN与IN1的相对误差为I二史NKE1 二 UE 378.55=0.9963805853.11二 9.755A600E -JU2 -(IR)2 -J3802 -(9.755 3.467)2 =378.55( V)由以上计算可知KE1与所选KE=0.99误差不大，满足要求，对不同气隙时的磁路可 以通过以上类似的方法，求得

25、：即：根据 九=1+Gr,求出不同气隙时对应的九值，再由G、& =4和虫=罩求出不同气隙时所对应的均值，然后带入吸力公式、.、.2、'6( mm)221813.583.570.05F(0.85Ue)90.83106.13167.93323.64894.272707.15F(Ue)125.72146.89:232.43447.941237.743804.29F(1.1Ue)125.12177.74281.25542.011497.674600.77 父K2从而可得出不同气隙时的吸力值，如下表:表6-1不同气隙时的吸力值6.2温开校验线圈温升再1.1Ue下进行，因此温度要求在其他电

26、压下也能满足要求。1、在打开位置时，已知 GJA, GJB, G" Ggr和GzGz =G6 +Ggr =(1.176E -7) + (1.2196E -7) = (2.3957E 7) ( H)L = N2Gz =6002 父(2.3957E -7) =8.624E -2X1 =W L =314 (8.624e -2)= 27,093( 1由此可知 Z =R jX1 =3.467 j27.093Z =27,315启动电流Ig =1.1Ue/ Z = 1.1 x 380 / 27.315 = 15,303(A)2、在衔铁闭合时忽略漏磁，但计较磁阻和分磁环磁阻，确保保护电路的计算用温升

27、等值电路如下:Sefies RLC BranchRLC BrenchEa- -印Stries RLC BranohSib-AC Voltage SoUrcESeries FLC 日rmnctCSe<ie5 RLC BrsnchZda图6-1计算用温升等值电路止匕时 cm=1.1Ue Ke/4.44Fn =1.1 380 0.99/4.44 50 600 -3.107E - 3(Wd)考虑衔铁打开位置时，线圈反电动势E与电源额定电压Un的比值Kn =0.750.96此时 Kn =0.95,Bcm = cm / Sc =0.95 (3.107E -3)/Sc =1.525(T)因而可查磁化曲

28、线得Hcm =1700(A/m)Bxm = cm/, x -(3.107E -3)/2E -3=1.554(T)所以 Hxm =1800( A/m)由此可求出:IN =1/ . 2HmL =1/., 2(HCLc HxLx)= 1/ , 2(1700 210 1800 147) (1E -3)= 625(安匝)总磁阻 Rm = . 2(IN)/cm = 2 625/(3.107E -3) =2.85E 5(1/H)工作气隙磁阻 R"/0s = (0.2E-3)/4 二 *(1E-7) 442 (1E - 6) = 8.225E 4八(1/H)分磁环等效磁阻为Z11=Z1 XZ2/(Z

29、1+Z2)=5.066E+4(1/H)故总的等效磁阻为Z = Rm R ； R Z11 =4.85E -5(1/H)其中 R . =1/G、. =(GA GB)/GA GB = 6.76E 4(1/H)故可求(IN ) = *cmZ/；2 =1066.63(安匝)3、计算温升按重复短时工作制校验温开，已知操作频率60次/小时，通电持续率40%每个周期的通电时间 T1=3600X40%/60X2=12(s), T2=1TD%/TD% T1=18(S)故T=t1+t2=30(s)启动电流I q与保护电流Io之比K1 = Iq/Io =15.303/1.78 = 8.597 qq等效发热电阻率IR -IO . 1/3to(KC2 KC -2) t1/T -1.78 . 1/3 0.1 (8.52 8.5-2) 12/30=1.24( A)Bc = Bcm/ 2 =1.525/ .2 =1.08(T)Pc =2.81W/Kg(单位铁损，查得)2_2_3£h=PCa2 rc L =2.81 1 0.0442 7.8 103 41 (1E - 3)/3 = 1.74(W)式中；=1 rc =7.8 103 k g/m线圈散热面积SS = (2a+2b+2n人)h = (2 父 77 +2黑 77+2打黑