交流接触器的设计计算_图文

1、交流接融器的设计计算第十三届学术年会论文集交流接触器的设计计算陈绍魁（天水长城电器集团公司，甘肃天水）摘要：论述了交流接触器的设计计算，包括接触器触头和电磁系统的设计计算、接触器的动态特性的计算和测试及交流接触器的特殊部分短路环的几个计算方法。给出了根据大量实际测量和计算的设计曲线和没计实践的数据。关键词：交流接触器；触头；电磁系统；动态特性；短路环引言研制接触器新产品到目前为止，设计计算方法还不能准确地达到预期的目的，这是因为接触器工作大多数为暂态和动态过程，即过渡过程，如电弧的分断、电磁场的作用、接触电阻等。目前，国内新接触器的设计采取类比方法较多，把先前的各种型号的接触器进行分析试验，从

2、而找出一定规律，参照设计。本文针对额定电流以下小容量的交流接触器没计的有关问题，根据一定的试验曲线，提供有关设计计算方法，以供产品设计开发和试验研究参考。接触器触头的设计触头银合金用量的确定用试验方法确定触头磨损规律对双断点接触器进行电寿命试验，确定在给定的实验电流下的触头磨损率（即消耗的银接触器的分断次数）。试验电流取接触器的额定电流，负载类型取和（见表）。表和时的电流收集各种规格和各种型号的接触器，进行试验，记录有关数据。把实验数据以最小平方差方法处理，画出曲线，并找出相应的函数关系式，即叼朋（）式中单位体积银的分断次数（欠）卜系数由实验曲线确定幂指数由实验曲线确定式（）即为磨损率随电流的

3、变化规律。把实验数据用计算机处理，按最小平方差原理，绘出曲线，并计算出和。对于电压的负载，实验得出曲线为叼×，一（）亦即磨损率，以额定电流的一次幂下降。其曲线如图所示。通过试验可得出，接触器触头磨损以分断电流的次幂上升。对于电压的负载时，得出×（）这时磨损率是以额定电流的一次幂下降，曲线如图所示，接触器触头的磨损以分断电流的次幂上升。和两种负载情况，结果之所以不同主要是：闭合时磨损相对较大；低电压时分断磨损较强；对于电寿命机械现象影响显著。电寿命与额定电流的关系用试验方法，同样可以确定和电寿命与额定电流之间的关系式。负载电寿命为××，圳（）负载电寿命为一

4、第十三届学术年会论文集交流接触器的设计计算图电寿命与额定电流的关系曲线×，。（）。计算每极触头的用银量给定电流等级和要求达到的电寿命次数，可根据式（）或（）计算出每极需用银量为（，。）（）式中，为每极所需用银量（）。由式（）可得出每极所需银的质量为×（×，一“）（）式中，为触头银合金的密度。如密度一式（）和（）是对于负载的，对于负载，把式（）代人即可。根据公式可以计算出两种负载下触头磨损率和每极用银量，其结果如表所示。计算出来的银量，再考虑一个安全系数，例如取，最后就得出每极实际用银量。银合金的选用，可根据电流规格和合金的特性选择。电阻率低，抗磨损差，适用于小交菇

5、攫触器的设计计算第十三届学术年会论文集氏图。电寿命与额定电流的关系曲线表两种负载下触头磨损率和每极用银量电流规格。抗磨损好，但电阻率较高，适用于大电流规格。触头的力与作用触头压力和接触电阻接触器触头在接触时，受触头压力作用，必然产生变形，把这变形点称为接触斑点（见图），接触斑点的大小与触头材料硬度和压皱系数有关。触头材料的硬度一般为。接触斑点第十三届学术年会论文集交流接触器的设计计算一点夕蚕三点夕图接触斑点面积为（）式中卜触头压力卜触头材料压皱系数触头斑点半径若已知接触斑点大小，则可计算出触头在给定触头压力下的接触电阻（竹日）（）式中触头接触电阻触头材料电阻率式（）可以化简为仃（）式中，丽一&

6、#215;。以系列为例，。则得一接触电阻并不是常数，它随电流的增加稍有变化，当电流上升时，接触压降以图所示曲线上升然后出现平台值，这时触头材料熔化，接触压降不再随电流增加而上升，当电流降下时，接触压降按另一条曲线下降。图接触压降曲线在设计制造中，要避免尖点接触，这种接触会使电流束过于集中（如图所示），容易使触头产生熔焊。图尖点接触产生的电流柬触头压力接触器在闭合时，触头问产生闭合力。通过试验，找出其随电流变化的规律，通过对现有接触器的试验测得每极间的闭合力，对直式触头为（）对型触头则为（）式中：为触头问闭合力（）；，为接触器额定电流（）。该力随电流的变化可画出曲线如图所示。闭合能力通过试验可找

7、出产品的闭合能力与极间闭合力的关系，闭合能力是以闭合力的次幂变化的，与触头形状有关，对于直式触头，对于型触头，即有直式触头，鲫（）式触头，（）式中：，为产品闭合能力（）；为极间闭合力（）。闭合能力与闭合力的图如曲线图所示。闭合能力与触头间的电动斥力有关，电动斥力大小影响闭合能力。电动斥力是触头系统尺寸和接触形式的函数，对于双断点触头系统（见图），端头电动斥力为凡订×笋（）式中：。为电动斥力；，为触头所通过的电流；为触头直径。交旒接触器的设计计算第十三届学术年会论文集图闭合力与额定电流的关系曲线尖点接触产生的的尖点接触斥力为力下降。，（）（）闭合能力是动态参数，它小于最大闭合电流，式中

8、，只为尖点接触斥力。应以数理统计方法规定。电动斥力为两部分斥力和为触头几何尺寸计算及触头参数耻民几（小等卜吸点忌篙墨触电阻反岍触头压力（。）（）平方根，把式（）改写为由式（）可见，当，增加增大，这时闭合（）能力就下降；反之，则上升，但这时会引起分断能为区分起见，变成。一第十三届学术年会论文集交流接融器的设计诗算丑田巳匠皿妒，牛，彳叫争：压缩力（）图闭合能力与闭合力的关系曲线图双断点触头系统为保证足够的闭合能力，触头压力至少应等于触头间电斥力，从式（）可得一一，（）式中：恐【（，）×等】。（姚）通过持续电流的触头散耗的能量为形尺。，局，（）从式（）、（）可得，如。触头上消散的能量是通过

9、表面交换和传导把热消耗掉，两种散热方式均与热交换面积成正比，查悌缓触器的没计产算第十三届学术年会论文集这样，可以取触头面积正比于额定电流：（、式中，为触头面积（）。可以通过对现有接触器进行试验，从而确定式（）中系数和幂次：贮踟（）其曲线如图所示。为把分断电弧的能耗散掉需要增大热交换面积。，图触头面积与额定电流的关系曲线同样，可以得出在负载时，最大发热电流下，所需触头面积：，（）这时触头面积与电流间关系如图所示。以系列接触器为例：，代入公式（）得代入公式（）得一妒。，第十三届学术年会论文集交流接触器的设计计算高发热电流图触头面积与发热电流的关系曲线一般情况下，取较大值，即。根据式（）和（），可按

10、电流规格计算出触头面积理论值（见表）。表电流规格与触头面积的关系一圆片触头的厚度根据公式（）可以计算出触头的体积，由式（）和（）可得出触头的面积，则得触头厚度为（）式（）所计算出的厚度是每极触头厚度，即包括动、静触头厚度，但不包括银触头底部的可焊层厚度（其厚度一般为）。根据电流规格可计算出触头厚度，计算结果列入表。】，交卣接触器的设计计算第十三届学术年会论文集表触头厚度与电流关系考虑到安全，实际厚度可取稍大些，如再增加。触头超行程为使磁系统尺寸不至太大和使用合适的触头材料，保持触头磨损为中等程度，接触器的标准超行程取圆片动、静触头的理论厚度之和的。对于直动式接触器这折算办法是较实用，其中考虑了

11、底可焊层。这个理论超行程很接近与额定电流的立方根成正比的规律，即（）用两种方法计算，结果列入表。表触头超行程与电流关系电流规格（理论超行程）厄超行程随额定电流的变化曲线如图所示。 图超行程随额定电流的变化曲线触头开距触头开距的选择要满足两点，其一要保证拉断电弧，其二是有足够的绝缘距离，即在触头分断后，触头间能承受线电压，根据实验结果处理，可得出触头开距函数为。以（）（）开距与额定电流的关系曲线如图所示。用式（）进行计算，结果列入表。表触头开距与电流关系对于积木式结构的接触器，因需要安装附件或随动件，实际选取尺寸稍有变化。反力曲线要画出反力曲线图，除已知铁芯开距，超行程第十三届学术年会论文集交流

12、接触器的设计计算 图开距与额定电流的关系曲线和每极触头压力外，尚需知道反力弹簧力和装于一接触器附件上的附加力。使接触器活动部分复位的反力使接触器活动部分复位的反力，主要是靠反力弹簧产生，其应使接触器活动部分正确随动，能抗住冲击和振动，不致产生误动作，从抗冲击出发，要求其能承受倍重力加速度的冲击，即口（）式中，为接触器活动部分的之量；。反力弹簧力应按式（）考虑。触头压力前面提到触头压力至少等于电斥力，即至少要等于式（）所计算的值。式（）是单个值，如果画反力曲线需乘以极数，但对于常闭触头则是反方向，这一点画反力曲线应注意。已知触头力、反力，可根据开距作出反力曲线图如图所示，横坐标为铁芯开距，纵坐标

13、为反力。为超行程，从点开始由主触头压力，假一图反力曲线图设为极，则为倍每极压力。如果装有附件，则应考虑它们产生的反力。图给出了反力与额定电流大小的关系曲线，从曲线可以看出，其几乎以额定电流的幂指数变化。接触器的分断速度，释放电压均与反力有交流接融器的设计计算第十三届学术年会论文集关，接触器的分断速度一般为，这与空气断路器要求不同（空气断路器要求为），假如接触器要提高分断速度，则要增大反力弹簧力，会引起释放电压提高，这是不希望的。 图各种接触器复位力与额定电流的关系曲线在产品设计中，考虑反力特性与吸力特性的圈电流密度。配合，应取合适的弹簧斜率。反力弹簧的斜率一般取一；触头压力弹簧的斜率取一；辅助

14、常开触头压力弹簧斜率为；辅助常闭触头压力弹簧斜率取一。根据上述参考数据，结合设计任务书，就可以确定各弹簧参数，根据这些参数反力曲线图就很容易地画出。电磁系统的设计计算电磁铁的设计计算线圈电流密度和电磁感应的选取首先从设计线圈电流密度和磁路中电磁感应人手。装入非密封绝缘盒子中的线圈电流密度接近于经验公式：，。（）式中，为接触器的额定电流。按式（）选取线对于线圈周围是自由空气的情况，式（）中的值可以增加。电磁感应有效值，在上述第一情况时，符合经验公式：脚圳（）式中，为接触器的额定电流。而对于第二种情况，可取近似恒定值，即特拉斯。电磁铁的效率保持接触器工作时其反力必然消耗电源能量，为节约能源，设计必

15、须考虑接触器电磁铁的效率，接触器电磁铁效率可近似表示为田，（）电源供给的能量为耽（吸动一谢保持）（）一般吸动与保持谢比约等于，则可保一】第十三届学术年会论文集交流接触器的设计计算持谢表示为附保持（）若接触器的保持功耗与它为克服反力从电源吸收的功率一致，即持刀睨则保持（）（）接触器的反力能量可从反力曲线上算出。假设反力曲线如图所示。尊压图反力曲线（。）×（）式中，为挖开距。（，）×。（）式中，。为超行程。将弹簧的斜率系数代人式（）、（），则得接触反力消耗能量为形左形，形西（凡）蜀×（。）×。式中，。、如反力弹簧和触头弹簧系数。在设计中考虑保持似接近形匿。短

16、路环效率实验表明，在给定的释放电压下短路环的效率随电流规格的变化规律为（）为了设计电磁系统，磁极有效面积的计算可依据接触器的反力，以下式表示：躯。（）（）式中：为力（）；为磁感应强度有效值（特拉斯）；为截面积（）；×一日是在额定电压下的磁感应，其接近选择的释放电压值占额定电压百分比的值。对于形铁芯，为磁路的实际铁芯面积；对于二柱铁芯，。为计算环绕极面积，对于形铁芯，有朋（）对一型铁芯，有铁芯窗：面积铁芯的窗口面积应该放下线圈，并能使接触器活动部分自由活动。该面积几乎正比于实际铜截面积，这个比例系数为常数（等于）。短路环的计算为了获得指定的效率，两个参数的选择是主要的：非环绕面积与整个

17、极面积的比例；一短路环电阻。蜀变化是，与电磁铁有关。而可表示为（）式中：尺为非环绕部分磁阻；一般为的系数。根据先前产品设计给出上述系数：。对于型铁芯，对于型铁芯为。则（）式中剩余气隙型为，型为非环绕面积型为，型为，考虑到放短路环槽的面积，琏可取得稍大些。以初步设计可制出模型，通过实验测量进行调整。最后确定产品。试验测量产品开发中试验测量，调整参数是必不可少的，下面介绍几个试验测量。静态吸力特性可以采取下述方法测量，将静铁芯固定，装上线圈，动铁芯与力传感器相连结，然后接到，记录仪上，如图所示。逐点变化铁芯间隙，则可以逐点测得静态吸力。以此测出静吸力曲线如图所示。同时，可以测得吸动电压吸动。该电压

18、应为使接触器一次吸合，而没有弹开，即在闭合过程交流接触器的设计计算第十三届学术年会论文集图静吸力特性测鼍示意图一，仪一传感器一动铁芯线圈一静铁芯，图静态吸力曲线中，不会有经过一次或几次断开再闭合。在设计研究中有时还要测量超行程电压超行稃，其是指使触头刚刚开始接触的电压，显然厦便“超行程“吸动电磁铁的计算机辅助设计目前，电磁铁计算设计已采用了计算机辅助设计，尤其在近些年开发了很多软件，计算精度也很接近实际。计算是从计算吸力或力偶出发，磁路的磁导是随衔铁的直线位移或角度位移变化，其力的计算公式可表示为（）×（）（）（）式中，尺为气隙磁导。为求解式（），（），通常采用两种方法：方法和有限元

19、法。线圈的设计线圈的形状设计中一般选择正方形为好，长方形较差。线圈与铁芯之间尺寸和位置设计中引入一个潜入系数，该系数代表线圈在动、静铁芯中的位置。荔（）式（）代表的尺寸如图所示。从图中可以看出，如线圈和铁芯之间位置设计配置如图（）所示，磁通绝大多数通过工作气隙，而（）中线圈所处位置则造成大部分磁通成了漏磁，这样的设计不合理。所以，设计要取值较小为好。但如果取勃（）则要求取值大较好。对于小规格接触器，一般使线圈的置人静铁芯。而对于以上的大规格接触器，如图线圈在铁芯中地位的配置一第十三届学术年会论文集交流接触器的设计计算系列，考虑到冲击力的因素，为减少动铁芯的重量，使线圈大部分置人静铁芯中，动铁芯

20、可做得小些，值取得较小。在设计中要研究那些因素的变化，会影响需要控制的指标。吸动电压是必须控制好的指标。产品模型制造出后，进行模型试验，可以测得产品吸动电压，随温度变化的曲线如图所示。萨参辱抄踟妇妇图吸动电压与线圈温升曲线中间一条曲线为在环境温度测得，显然吸动电压大小是与环境温度有关系的。对模型产品进行试验，可选取产品最小的吸动电压吸枷。还要验证在玑时线圈的温升，在该电压下线圈不能过热，即温升不能超过标准规定。吸动电压受线圈本身阻抗影响，尤其对于电流规格小的接触器影响更为显著。当环境温度升高，和线圈本身温度升高时，吸动电压变化较大，主要原因是线圈阻抗的增大，在。时线圈阻抗为；而当到。时，线圈电

21、阻，线圈电感约为，则。显然吸动电压要升高。假如电源供给功率为。，线圈功耗为等艘×式中：等效为线圈等效电阻，其中包括。线圈铜电阻、铁耗和短路环损耗。×，（）式中：；效（）。一电路或（尺冬效酽），群尺等效，酽，一一孵（）等效（）吸合功率一般为保持功率的倍，如图所示。吸合保持图阻抗曲线气隙吸力与电流平方成正比，即，常数（）该常数在设计中应掌握。通过测量，和气隙，通过计算可以得出、尺等效、以及式（）中的常数。动态特性计算电器的工作过程是过渡过程，所以开发产品必须掌握它的动态过程情况。接触器的动态计算，主要是电磁系统的动态计算。电磁系统的动态计算，是求解二阶微分方程：（）式中：为力；

22、为活动部分的质量；为加速度。通过求解式（），可得出速度和秽；位移石。在计算时可给定尺等效、，；机械量（弹簧力，反力曲线，活动部分的质量）；位移量（行程）；电源量（合闸相角缈，电源频率力。在给定吸动电压时，可采用测量个数据（合闸相角不定），取其中最大值定为吸动戚。动态计算可得出速度，位移，线圈电流，和力这里，为作用力和反作用力的差值。即电磁力一反力（）交流接触器的设计计算第十三届学术年会论文集动态电路的计算如下：线圈的电路方程为，垂（）多（）对式（）微分，得痧（），（）将式（）代入（），得（），×（）式（）中，呻¨。，（）式中：为位移量；为速度影；为电感曲线的斜率（参看图），

23、是已知量。由式（）和（）可得一，（尺）（）求解方程（），线圈电流的动态值如图所示。（）动态曲线四攒舳（）电；曲线图电流动态曲线图图为接触器闭合时的速度变化曲线，图为力的动态变化曲线，图为，曲线。接触器闭合时，如发生弹眺，弹跳时间比较长，会产生电弧重燃危险，要采取措施，减少弹跳，如加缓冲件。根据试验确定缓冲件。另外在弹簧设计时要考虑减少弹跳时间因素，对于反力簧，弹簧斜率系数要小，可采用塔簧。设计弹簧时要避免弹簧在工作时压死。前边谈到触头弹簧斜率系数可取较大。在弹簧设计时要注意弹簧谐振频率避免，因为吸力的频率为。解决这个问题是应限制时弹簧圈数，同样的力，同样的尺寸，取最小的圈数。弹簧谐振频率可由下式求得，厮（）式中，为