Thiết kế công tắc tơ điện một chiều

THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1 Đồ án : Thiết kế công tắc tơ điện một chiều PHẦN I : SƠ LƯỢC VỀ CÔNG TẮC TƠ MỘT CHIỀU I . KHÁI QUÁT VÀ CÔNG DỤNG : Công tắc tơ một chiều là một loại khí cụ điện dùng để đóng ngắt từ xa hoặc bằng nút ấn các mạch điện lực có phụ tải. Công tắc tơ điện một chiều dùng để đổi nối các mạch điện một chiều, nam châm điện của nó là nam châm điện một chiều. Công tắc tơ một chiều có các bộ phận chính như sau : - Mạch vòng dẫn điện ( gồm đầu nối, thanh dẫn, tiếp điểm ....) - Hệ thống dập hồ quang. - Các cơ cấu trung gian - Nam châm điện - Các chi tiết và các cụm cách điện - Các chi tiết kết cấu , vỏ .... II . YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU. II. 1. YÊU CẦU VỀ KỸ THUẬT. Đảm bảo độ bền nhiệt của các chi tiết, bộ phận khi làm việc ở chế độ sử dụng cố và định mức. THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2 Đảm bảo độ bền cuả các chi tiết bộ phận cách và khoảng cách điện khi làm việc với điện áp cực đại, kéo dài và trong điều kiện của môi trường xung quanh ( như mưa , bụi ....) cũng như khi có điện áp nội bộ hoặc quá điện do khí quyển gây ra. Độ bền cơ tính chịu mòn của các bộ phận khí cụ điện trong thời gian giới hạn số lần thao tác thiết kế, thời hạn làm việc ở chế độ định mức và chế độ sự cố. Đảm bảo khả năng đóng ngắt ở chế độ định mức và chế độ sử cố, độ bền thông điện của các chi tiết, bộ phận. Có kết cấu đơn giản, khối lượng và kích thước bé. II. 2 . YÊU CẦU VỀ VẬN HÀNH. Có độ tin cậy cao, tuổi thọ lớn, thời gian sử dụng lâu dài .Đơn giản trong chế tác, dễ thao tác thay thế và sửa chữa phí tổn cho vận hành, tiêu tốn năng lượng ít II. 3 YÊU CẦU VỀ KINH TẾ, XÃ HỘI Giá thành hạ tạo điều kiện dễ dàng thuận tiện cho người vận hành, đảm bảo an toàn trong lắp ráp và sửa chữa, có hình dáng và kết cấu phù hợp, vốn đầu tư cho chế tạo và lắp ráp ít. III. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ KẾT CẤU CHUNG CỦA CÔNG TẮC TƠ MỘT CHIỀU Cơ cấu điện từ gồm hai bộ phận : cuộn dây và mạch từ, làm việc theo nguyên lý điện từ gồm mạch từ dùng để dẫn từ nó là thép đúc hình chữ U một phần được gắn chặt với đế phần còn lại được nối với hệ thống qua hệ thống thanh dẫn . Cuộn dây hút có điện trở và điện kháng rất bé. Dòng điện trong cuộn dây không phụ thuộc vào khe hở không khí giữa nắp và lõi. Khi ta đặt điện áp vào hai đầu cuộn dây nam châm điện sẽ có dòng điện chạy trong cuộn dây, cuộn dây sinh ra từ thông khép mạch qua lõi thép có dòng đIện và khe hở không khí tạo lực hút điện từ kéo nắp ( phần THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 3 ứng ) về phía lõi. Khi cắt điện áp ( dòng điện ) trong cuộn dây thì lực hút điện từ không còn nữa và nắp bị nhả ra. PHẦN II : YÊU CẦU THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU. I. YÊU CẦU THIẾT KẾ Thiết kế công tắc tơ một chiều một pha kiểu điện từ có các thông số. Tiếp điểm chính : Iđm = 80A; Uđn = 250v Số lượng : 1 thường mở . 0 thường đóng Tiếp điểm phụ : Iđm = 5A ; Uđn = 250V Số lượng : 0 thường mở . 0 thường đóng Nam châm điện : Uđm = 220V Tần số thao tác : 500 lần đóng ngắt / giờ Tuổi thọ : cơ : 105, điện : 0,5.105 lần đóng ngắt Làm việc liên tục : cách điện cấp B II LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU. Chọn loại công tắc tơ một chiều có tiếp điểm ngón để tiếp điểm đỡ bị mòn, giảm điện trở tiếp xúc, tiếp điểm có tiếp xúc đường bị đóng, ngắt tiếp điểm động có thể làm trượt trên bề mặt của tiếp điểm tĩnh để cạo đi lớp màng mỏng ô xít xem dẫn điện bám, trên đó dịch chuyển điểm cháy hồ quang ra xa bề mặt công tác cuả tiếp điểm. THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 4 Buồng dập hồ quang kiểu khe hẹp kết hợp cuộn dây thổi từ. Buồng dập hồ quang được làm bằng amiăng gồm hai nửa có một chỗ lồi chỗ lõm ghép lại tạo thành một hộp có đường khe quanh co bề rộng , khe nhỏ hơn đường kính hồ quang nên gọi là khe hẹp. Sự kết hợp buồng dập hồ quang khe hẹp với cuộn dây thổi từ . Cuộn dây thổi từ có tác dụng tạo ra từ trường H tác dụng lên dòng điện hồ quang, sinh ra lực điện động F kéo dài hồ quang, đẩy hồ quang vào đường khe quang co của buồng dập hồ quang, hồ quang vừa tiếp giáp sát vào thành buồng dập hồ quang, vừa bị kéo dài trong đường khe quanh co, nên dễ bị dập tắt. Thường cuộn dây thổi từ được mắc nối tiếp với tiếp điểm cắt do đó dòng điện càng lớn thì lực điện động càng lớn . Nếu dòng điện đổi chiều thì từ trường cũng đổi chiều, lực điện động không bị đổi chiều dòng điện nhỏ nhất có thể dập tắt hồ quang một cách chắc chắn bằng 1/4 dòng định mức của cuộn dây thổi từ. Nam chân điện kiểu hút chập của cuộn dây có công suất 20 – 25 W Có khả năng làm việc chuẩn xác trong phạm vi điện áp dao động từ 85% - 105% Uđm Thời gian tác động cuả công tắc tơ khoảng 0,08 – 0,1s Thời gian nhả 0,03-00,04s điện áp nhả 0,05-0,1Uđm THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 5 sơ đồ động PHẦN III: TÍNH TOÁN MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN I. KHÁI NIỆM VỀ MẠCH VÒNG ĐẪN ĐIỆN Mạch vòng đẫn điện cuả khí cụ điện do các bộ phận khác nhau về hình dáng, kết cấu và kích thước hợp hành. Mạch vòng dẫn điện gồm thanh dẫn, dầu nối, hệ thống tiếp điểm ( giá đỡ tiếp điểm, tiếp điểm động, tiếp điểm tĩnh ) II. YÊU CẦU ĐỐI VƠÍ MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN . Có điện trở suất nhỏ, dẫn điện tốt Bền với môi trường Có độ cứng vứng tốt THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 6 Tổn hao đồng nhỏ Có thể làm việc được trong một khoảng thời gian nhắn khi có sự cố Có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo lắp ráp III 1 . YÊU CẦU ĐỐI VỚI THANH DẪN. Có độ bền cơ khí cao Có khả năng chịu được ăn mòn hoá học, ít bị ôxi hoá Có độ mài mòn nhỏ khi bị va đập Kết cấu đơn giản, giá thành rẻ III. 2 . CHỌN VẬT LIỆU Để thoả mãn yêu cầu đối với thanh dẫn . Chọn vật liệu thanh dẫn đồng CAĐINI kéo nguội có: Tỉ trọng : 8,9 g/m3 Nhiệt độ nóng chảy : 10830C Điện trở suất ở 200C : 2,3. 10-3 Độ dẫn nhiệt : 0,39 Ws/cm0C Độ cứng Briven : 95 - 110kg/mm Hệ số nhiệt điện trở : 0,0043 1/ 0C = 4. 10-3 III. 3 HÌNH DẠNG THANH DẪN Thanh dẫn hình chữ nhật A: chiều rộng thanh dẫn B: chiều dày thanh dẫn S: tiết diện thanh dẫn THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 7 III. 4 TÍNH TOÁN THANH DẪN Ở CHẾ ĐỘ DÀI HẠN Bề dày thanh dẫn được xác định: ( ) )(..1..2 .. 3 2 mmfod Knn KI b t τ ρθ += Trong đó : I : dòng điện làm việc ( A ) P0 : điện trở suất cuả vật liêụ ở nhiệt độ ổn định ( mΩ ) Kf : Hệ số tổn hao phụ đặc trưng cho tổn hao bởi hiểu ứng bề mặt và hiệu ứng gần. Đối với dòng đIện một chiều Kf = 1. N : tỉ lệ giữa chiều rộng và chiều dày thanh dẫn . Chọn n = 6 KT : Hệ số tản nhiệt ra khống chế . Chọn KT = 5 ( W/ m2 0C) [ bảng 6 - 5 TKKCDDHA ) độ tăng nhiệt ổn định = 650C [ Bảng 6 – 1 TKKCĐHA ] * Bề rộng thanh dẫn được xác định a = n . b ( mm ) * Điện trở suất cuả vật liệu ở nhiệt độ ổn định ( 0 = 105 0C ) Trong đó : ( )mΩ= 20θρ : điện trở suất cuả vật liệu ở nhiệt độ 0 = 200C và p0=20 = 1,8 . 10-8 [Bảng 2 - 13 TKKCĐHA ] hệ số nhiệt điện trở cuả đồng = 0,0043 θ ôđ ( 0C ) nhiệt độ ổn định θ ôđ = 105 0C [ bảng 6 – 1 TKKCĐHA ] ( )[ ] 33105 10.46,520105.0043,0110.4 −−= =−+=θρ * kích thước thanh dẫn làm việc với I đm = 80A ( )[ ]201.2001050 −+= == odθαρρ THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 8 ( ) 108,065.5.166.2 10.46,5.80 3 32 =+= − b ( mm) a = n .b = 6 . 1 = 6 mm Để phù hợp chọn: a = 8 mm b = 1mm vậy ta có tỉ lệ : n = 8 1 8 == b a III. 5 KIỂM TRA THANH DẪN Quá trình kiểm tra nhằm xác định xem với tiết điện tính toán và lựa chọn có đảm bảo được độ tăng nhiệt, nhiệt độ ổn định cho phép khi thanh dẫn làm việc ở chế độ dài hạn hay không .Đồng thời kiểm tra khả năng quá tải của thanh dẫn ở chế độ không ổn định nhiệt ( chế độ ngắn hạn hay chế độ ngắn mạch ) mà tại đó thanh dẫn không bị biến dạng hay tính chất của vật liệu làm thanh dẫn vẫn ở điều kiện cho phép Kiểm tra khi làm việc ở chế độ dài hạn Kiểm tra độ tăng nhiệt độ : Trong đó : ( ) ( ) CnK bnJ T od 0 6 32 105 2 656,46 10.18.5.2 8.1.10.46,5.31,0 1..2 ... <=+=+= − − =θρτ J : mật độ dòng điện của thanh dẫn: lấy j = 0,31 S : điện tích thanh dẫn S = a.b + 8 . 1 + 8 ( mm2 ) * kiểm tra nhiệt độ ổn định )/(10 8 80 2mmA S IJ === Codmtod 06,866,4640 =+=+= τθθ THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 9 Trong đó : θ mt : nhiệt độ môi trường ( lấy Cmt 040=θ ) * Kiểm tra thanh dẫn ở chế độ ngắn hạn : Chế độ ngắn hạn là chế độ mà thanh dẫn làm việc trong thời gian ngắn. Khi độ chênh nhiệt độ chưa đạt tới trị số ổn định thì đã nghỉ ( tức là chưa lợi dụng hết khả năng chịu nhiệt của vật liệu ) . Do đó ta có thể nâng phụ tải lên để khí cụ điện ứng với thời gian làm việc mà tại đó khí cụ điện vùa đạt tới độ tăng nhiệt cho phép. Để thuận tiện cho việc tính toán kiểm nghiệm . Kiểm tra thanh dẫn có chiều dài 1 cm , thời gian làm việc ngắn hạn tnh = 3 sec, nhiệt độ là 1050C * Điện trở của 1cm thanh dẫn ở nhiệt độ 1050C là : ( )[ ] ( )[ ]20.1..20.1. 2020105 −+=−+= === odod ISRR θαρθα θθθ = ( )[ ] 549 10.83,620105.0043,01.10.8 1.10.4 −− − =−+ R0 = 20 : điện trở của đồng ở nhiệt độ 0 = 200C * Tổn hao công suất cho phép ở chế độ làm việc dài hạn. Pdh = I2dh. R0 = 105 = 802 . 6,83. 10-5 = 0,437( W/ cm ) * hằng số phát nóng được xác định : T= TT SK MC . . C : nhiệt dung riêng của đồng C = 0,39 J/g0 C St : diện tích bề mặt làm nguộn của thanh dẫn dài 1cm : St = D. L D : Chu vi thanh dẫn . D = 2 ( a + b ) L : Chiều dài thanh dẫn . L = 1cm M : Khối lượng thanh dẫn dài 1cm : ( g ) St = D. L + 2 ( a + b ) . l = 2 ( 0,8 + 0,1 ) . 1 = 1,8 ( cm 2) THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 10 M = )(12,71.8.0.9,8.. KGlS ==γ Tỉ trọng của đồng * Hằng số thời gian phát sóng 303 8,1.10.5 7.39,0 . . 4 === − TT SK MCT ( S ) * Độ tăng nhiệt ở chế độ ngắn hạn : ( )nhtTeTT odnh −′= 1. Trong đó : Tôđ : độ tăng nhiệt ổn định khi công suất ở chế độ ngắn hạn tính toán ở tnh = 3sec; ( ) Cenh 025,01.65 5 ,6303 =−= −τ * Hệ số quá tải công suất ở chế độ ngắn hạn: 61 5 303 === nh P t TK * Hệ số quá tải dòng điện ở chế độ ngắn hạn : KI = 761 ==pK * Công suất cho phép ở chế độ ngắn hạn: Pnh = Kp . Pdh = 61.0,437 = 26,7 ( W/ cm ) * Dòng điện ở chế độ ngắn hạn : Inh = Kt . Pdh = 80. 7 = 560 ( A ) * Mật độ dòng điện ở chế độ làm việc ngắn hạn : Jnh = ( )2/70 8 560 mmA S I nh == *Kiểm tra thời gian làm việc liên tục cho phép ở chế độ ngắn hạn sec3 25,065 65ln.303. =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −− nhod od nh LnTt ττ τ THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 11 *Kiểm nghiệm thanh dẫn ở chế độ ngắn mạch . Độ bền nhiệt của khí cụ điện là tính chất chịu được sự tác đụng nhiệt của dòng điện ngắn mạch trong thời gian ngắn mạch nó đượcđặc trưng bằng dòng bền nhiệt là dòng điện bền nhiệt ở đó thanh dẫn chưa bị biến dạng. Để thuận tiện cho việc đánh giá ta xét giới hạn cho phép của dòng điện và mật độ dòng điện bền nhiệt của thanh dẫn ở các thời gian ngắn mạch. Tnm = 1 sec: 3 sec: 5 sec . Giới hạn cho phép của dòng điện và mật độ dòng điện được xác định theo công thức. Ibn = Inm = S. Jnm Jbnh1 = bn dbn t AA − Tnm = tbn : thời gian ngắn mạch ( sec ) Ad : Abn = Anm : giá trị ứng với giới hạn dưới và trên là 0d : 0 nm Theo ( H6 – 6 TKKCĐHA ) ta có : Ad = 1,4 . 104 Abn = 3,75 . 104 A2 s / mm4 S : tiết điện vật dẫn ( mm2 ) Theo điều kiện 0od = 65 + 40 = 105 0C Nhiệt độ cho phép đối với đồng 0bn = 3000 C Mật độ dòng điện khi tnm = 1 sec Jbnh1 = ( ) ( )24 /8,484 1 10.4,175,3 mmA=− Mật độ dòng điện khi tnm = 3 sec Jbnh1 = ( ) ( )24 /9,279 3 10.4,175,3 mmA=− Mật độ dòng điện khi tnm = 4 sec THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 12 Jbnh1 = ( ) ( )24 /4,242 4 10.4,175,3 mmA=− S III. 6. ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN ở chế độ dài hạn độ tăng nhiệt độ cho phép tod = 65 0C , nhiệt độ ổn định cho phép 0od = 1050 C( bảng TKKCĐHA ) ở chế độ ngắn hạn , mật độ dòng điện cho phép ở thời gian ngắn hạn tnh = 5 sec là 54 ( A/mm2 ) ở chế độ ngắn mạch, mật độ dòng bền nhiệt cho phép đối với thanh bằng đồng ở thời gian ngắn mạch 1 sec, 3sec, 4sec, là 162 A/mm2, 94 A/mm2 , 82A/mm2 Kết luận : Với thanh dẫn có kích thước a = 12mm, b = 2mm làm việc với dòng điện Idm = 80A. Có độ tăng nhiệt độ, nhiệt độ làm việc và mật độ dòng điện dài hạn tính toán . Hoàn toàn có khả năng làm việc tốt ở các chế độ dòng điện dài hạn và chế độ ngắn hạn . Riêng ở chế độ ngắn mạch thanh dẫn , thanh dẫn có kích thước nói trên chỉ cho phép làm việc tối đa ở thời gian ngắn mạch là 4 sec bởi khi làm việc vơi thời gian ngắn mạch tnm > 4 sec mật độ dòng điện bền nhiệt lớn hơn mật độ dòng bền nhiệt cho phép, không đảm bảo an toàn. IV. ĐẦU NỐI IV . 1. KHÁI NIỆM VÀ NHIỆT VỤ: Đầu nối tiếp xúc là phần tử rất quan trọng của khí cụ điện, nếu không chú ý dẽ bị hư hỏng nặng trong vận hành, đầu nối gồm các đầu cực để nối với dây dẫn bên ngoài và nối các bộ phận bên trong mạch vòng dẫn điện. Đầu nối làm nhiệm vụ liên kết mạch ngoài với mạch vòng dẫn điện, đồng thời làm nhiệm vụ liên kết các chi tiết của mạch vòng dẫn điện. THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 13 IV. 2. YÊU CẦU : Nhiệt độ các mối nối ở chế độ làm việc dài hạn với dòng điện định mức không được tăng quá giá trị số cho phép, do đó mối nối phải có kích thước và lựuc ép tiếp xúc Ftx đủ để điện trở tiếp xúc Rtx không lớn, tổn hao công suất bé. - Mối nối tiếp xúc cần có đủ độ bền cơ và độ bền nhiệt khi có dòng ngắn mạch chạy qua. - Lực ép điện trở tiếp xúc, năng lượng tổn hao và nhiệt độ phải ổn định khi khí cụ điện vần hành liên tục. IV. 3. CHỌN DẠNG KẾT CẤU Qua phân tích các ưu nhược điểm các dạng kết cấu mối nối. Chọn dạng kết cấu mối nối tháo rời được bằng bu lông không dẫn điện, được chế tạo bằng thép CT3 có mạ thiếc. Dạng kết cấu này phù hợp với hình dáng vật liệu thanh dẫn và các yêu cầu kết cấu này phù hợp với hình dáng vật liệu thanh dẫn và các yêu cầu kết cấu khác. IV. 4 ĐƯỜNG KÍNH BU LÔNG, SỐ LƯỢNG BU LÔNG : Theo số liệu thực nghiệm ( Bảng 2-9, 2-10 TKKCĐHA ) đối với dòng điện Iđm = 80 A/ Chọn bu lông có đường kính ren d = 6mm Các thông số : - kí hiệu : M6 - Tiết diện tính toán : 16,7 mm2 - Lực tính toán : 2,3 KN - Lực ép cần lên chỗn tiếp xúc để đạt điện trở típ xúc và điện sap tiếp xúc cho phép là : Ftx = ftx . Stx = 100. 2,58 = 258 ( kg ) = 2,58 ( kN ) Trong đó : Ftx ( KG / cm2 ) : lực ép riêng trên mối nối. Chọn ftx = 100 KG/ 2 Stx ( cm2 ) điện tích bề mặt tiếp xúc THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 14 )(58,2 31 80 2cm j J S dmtx === J ( A/ mm2 ) : mật độ dòng điện chỗ tiếp xuc với Iđm< 200A chọn j = 0,31 ( A/ mm2 ) = 31 ( A/ cm2 ) - số lượng bu lông : 1 bu lông IV. 5 . HÌNH DẠNG KÍCH THƯỚC PHẦN ĐẦU NỐI . Đường kính trong của đầu nối : d = 8 ( mm ) Chọn dây dẫn mềm : đây dẫn mềm gồm nhiều sợi đồng nhỏ đường kính 0,31 mm ghép lại với nhau . Đối với dòng Iđm = 80 A chọn tiết diện dây dẫn mềm S = 25 mm ( bảng 2 – 3 TKKCĐHA ) Đầu nối điện ra ngoài chọn trụ đồng dẫn có ren có đường kính ren d = 8 mm V. TIẾP ĐIỂM V. 1. KHÁI NIỆM VÀ CÁC YÊU CẦU CHUNG VỀ TIẾP ĐIỂM Tiếp điểm dùng để dẫn dòng, đồng thời thực hiện chức năng đóng ngắt của các khí cụ điện đòng ngắt. Yêu cầu : THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 15 Khi khí cụ điện làm việc ở chế độ định mức nhiệt độ bề mặt nơi tiếp xúc phải bé hơn nhiệt độ cho phép . Nhiệt độ của vùng tiếp xúc phải bé hơn nhiệt độ biến đổi tinh thể của vật liệu tiếp điểm . Với dòng điện lớn cho phép ( dòng khởi động , dòng ngắn mạch ) tiếp điểm phải chịu được độ bền nhiệt độ và độ bền nhiệt động . Khi làm việc với dòng điện định mức và khi đóng ngắt dòng đIện trong giới hạn cho phép, tiếp điểm phải có độ mòn điện và cơ là nhỏ nhất cuả tiếp điểm, độ rung cuả tiếp điểm không được lớn hơn trị số cho phép. V. 2. CHỌN DẠNG KẾT CẤU HỆ THỐNG TIẾP ĐIỂM Tiếp điểm hình ngón làm bằng CU – Cd. Loại này có ưu điểm là tiếp điểm xúc đầu không trùng với điểm tiếp xúc cuối có tác dụng cọ sát làm sạch bề mặt , tăng độ tiếp xúc, mặt khác điểm dẫn điện khác với điểm chịu hồ quang nên làm tăng độ bền cuả tiếp điểm. Hình dạng tiếp điểm. THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 16 V. 3. CHỌN ĐỘ MỞ CỦA TIẾP ĐIỂM Độ mở m của tiếp điểm là khoảng cách giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh ở vị trí cuả công tắc tơ . Công tắc tơ một chiều, dòng điện Iđm = 80 A chọn độ m = 10 mm V. 4. CHỌN ĐỘ LÚN Độ lún l của tiếp điểm là quãng đường đi thêm được của tiếp điểm động nếu không có tiếp điểm tĩnh chặn lại. Độ lún được chọn theo dòng điện địng mức đi qua tiếp điểm có công thức sau : I = A + B . Iđm A = 1,5 ( mm ) ; B = 0,02 ( mm/ A ) I = 1,5 + 0,02 . 80 = 3,1 ( mm ) Chọn = 4 ( mm) và m = 8 mm * khoảng lăn : tạo sự lăn của tiếp điểm động trên tiếp điểm tĩnh, điểm làm việc của tiếp đểm sẽ không trùng với tiếp điểm cháy của hồ quang. Chọn khoảng lăn x = 6( mm ) * khoảng trượt : để tẩy sạch bụi bẩn gồ gề do hồ quang hoặc lớp ô xít tạo nên chọ khoảng trượt y = 0,5 ( mm) V. 5 CHỌN VẬT LIỆU KÍCH THƯỚC TIẾP ĐIỂM Chọn vật liệu * vật liệu dùng để làm tiếp điểm cần thoả mãn các yêu cầu sau : - Điện trở suất và điện trở tiếp xúc bé - Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt , nhiệt độ nóng chảy cao - ít bị ô xi hoá - khó hàn dính - Độ cứng cao , ít bị ăn mòn cơ - Đặc tính công nghệ tốt , giá thành hạ. * Qua khảo ta chọn vật liệu là Cu-Cd kéo nguội có các thông số sau: -Tỉ trọng : 8,9 ( g/m3 ) THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 17 - Điện trở suất ở nhiệt độ 200C : 2,3 . 10-8 - Độ dẫn nhiệt : 3,9 ( W/cm0C ) - Độ cứng Brien : 95 – 110 ( kg / mm ) - Nhiệt độ nóng chảy : 1038 ( 0C ) - Hệ số nhiệt điện trở : 0,0043 ( 1/0C ) - Tỉ trọng nhiệt : 0,39 ( Ws/ cm0C) kích thước tiếp điểm Để phù hợp với kích thước thanh dẫn , Iđm . Kết cấu tiếp điểm kiểu ngón , tần số đóng ngắt 500lần/giờ Kích thước tiếp điểm được tính toán như sau : Trước hết ta quy đổi từ tiếp điểm hình trụ sang tiếp điểm kiểu ngón Dựa vào bảng 2 – 15 TKKCĐHA với Iđm = 80A tương ứng có tiếp điểm hình trụ với đường kính d = 20mm. Với tiếp điểm kiểu ngón chọn bề rộng tiếp điểm bằng bề rọng thanh daaxn Ta có : )(3.39 8.4 20. .4 .. 4 . 222 mm a dccad ==→= πππ THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 18 a : Bề rộng của tiếp điểm ; Chọn a = 8 ( mm ) c : Cát tuyến của cung tròn ( mm ) * Chọn chiều cao tiếp điểm h = 4 ( mm ) * tổng chiều dài của tiếp điểm chọn l* = 41 ( mm ) V. 6. LỰC ÉP, NHIỆT ĐỘ, ĐIỆN TRỞ TIẾP XÚC VÀ ĐIỆN ÁP RƠI TRÊN TIẾP ĐIỂM Ở CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC DÀI HẠN Lực ép tiếp điểm Lực ép tiếp điểm phải đảm bảo soa cho tiếp điểm làm việc bình thường ở chế độ dài hạn , mà trong chế độ ngắn hạn , dòng điện lớn như mở máy, quá tải, ngăn mạch….. Lực ép tiếp điểm phải đảm bảo cho tiếp điểm bị đẩy ra do lực điện động và không bị hàn dính do hồ quang khi tiếp điểm bị đẩy và rung Lực ép tiếp điểm lên một chỗ ngắt ( tiếp điểm kiểu ngón ) được xác định như sau : * lực ép tiếp điểm đầu Theo bảng quan hệ giữa lực ép tiếp điểm F và dòng điện Iđm ta có : Tiếp điểm chính : Với Iđm = 80 A chọn F1 = f. Iđm mà f = 15 F1 = 15 . 80 = 1200 Lực ép tiếp điểm cuối: Ftdcc = n . F1 = 1 . 1200 = 1200 trong đó n là số tiếp điểm mở Ftdcd = 0,6. Ftdcc = 0,6. 1200 = 720 * Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm . Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm khi chưa phát nóng (θ = 200C) ( )mtdc tx Ctx F KR .102,0 020 ==θ THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 19 Hệ số phụ thuộc điện trở suất ρ và ứng suấtσ của vật liệu đồng thời phụ thuộc vào trạng thái bề mặt tiếp xúc. Đối với tiếp xúc đường ( Đồng - Đồng ) chọn Ktx = 0,2. 10-3 ( NΩ ) m : hệ số dạng bề mặt tiếp xúc đối với tiếp xúc đường m = 0,7 Vậy ta có : ( ) )(10.7,2720.102,0 10.2,0 5 7,0 3 200 Ω== − − = CtxxR θ Điện trở của tiếp điểm khi làm việc ở chế độ phát nóng cho phép ( )⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −+= == 20105.3 21.00 20105 αθθ CtxCtx RR = 2,7 . 10-3 . 510.39,385.0043,0. 3 21 −=⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ + Điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc của tiếp điểm: Utx = Iđm . Rtx0=105 C Utx = 80. 3,39. 10-5 = 2,7 . 10-3 = 27 ( mV ) Nhiệt độ của tiếp điểm . txmtxthdtd θθθθ ++= thdθ : Nhiệt độ phát nóng của thanh dẫn Codtdtx 026,61== θθ tdθ : Nhiệt độ tiếp điểm ( 0C) mtxθ : Nhiệt độ mặt tiếp xúc ( 0C) txθ : Nhiệt độ vùng tiếp xúc ( 0C) * nhiệt độ bề mặt tiếp xúc t txdm mtx KSP RI ...2 . 105 2 λθ == λ : Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu tiếp điểm ( W/ cm0C) P : Chu vi mặt tiếp xúc giữa tiếp điểm và thanh dẫn ( cm ) S : Diện tích bề mặt tiếp xúc giữa tiếp điểm và thanh dẫn ( cm2) Kt : Hệ số tản nhiệt của bề mặt tiếp điểm . Chọn Kt = 5 ( W/m20C ) THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 20 Chu vi tiếp điểm : - Chu vi mặt tiếp xúc giữa tiếp điểm và thanh dẫn P = 2 ( a + m ) = 2 ( 8 + 22 ) = 60 ( cm ) - Diện tích bề mặt tiếp xúc giữa tiếp điểm và thanh dẫn S = a . m = 0,8 . 2,2 = 1,76 Cmtx 04 5 029,0 10.5.76,1.6.9,3.2 10.39,3.80 == − − θ - Nhiệt độ vùng tiếp xúc: ( ) CU C tx tx 0 6 23 105 2 9,2 10.14,3.8 10.27,0 ..8 0 === − − = λρ θ θ Trong đó : C0105=θρ : điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm ở 105 0C ( )[ ]20105.1.00 20105 −+= == αρρ θθ CC = 2,3 . 10-8. [ 1 + 0,0043 . ( 105 –20 ) ] = 3,14 . 10-8 C0105=θρ = 3,14 . 10-8( mΩ ) = 3, 14. 10-6 ( mΩ ) * Nhiệt độ tiếp điểm . 19,649,20029,026,61 =++=++= txmtxthdtd θθθθ ( 0C ) V . 7. DÒNG ĐIỆN HÀN DÍNH Theo công thức thực nghiệm trị số dòng điện hàn dính được xác định theo công thức sau: Idh = Kdh. )(147580720.5500 AFtdc == Khd : Hệ số hàn dính của tiếp điểm trong khỏang thời gian của xung dòng điện từ 0,05–5 sec với tiếp điểm kiểu ngón tự định vị Khd = 5500/kg0,5 ( bảng 2 – 19 TKKCĐHA ) THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 21 V. 8. SỰ RUNG CỦA TIẾP ĐIỂM Khi tiếp điểm đóng, thời điểm bắt đầu tiếp xúc có xung lực va đập cơ khí giữa tiếp điểm động và tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh xảy ra hiện tượng rung của tiếp điểm. Tiếp điểm động bị bật trở lại với một biên độ nào đó rồi lại tiếp tục va đập quá trình tiếp xúc rồi lại tách rời tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh xảy ra sau một thời gian rồi chuyển sang trạng thái tiếp xúc ổn định, sự rung kết thúc. Quá trình rung được đánh giá là trị số biên dộ rung Xm của khoảng đẩy lớn nhất đầu tiên và thời gin rung tm tương ứng vói Xm Đối với CTT tổng thời gian rung cho phép là t∑ = 1 – 5 ( ms ) V. 9. SỰ ĂN MÒN TIẾP ĐIỂM Sự ăn mòn tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng và quá trình ngắt mạch điện . Sự ăn mòn tiếp điểm thể hiện qua việc giảm độ lún , giảm kích thước của tiếp điểm cũng như giảm khối lượng hoặc thể tích của kim loại tiếp điểm. Nguyên nhân gây ra ăn mòn của tiếp điểm là ăn mòn về hóa học, ăn mòn về cơ , ăn mòn về điện . Nhưng chủ yếu tiếp điểm bị ăn mòn là do ăn mòn về điện . Khối lượng mòn trung bình của tiếp điểm cho một lần đóng ngắt: Gđ + gng = 10-9. ( Kđ. I2d + Kng. Ing2 ) . Kkđ Iđ : dòng điện khi đóng ngắt tiếp điểm . Chọn Iđ = Iđm = 80A Ing : dòng điện khi ngắt tiếp điểm .Chọn Ing = 10.Iđm= 10.80 = 800(A) Kđ, Kng :( g/A2) hệ số mòn khi đóng và ngắt chọn Kd =Kng= 0,01(g/A2 ) ( bảng 2 – 21 TKKCĐHA ) Kkđ : hệ số không đồng đều đánh giá độ mòn không đều của các tiếp điểm. Chọn Kkđ = 2 Vậy gd + gng = 10-9. ( 0,01 . 802 + 0,01 . 802 ) . 2 = 1,29 . 10-4 Khối lượng mòn về cơ sau 105 lần đóng ngắt: THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 22 ( gđ + gng ). 105= 1,29 . 10-4. 105 = 129 ( g ) khối lượng mòn về cơ điện sau 0,5.105 lần đóng ngắt : ( gđ + gng).0,5. 105 =1,29. 10-4 . 0,5. 105 = 645 ( g ) V . 10. KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ LỰA CHỌN Với kích thước, kết cấu của tiếp điểm kiểu ngón một chỗn ngắt có các thông số sau: Vật liệu làm tiếp điểm : Cu – Cd kéo nguội Chiều cao tiếp điểm 4 ( mn ) Bề rộng của tiếp điểm 8 ( mn ) Tổng chiều dài tiếp điểm 41 ( mn ) Lực : Ftddc = 8 ( N ) Ftdd = 9 ( N ) So sánh với các trị số cho phép : Điện áp rơi trên tiếp điểm : Utdd = 2 - 30mV nhiệt độ hóa mềm cho phép đối với đồng cfhmθ = 190 0C ( bảng 2 - 18 TKKCĐHA ) Nhiệt độ làm việc cho phép của tiếp điểm tdcfθ = 105 0C Với kích thước kết cấu như trên tiếp điểm hoàn toàn có khả năng làm việc tốt. PHẦN IV: CHỌN HỘP DẬP HỒ QUANG I . KHÁI NIỆM VỀ HỒ QUANG ĐIỆN THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 23 Đối với các KCĐ , cầu dao , CTT… Khi đóng, cắt mạch điện, hồ quang phát sinh trên tiếp điểm. Nếu hồ quang cháy lâu, khí cụ điện và hệ thống điện sẽ bị hư hỏng . Hồ quang điện là hiện tượng phóng điện trong khí hơi. Hồ quang có mật độ dòng điện lớn từ ( 104 - 105) A/ cm2, nhiệt độ cao và điện áp rơi trên catốt từ ( 10 – 20 ) V . Một trong những đặc trưng cơ bản của hồ quang là sự phân bố điện áp hồ quang và cường độ điện trường E trên dọc hồ quang. Cường độ điện trường E0 ở catốt rất lưới từ 105 – 106 V/cm trong khi ở thân hồ quang cường độ điện trường Eth = 10 – 15V/cm. Ngoài ra nhiệt độ và mật độ hồ quang không đều theo tiết điện ngang cột hồ quang. ở tâm hồ , nhiệt độ và mật độ dòng điện đạt cực đại và càng ra xa càng giảm dần. II. ĐẶC ĐIỂM HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU đặc tính Uhq cắt đặc tính tải tại hai điểm A, B điểm A hồ quang cháy không ổn định . Còn ở điểm B hồ quang cháy ổn định . III. ĐIỀU KIỆN ĐỂ DẬP TẮT HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU Hồ quang điện một chiều sẽ tắt , nếu loại bỏ được điểm hồ quang cháy ổn định ( điểm B ) nghĩa là đặc tuyến V – A tĩnh của thiết bị dập hồ quang Uhq = f ( Ihq) khi Ihq = const cần phải nằm cao hơn đặc tính tải, muối thế phải tăng chiều dài hồ quang để dập tắt hồ quang. IV. YÊU CẦU ĐỐI VỚI HỆ THỐNG DẬP HỒ - Đảm bảo được khả năng đóng và khả năng ngắt , nghĩa là đảm bảo giá trị dòng điện đóng Iđ = 6. Iđm= 6.80 = 480A và dòng điện ngắt Ing = Iđm = 80A THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 24 - Thời gian hồ quang cháy nhỏ để giảm ăn mòn tiếp điểm và thiết bị dập hồ quang. - Quá điện áp thấp - kích thước hệ thống dập hồ quang nhỏ , vùng khí ion hóa nhỏ , nếu không nó có thể tạo ra chọc thủng cách điện giữa các phần của thiết bị và còn toàn bộ KCĐ - có khả năng hạn chế ánh sáng và âm thanh V. CHỌN VẬT LIỆU VÀ KẾT CẤU BUỒNG DẬP. Vật lệu làm buồng dập hồ phải có khả năng chịu được nhiệt độ cao, có tính cách điện cao và có khả năng chống ẩm. - Để dập tắt hồ quang một cách nhanh chóng thì mặt trong của buồng dập phải có độ nhám bề mặt nhỏ nhất nghĩa là bên trong buồng dập phải nhẵn . Kết cấu và kiểu buồng dập. Qua phân tích các dạng kết cấu và kiểu buồng dập chọn kiểu buồng dập hồ quang là kiểu khe hẹp kết kết hợp cuộn dây thổi từ . Buồng dập hồ quang được làm bằng vật liệu chịu nhiệt, cách điện như amiăng. Cuộn thổi từ là cuộn dây đồng có lõi thép mạch từ hở , cuộn dây được mắc nối tiếp với tiếp điểm chính của khí cụ điện . Dòng điện chạy trong cuộn dây tạo ra một từ trường , tác dụng của từ trường lên dòng điện hồ quang sinh ra lực điện động. Dưới tác động của lực điện động , lực từ trường của cuộn dây thổi từ, lực do chênh lệch áp suất . Hồ quang bị đẩy vào khe hẹp của buồng dập, tiếp xúc với vách buồng dập, vách thu nhiệt của hồ quang làm việc hồ quang giảm nhanh dẫn đến hồ quang bị dập tắt. THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 25 Với kết cấu và kiểu buồng dập như trên phù hợp với CTT có chế độ làm việc nhẹ với tần số đóng ngắt là 500 lần đống ngắt / giời . Iđm = 80A, tiếp điểm kiểu ngón một chỗ ngắt. PHẦN V: TÍNH TOÁN LÒ XO VÀ ĐỰNG ĐẶC TÍNH CƠ THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 26 I . KHÁI NIỆM CHUNG Lò xo là một bộ phận của CTT có nhiệm vụ tạo lực ép lên tiếp điểm ( lò xo tiếp điểm ) tạo lực ngắt cơ cấu trong quá trình ngắt của cơ cấu ( lò xo nhả ) Yêu cầu đối với lò xo tiếp điểm và lò xo nhả : - Có độ đàn hồi phù hợp - Có đặc tính cơ ổn định theo thười gian - Có khả năng bền về cơ. - Không bị ăn mòn bơi hóa chất và môi trường . II . CHỌN KIỂU VÀ VẬT LIỆU LÒ XO. II 1 . KIỂU LÒ XO: Qua phân tích và đánh giá các loại lò xo. Chọn kiểu lò xo tính hình trụ chịu nén không dẫn điện . Với loại lò xo này phù hợp với kết cấu đã chọn, có ưu điểm là ít bị ăn mòn. Bền về cơ, làm việc tin cậy không bị phát nóng và già hóa. II. 2. CHỌN VẬT LIỆU LÀM LÒ XO . Dựa vào công dụng CTT được thiết kế, dùng để đóng ngắt mạch điện có tần số đóng ngắt là 500 lần / giờ . Có tuổi thọ về cơ và điện là 105 và 0,5 . 105 lần đóng ngắt. Chọn vật liệu làm lò xo là thép THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 27 Cacbon ROCT 9389-60 độ bền vừa đối với lò xo tiếp điểm và có độ bền thường đối với lò xo nhả có các thông số sau : Loại Lò xo Lò xo tiếp điểm Lò xo nhả Giới hạn mỏi cho phép khi xoắn mmNx /480=σ mmNx /370=σ Mô đun đàn hồi E = 200. 103 N/mm2 E = 200. 103 N/mm2 Mô đun chống trượt G = 80. 103 N/mm2 G = 80. 103 N/mm2 Điện trở suất mΩ= −610.2,0ρ mΩ= −610.2,0ρ Trên trục hoành đặt hành trình làm việc của phần ứng NCĐ, bằng khe hở không khí làm việc của mạch từ δ Trọng lượng phần động gồm trọng lượng nắp NCĐ, trọng lượng thanh dẫn và tiếp điểm . Trọng lượng phần động quy đổi về tiếp điểm đặt của lực điện từ lấy G’ = 210 g = 2,1 N. Đặc tính lò xo nhả ở trọng thái mở lực lò xo nhả quy đổi về điểm đặt của lực điện từ như sau : F’lxnhd = G’ + F’cũ chặt ( N ) Trong đó : F’cũ chặt : lực ép lên cữ chặt ở trạng thái mở quay đổi về điểm đặt của lực điện từ . F’cũ chặt : 0,07 . Iđm ( N ) Lực lò xo tiếp điểm THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 28 Lực ép cuối của lò xo tiếp điểm được lấy bằng lực ép cuối của tiếp điểm ( ở trạng thái đóng ). F’lxđc = Ftđc Lực ép đầu của lò xo tiếp điểm được láy bằng 0,6 . Flxđc Flxdbd = 0,6 . Flxđc H : Đặc tính lò xo xoắn hình trụ làm việc chịu nén X: hành trình của cơ cấu lò xo, tính từ vị trí tại đó lò xo sinh lực lớn nhất Fđ : Độ võng ban đầu của lò xo Flv : độ võng làm việc của lò xo Fđ, Iđ : Lực nén ban đầu và chiều dài ban đầu của lò xo Flv, Ilv : Lực nén làm việc và chiều dài làm việc của lò xo Ltđ : Chiều dài tự do của lò xo Đặt tính phản lực tổng ( đặc tính cơ ) Là tổng đại số các đặc tính của các lực đã được quy đổi về điểm đặt của lực điện từ. THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 29 Dựng giới hạn khả dĩ của đặc tuyến phản lực tổng có tính đến sự sai lệch dương ( dung sai ) do có sai số trong chế tạo lò xo và các chi tiét khác của CTT, Khi có lực được nhân thêm với hệ số dung sai về lực, đối với CTT chọn Kds = 1,4 Vậy : Fco tơi hạn = Kds . Ftổng Tính toán lò xo * tính toán lò xo tiếp điểm Lực ép cuối của lò xo tiếp điểm Flxđc = Ftddc = 8 ( N ) Lực ép của lò xo tiếp điểm : Flxlđđ = 0,6 . 8 = 4,8 ( N ) Khỏang lún của lò xo: Flv = f đ + f’lv Trong đó : Fđ : Độ lún ban đầu của lò xo Flv’ : Độ lún thêm của lò xo Flv : Độ lún của lò xo khi làm việc * Độ lún có thể được tính theo công thức sau : 4 3 . ...8 dG WDFf = Trong đó : F: lực nén hướng trục ( N ) F: khoảng lún của lò xo ( mm ) D : Đường kính dây quấn lò xo ( mm ) D : Đường kính trung bình của lò xo ( mm ) W : Số vòng làm việc của lò xo. Từ đó ta có : THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 30 lxtdd lxtdc d lv F F f f = Mặt khác : flv = f’đ + f’lv Vật ta có : )(25,55,3. 8,48 8,4.. mml FF Ff FF Ff lxtddlxtdc lxtdd lv lxtddlxtdc lxtdd d =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −=′⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −= l : Độ lún của lò xo l = f’lv = 3,5 ( mm ) flv = fđ + flv = 5,25 + 3,5 = 8,75 ( mm ) * Chỉ số của lò xo : 10== d DC * Đường kính trung bình của dây quấn lò xo. )(65,0 480 10.85,1 . .6,1 mm CF d lxttdc === σ * Đường kính trung bình của lò xo D = C. d = 10 . 0,65 = 6,5 ( mm ) Chọn : d = 1 ( mm ) ; D = 10 ( mm ) * Số vòng của lò xo 13,8 8.10.8 5,6.10.80 ..8 .. 3 3 3 === − FC fdGW lv ( vòng ) Vì lò xo tiếp điểm chịu nén, có các vòng chống nghiêng ở hai đầu lò xo nên số vòng toàn phần của lò xo là : W + 1,5 = 8,13 + 0,8 = 8,9 ( vòng ) * Bước lò xo chịu nén . tn = )(8,113,8 5,61 mm W fd lv =+=+ * chiều dài tự do của lò xo ln = W. tn + 1,5 . d = 8,13. 1,69 + 1,5. 1 = 15,24 ( mm ) THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 31 * ứng suất xoắn thực tế với lực đã cho )/(8,203 1.14,3,2 10.8.16 ..2 .16 2 33 . mmN d DFlxtdc x === πσ * Lò xo nhả - Lực ép nên cữ chặn nhả quy đổi về điểm đặt của lực điện từ là : F’cữ chặt = 0,07 ( N/A ) . Idm ( A ) = 0,07. 80 = 5,6 ( N ) - Lực lò xo nhả ban đầu (trạng thái mới ) quy đổi về điểm đặt của lực điện từ là : F’lxnhd = F’cữ chặt + G‘ = 5,6 + 2,1 = 7,7 ( N ) Flxnhd = )(95,267.7.10 35. NF OA OB lxnhd ==′ - Lực lò xo nhả cuối ( trạng thái đóng ) được tính như sau : Flxnhc = 1,2 . 26,95 = 32,34 ( N ) - Khe hở không khí nhδ giữa nắp NCĐ và lõi trụ mạch từ khi phần ứng hở . 4,4)5,310.( 108 35)1.( =+=+= m OK OB nhδ ( mm) Trong đó : OB = 35 ( mm ) OK = 35 + 11 + 22 + 10 + 16 + 4 + 10 = 108 ( mm ) - Góc nghiêng α dược tính như sau : sin 13,0 35 4,4 === OB nhδα ( ) 02,713,0arcsin ==α - Khỏang lún thêm của lò xo nhả khi làm việc F’lv = OA . sinα = 10 . 0,13 = 1,3 ( mm ) - Khỏang lún ban đầu của lò xo nhả THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 32 fd = )(595,2634,32 95,26 mm FF F lxnhdlxnhc lxnhd =−=− flv = fd + f’lv = 5 + 1,3 = 6,3 ( mm ) Chọn: C = 7= d D )/(370 2mmNx =σ - Đường kính dây quấn lò xo nhả d = 1,6 . )(25,1 370 7.34,326,1 . mmCF x lxnhc ==σ - Đường kính trung bình của lò xo nhả D = C . d = 7 . 1,25 = 8,76 ( mm) - Chọn chuẩn : d = 1,6 ( mm ) ; D = 10 ( mm ) - Số vòng lò xo nhả W= 9 34,32.7.8 3,6.6,1.10.80 ..8 .. 2 3 3 ==FC fdG ( vòng ) - lò xo nhả là lò xo chịu nén lên số vòng toàn phần là : W + 1,5 = 9 + 1,5 = 10,5 ( vòng ) - Bước lò xo chịu nén tn = d + 2,210 3,66,1 =+= w f ( mm ) - Chiều dài tự do của lò xo : In = W. tn + 1,5 . d = 9 . 2,2 + 1,5 . 1,6= 22 ( mm ) - ứng suất xoắn thực tế với lực đã cho : )/(2,201 6,1.14,3.2 10.34,32.16 ..2 ..6,1 2 33 mmNd DFlxnhc x === πσ - Các giá trị lực lò xo tiếp điểm và lò xo nhả quy đổi về điểm đặt của lực điện từ : F’lxnhd = 9,1 ( N ) = 0,91 ( KG ) THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 33 F’lxnh = )(924,0)(24,934,32.35 10. KGNF OB OA lxnhc === F’lxnh = )457,2)(57,2410.35 86. KGNF OB OA lxnhc === F’lxnh = )(966,1)(66,198.35 86. KGNF OB OA lxnhc === - Khe hở δ ′′ giữa nắp và lõi trụ hình tròn của mạch từ khi tiếp điểm động đi hết độ mở m = 10 mm là : )(13,15,3. 108 35. mmI OK OB ===′′δ THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 34 HÌNH VẼ ĐẶC TÍNH CƠ. THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 35 PHẦN VI : TÍNH TOÁN NAM CHÂM ĐIỆN I . KHÁI NIỆM VỀ NAM CHÂM ĐIỆN Nam châm điện là một bộ phận rất quan trọng của KCĐ, đặc biệt là trong CTT kiểu điện từ , được dùng để biến đổi điện năng sang cơ năng trong KCĐ NCĐ được dùng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong công nghiệp nó được dùng ở cần trục để nâng hàng hóa, trong truyền động điện , nố được dùng ở các bộ ly hợp , các van điện từ … Trong sinh hoạt hàng ngày , cơ cấu điện từ được ứng dụng rộng rãi như chuông điện … Cơ cấu điện từ gồm hai bộ phận chính : Cuộn dây ( phần điện ) , mạch từ ( phần từ ) II. CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU Thiết kế nam châm điện một chiều có các thông số sau và yêu cầu sau: NCĐ có khả năng làm việc trong điều kiện môi trường ẩm , nhiệt độ trung bình của môi trường là 40 0C Tuổi thọ cơ : 105, điện : 0,5 . 105 lần đóng ngắt Làm việc ở chế độ dài hạn , với điện áp Uđm = 120V, tần số thao tác là 300 lần đóng ngắt /giờ. Yêu cầu NCĐ phải có kích thước mạch từ nhỏ gọn III. CHỌN DẠNG KẾT CẤU . Trên cơ sở thực nghiệm chọn NCĐ hút chập kiểu chữ U IV. CHỌN VẬT LIỆU LÀM MẠCH TỪ Vật liệu Thép thoỉ kỹ thuất điện kéo nóng THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 36 Mã hiệu A và ∋ Lực từ phản kháng HC 0,6 ( A / cm ) Từ cảm dư Bd : 1,1 ( T) Từ cảm bão hòa Bb 2,14 (T ) Độ từ thẩm cực đại 4 Điện trở suất 12. 10-8( mΩ ) khối lượng riêng 7,85 ( g/cm3) thành phần Cabon 0,35% V. CHỌN TỪ CẢM Để đảm bảo khi phần ứng hút, trị số từ cảm cực đại Bmã = 1 (T ). Đồng thời đảm bảo độ nhạy khi làm việc và sử dụng tối ưu vật liệu. Ta chọn từ cảm ở lõi và từ cảm ở khe hở không khí khi phần ứng hở là : Blnh = B nhδ = 0,4 ( T ) Tiết kiệm cần thiết của lõi : S1 = )(670)(710,64,0.10.8,39 9,42 .10.8,39 224 2424 mmmB F nh dttt === − δ Trong đó : Fđltt : lực hút điện từ ở điểm tới hạn tính toán có tính đến dung ái về lực ( điểm H – đặc tuyến phản lực cơ ) Fdltt = F’cữ chặt . Kds. 1,15 = 5,6. 1,4 . 1.15 = 9,01( N ) Đường kính lõi: )(29670.4.4 11 mm Sd === ππ Đường kính mũ lõi: dml = 1,5.d1 = 1,5 . 29 = 44 ( mm) Tiết diện cần thiết của mũ lõi : THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 37 )(1519 4 44. 4 . 222 mmdS mlml === ππ Sức từ động của cuộn dây NCĐ tác động : Chọn : ( IW) td = 1,2- 1,6 . ( IW) nhδ lấy = 1,5 ( ) 2102 10..4 10.4,4.4,0.5,1 . .5,1 7 3 0 === − − πμ δδ nhnh td BIW ( vòng ) Trong đó : ( IW ) nhδ : Sức từ động ở khe hở không khí nhδ khi phần ứng hở 0μ : Hệ số từ thẩm 0μ = 4.π . 107 ( H/m ) nhδ : Khe hở giữa nắp và lõi từ khi phần ứng hở nhδ = 4,4 ( mm ) VI. TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC CUỘN DÂY Chiều cao của cuộn dây ( ) )(444,0 65.3,0.5.20 4.)2102.(10.002,0 ...20 .. 3 26 3 2 cm KK KIW h ndT hdtd ==== − τ ρ * Chiều rộng của cuộn dây: b = 1 4 4 == nhK h Trong đó : ρ : Điện trở suất của đồng )(10.022,0 6 mΩ=ρ Khd : Hệ số hình dáng là tỉ số giữa chiều cao và chiều rộng của cuộn dây. Chọn Khd = 4 Knd : Hệ số nhét đầy của dây dẫn . Chọn Kt = 0,3 Kt : hệ số tỏa nhiệt của cuộn dây . Chọn Kt = 5 τ : Độ chênh nhiệt của cuộn dây . τ = 650C Đường kính của dây dẫn : ( ) )(15,0 220 2102.5,17.10.022,0.4...4 3 mm U IWDd dm tdtb === −ρ THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 38 Dtb: Đường kính trung bình của cuộn dây. Dtb = d1 + b = 9,5 + 8 = 17,5 Uđm : Điện áp định mức của cuộn dây NCĐ. Uđm = 220V Số vòng dây của cuộn dây : W = ( ) 22518 31,0.)2,0.( 2102.4 .. .4 22 == ππ jd IW td ( vòng ) J: mật độ dòng điện của dây dẫn . Chọn j = 0,31 ( A/mm2) VII. KÍCH THƯỚC MẠCH TỪ Chọn : )(41 mm=Δ ; )(92 mm=Δ ; )(33 mm=Δ ; )(24 mm=Δ ; )(15 mm=Δ Đường kính ngoài cảu cuộn dây : Dng = d1 + 2. 5Δ + 2.b = 9,5 + 2.1 + 2.13 = 37,5 ( mm) Chiều rộng thên mạch từ : B = Dng + 2. 3Δ =37,5 + 2.3 = 43,5 ( mm) Bề dầy của thân mạch từ : A = 7,1 5,43 67.1,1.1,1 1 == B S ( mm) Chọn A = 6 ( mm ) * Bề dầy của nắp NCĐ: 5,1 5,43 671 === B SC ( mm) Chọn C = 2,5 ( mm) Tính toán kiểm ngiệm : * Điện trở của dây dẫn : 15412 2,0 22518.5,17.10.022,0.4...4 2 3 2 === − d WDR tbρ ( Ω ) * Sức từ động của cuộn dây NCĐ tác động ; ( IW)td = R U dm . W = 43,32122518. 15412 220 = ( vòng ) THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 39 Tính toàn thông số mạch từ : Bỏ qua từ trở sắt từ RFE coi FEμ >> δμ , bỏ qua từ dẫn khe hở không khí phụ Sơ đồ thay thế : Sử dụng phương pháp mạch từ đẳng trị THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 40 Tính toán từ dẫn khe hở không khí δ giữa nắp và lõi mạch từ : Theo công thức kinh nhiệm ta có : )(... 00 H SKGKG mlδμδδ == Trong đó : Sl : tiết điện lõi ( cm2) 0μ : hệ số từ thẩm của không khí .Chọn 0μ = 1,25.10-8 ( H/cm) k: hệ số điều chỉnh K = 2,75 .1 α α : góc nghiêng giữa nắp và lõi mạch từ ( radian) Khe hở không khí δ ( mm) α = arctg( 35 δ ) Hệ số điều chỉnh K 0,5 0,015 0,96 4 0,14 1,58 0,25. 1,1=nhδ 0,03 1,16 0,5. 2,2=nhδ 0,06 1,36 0,75. 3,3=nhδ 0,09 1,51 4,4=nhδ 0,125 1,64 8 2 8 )(5,0 4610,365,0 10.1519.10.25,1.96,0 − − − = ==cmGδ ( H ) THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 41 8 2 8 )(4 10.5,74 10.1519.10.25,1.58,1 − − − = ==cmGδ ( H ) 8 2 8 )(4 10.4,54 10.1519.10.25,1.14,1 − − − = ==cmGδ ( H ) 8 2 8 )(4 10.5,64 10.1519.10.25,1.36,1 − − − = ==cmGδ ( H ) 8 2 8 )(4 10.17,74 10.1519.10.25,1.51,1 − − − = ==cmGδ ( H ) 8 2 8 )(4 10.70,74 10.1519.10.25,1.64,1 − − − = ==cmGδ ( H ) * Dẫn suất từ rò : 8 22 8 22 0 10.87,3 5,7 5,72929 ln .2.10.25,1 ln .2. −− = ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −+ = ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −+ = ππμ r raa gr ( H/ cm ) a: khoảng cách tính từ tâm lõi trụ của mạch từ đễn mặt đối diện của thân mạch từ r = 29 ( mm) r: bán kính của lõi trụ tròn của mạch từ r = 7,5 ( mm) Tính từ dẫn rò : 88 10.84,106,5.10.87,3. 2 1.. 2 1 −− === rrr lgG ( H ) lr : Chiều dài lõi trụ tròn của mạch từ lr = h + 2. 4Δ = 5,2 + 2 . 0.2 = 5,6 Khe hởδ ( mm) 0,5 4 8 12 δG ( H ) . 10 -8 36,46 7,5 5,4 6,5 rG ( H ) . 10 -8 10,84 10,84 10,84 10,84 ΣG ( H ) . 10 -8 47,3 18,34 16,24 17,34 IW ( A/vòng ) 2031 2031 2031 2031 dΦ ( Wb ) . 10-4 96,1 37,2 32,98 35,22 THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 42 rσ 1,29 2,4 3 2,7 tσ 1 1 1,16 1,38 0δΦ ( Wb) . 10-4 74,5 15,5 9,5 9,45 Fđt ( KG) 0,065 0,013 0,0083 0,0084 Để đảm bảo độ bền của công tắc tơ ta sử dụng lớp chống dính dày 0,2mm trong đó : GΣ : từ dẫn tổng của khe hở không khí δ : rGGG +=Σ δ IW : sức từ động của cuộn dây NCĐ . IW = const = 2031 vì NCĐ là NCĐ một chiều . dΦ : từ thông ở đáy mạch từ của NCĐ. )(. WbGIWd Σ=Φ rσ :hệ số từ rò. δ σ G Gr r +=1 tσ : hệ số từ tản o t G G δ δσ = = K khi ke hở δ nhỏ coi 11 =σ oδΦ : Từ thông chính của khe hởδ ( còn gọi là từ thông làm việc ) tr d o σσδ . Φ=Φ * Tính toán lực hút điện từ )..( .4 2 flS F ml o dt δ δ + Φ= 108 ( KG ) THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 43 Trong đó : F: hệ số điều chỉnh . Chọn f = 4 Sml : tiết điện lõi ( cm 2) ĐẶC TÍNH CƠ VÀ LỰC HÚT ĐIỆN TỪ: THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 44 PHẦN VII:TÍNH TOÁN NHIỆT,HỆ SỐ NHẢ TRỌNG LƯỢNG NAM CHÂM ĐIỆN VÀ CÔNG TẮC TƠ I . TÍNH TOÁN NHIỆT CỦA NCĐ Độ tin cậy khi vận hành của khí cụ điện phụ thuộc nhiều vào việc giải quyết phát nóng của chúng, do đó việc tính toán nhiệt là rất cần thiết . Trong quá trình vận hành của CTT nhiệt độ mà CTT phát ra chủ yếu là do quả trình tổn hao đồng của cuộn dây,do hồ quang khi đóng ngắt tiếp điểm … * Tính toán độ chênh nhiệt độ của cuộn dây ở chế xác lập khi nhiệt độ moi trường Cmt 040=θ . ( ) 6052,0.013,0.3,0.5.20 10.022.0.2102 ....20 .)( 2 62 2 2 === − hbKK IW ndT ρτ Tính hệ sô nhả : Knh = dth co F F )(mmδ 0,5 4 8 12 Fcơ ( KG ) 6,29 6,19 4,29 1,106 Fđt = Fh ( KG ) 0,065 0,013 0,0084 0,0083 Knh 9,84 21,8 7,14 3,65 THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 45 Trọng lượng của NCĐ và của CTT: Trọng lượng của CTT bao gồm khối lượng của mạch từ, khối lượng của cuộn dây và các khối lượng khác như vỏ …. Nhưng chủ yếu là khối lượng cuộn dây và khối lượng mạch từ G = GFC + Gcu + Gk Khối lượng mạch từ : GFe = Feγ .( Vnắp + Vthân và đáy + Vlõi trụ + Vmũ lõi ) = 7,85. ( 21,56 + 17,64 + 5,7 + 0,7 ) = 357,96 ( g ) Khối lượng cuộn dây đồng : Gcu = cuγ .Vcuộn dây = 8,9. 69 = 614 ( g ) Kiểm nghiệm khối lượng phần động. Vtiếp điểm = 4,1 . 1,5 . 0,4 = 2,46 ( cm 2 ) Vthanh dẫn = 4,8 . 1,5 . 0,3 = 2,16 ( cm2 ) Gphần động = ¨.Feγ Vnắp + cuγ ( Vtiếp điểm + Vthanh dẫn ) = 7,85 . 21,56 + 8,9 + ( 2,46 + 2,16 ) = 210 ( g ) Các khối lượng khác : Do kết cấu cụ thể của NCĐ quyết định . Một cách gần đúng , ta có thể lấy Gk = 1,2 .( GFe + Gcu ) =1,2.(357,96 + 614,1) = 1166,5(g) = 1,166 ( kg ) Vậy tổng khối lượng công tắc tơ là : THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 46 G = 357,96 + 614,1 + 1166,5 = 2138,5 ( g ) = 2,14 ( kg ) PHẦN VIII : THIẾT KẾ KẾT CẤU Số liệu tổng hợp của công tắc tơ I. THANH DẪN Bề dầy thanh dẫn : 3mm Bề rộng thanh dẫn : 15 mm II. ĐẦU NỐI Bu lông M6 chế tạo từ thép CT3 đường kính ren d = 6mm Tiếp điểm kiểu ngón một chỗ ngắt Chiều cao tiếp điểm : 4mm Chiều rộng tiếp điểm: 15mm Buồng dập hồ quang kiểu khe hẹp kết hợp cuộn dây thổi từ III. LÒ XO Kiểu lò xo xoắn hình trụ chịu nén Thông số lò xo Lò xo tiếp điểm Lò xo nhả đường kính dây quấn của lò xo( mm) 1 1,6 đường kính trung bình ( mm) 10 10 Số vòng lò xo 6 8 Bước lò xo ( mm) 2,4 2,4 Chiều dài tự do ( mm) 16 22 IV. NAM CHÂM ĐIỆN VI. 1. MẠCH TỪ THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 47 Vật liệu Thép kỹ thuật điện kéo nóng A và ∋ đường kính lõi ( mm) 15 đường kính mũ lõi ( mm) 18 Chiều dầy nắp ( phần ứng ) mm 5 Chiêù dầy thân mạch từ ( mm) 6 Bề rộng thân mạch từ ( mm) 49 VI. 2 CUỘN DÂY Dây dẫn Bằng đồng tiết diện tròn Số vòng dây 24955 Đường trung bình của cuộn dây )mm) 28 ( không có cách điện ) Tiết diện dây ( mm2) 0,02 ( không có cách điện )