Đề tài Tính toán và kiểm nghiệm nam châm điện

Tính toán và kiểm nghiệm nam châm điện MỤC LỤC Trang Lời nói đầu Trong ngành công nghiệp điện năng, từ khâu sản xuất truyển tải, phương pháp và tiêu thụ điện năng luôn phải sử dụng các khí cụ nh­: áp tô mát, công tắc tơ, rơ le và cầu dao… Để phân phối và điều khiển, bảo vệ nhằm đảm bảo hiệu quả kinh tế và an toàn trong sử dụng. Khí cụ là những thiết bị, cơ cấu điện tuỳ theo lĩnh vực sử dụng được chia thành 5 nhóm, mỗi nhóm lại được chia thành nhiều chủng loại khác nhau. Các nhóm đó là: 1. Nhóm khí cụ điện phương pháp năng lượng điện áp cao gồm: dao cách ly, máy ngắt, biến dòng… 2. Nhóm khí cụ điện phương pháp năng lượng điện áp thấp gồm: cầu dao, cầu chì… 3. Nhóm khí cụ điện điều khiển: công tắc tơ, khởi động từ, các bộ khống chế và điều khiển…. 4. Nhóm khí cụ điện gồm các rơ le bảo vệ nh­: rơ le dòng điện, rơ le điện áp, rơ le thời gian, rơ le trung gian…. 5. Nhóm khí cụ dùng trong sinh hoạt: ổ cắm, phích điện…. Khi thiết kế một loại khí cụ điện phải thoả mãn hàng loạt các yêu cầu của một sản phẩm công nghiệp hiện đạt. Đó là các yêu cầu kỹ thuật, vận hành, kinh tế, xã hội được biểu hiện qua các tiêu chuẩn chất lượng các định mức nhà nước, của ngành. Các yêu cầu kỹ thuật như độ bền nhiệt của các chi tiết, các bộ pận làm việc ở chế độ định mức và khi có sự cố xảy ra, độ bền cơ và tính chịu mòn (của các bộ phận), độ bền cách điện cũng như khả năng đóng ngắt của thiết bị. Một yêu cầu về kỹ thuật nữa là kết cấu phải đơn giản, khối lượng và kích thức bé. Các yêu cầu về vận hành nh­: độ tin cậy cao, dễ thao tác, sửa chữa, chi phí cho vận hành và tổn hao thấp, thời gian sử dụng lâu dài. Trong vận hành phải lưu ý đến các yếu tố nh­: độ Èm, độ cao, nhiệt độ…. Các yêu cầu về kinh tế, xã hội và công nghệ chế tạo: giá thành phải hạ, phải có tính thẩm mỹ trong kết cấu, tính cạnh tranh, khả năng lắp lẫn và khả năng phát triển trong tương lai. Một khí cụ điện thường gặp nói chung phải có các bộ phận chủ yếu là: - Mạch vòng dẫn điện gồm: thanh dẫn, đầu nối, các 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, thùng. Rơ le là loại khí cụ tự động đóng ngắt mạch điều khiển, bảo vệ và điều khiển sự làm việc của mạch điện. Tuỳ theo nguyên lý làm việc, tuỳ theo đại lượng điện và giá trị dòng áp đi vào mà có nhiều loại rơ le khác nhau như: rơ le điện từ, rơ le nhiệt, rơ le cảm ứng, rơ le bán dẫn, rơ le dòng điện, rơ le điện áp và rơ le trung gian. Ở Việt Nam cũng chế tạo được các loại khí cụ điện nói chung và rơ le nói riêng. Tuy nhiên chất lượng của nó chưa cao (tuổi thọ không lớn). Khi cần các loại khí cụ có độ tin cậy cao và chất lượng tốt đa phần là nhập từ nước ngoài. Trong nội dung của đồ án sẽ trình bày các phần tính toán thiết kế rơ le trung gian điện từ kiểu kín. Có các thông số ban đầu: + 4 tiếp điểm thường đóng, 4 tiếp điểm thường mở + Uđm = 220V + Iđm = 5A + f = 50 Hz + Điện áp điều khiển Uđmđk = 220V, f = 50 Hz Làm việc liên tục, cách điện cấp B. Tuổi thọ điện 106 lần đóng cắt, tuổi thọ cơ 107 lần đóng cắt. Chương I: xác định và lựa chọn kết cấu của rơle I. Giới thiệu chung về rơ le: - Rơ le là những thiết bị điều khiển tự động. Khi tín hiệu đầu vào, đạt những giá trị xác định, nhảy cấp làm biến đổi tín hiệu đại lượng đầu ra. I.1. Cấu tạo của Rơle: Rơ le gồm có 3 cơ cấu chính: + Cơ cấu thu: Tiếp nhận những tín hiệu đầu vào và biến đổi nó thành những đại lượng cần thiết để rơle hoạt động . + Cơ cấu trung gian: So sánh những đại lượng đã được biến đổi với mẫu rồi truyền tín hiệu đến cơ cấu chấp hành . + Cơ cấu chấp hành: Phát tín hiệu cho mạch điều khiển. I.2. Phân loại rơle: Rơle được phân loại theo công dụng và nguyên lý làm việc. + Loại rơle có tiếp điểm tác động lên mạch điều khiển bằng cách đóng ngắt tiếp điểm. + Loại rơle không tiếp điểm tác động lên mạch điều khiển bằng cách thay đổi đột ngột những tham số của cơ cấu chấp hành mắc trong mạch điều khiển. + Theo đặc tính tham số đầu vào ta có thể chia ra rơle dòng điện; rơle điện áp; rơle công suất; rơle tần số… Những loại rơle này có thể điều chỉnh theo giá trị cực đại hay cực tiểu hiệu số các tín hiệu hoặc chiều tín hiệu. + Theo phương pháp mắc cơ cấu thu vào mạch ta có thể chia ra loại rơle: - Rơle mạch sơ cấp: Mắc trực tiếp vào mạch điều khiển. - Rơ le mạch thứ cấp: Mắc gián tiếp qua biến áp hay biến dòng. - Rơle trung gian: Làm việc dưới tác động của những tín hiệu từ các rơle khác, với nhiệm vụ khuyếch đại những tín hiệu này và chia ra tác động lên nhiều mạch điều khiển khác nhau. + Theo mục đích sử dụng chia ra 3 nhóm cơ bản: - Rơle bảo vệ mạng điện: Thường là rơle mạch nhị thứ (thứ cấp). Các cơ cấu thu và chấp hành của chúng thường được thiết kế với dòng điện bé. - Rơle điều khiển: Thường là loại rơle mạch sơ cấp. - Rơle tự động và liên lạc: Có thể là rơle mạch thứ cấp loại sơ cấp, chúng làm nhiệm vụ đảm nhiệm các quá trình tự động và thông tin liên lạc. I.3. Các yêu cầu khi thiết kế: + Các yêu cầu về kỹ thuật: - Đảm bảo độ bền nhiệt của các chi tiết, bộ phận của rơle làm việc ở chế độ định mức và chế độ sự cố. - Đảm bảo độ bÒn cách điện của các chi tiết, bộ phận cách điện và khoảng cách cách điện khi làm việc với điện áp lớn nhất, kéo dài và trong điều kiện xung quanh (nh­ mưa, bụi, bẩn…) cũng nh­ khi có điện áp nội bộ. - Đảm bảo độ bền cơ và tính chịu mòn của các bộ phận rơle trong giới hạn số lần thao tác đã thiết kế, thời gian làm việc ở chế độ định mức cũng nh­ chế độ sự cố. - Khả năng đóng ngắt ở chế độ sự cố và chế độ định mức. - Khi U = 85% Uđm thì lực hút điện từ của nam châm điện phải đảm bảo đủ để hút tiếp điểm tiếp xúc. - Khi U = 110% Uđm thì cuộn dây không được quá trị số cho phép để lò xo nhả tác động. - Kết cấu phải đơn giản; khối lượng và kích thước phải nhỏ gọn. + Các yêu cầu về vận hành: - Độ tin cậy cao. - Tuổi thọ lớn, thời gian sử dụng lâu dài. - Đơn giản dễ thao tác, dễ thay thế, dễ sửa chữa. - Phí tổn vận hành Ýt, tiêu tốn Ýt năng lượng. + Các yêu cầu về kinh tế xã hội: - Giá thành hạ. - Kết cấu phải có thẩm mỹ. - Vốn đầu tư khi chế tạo, lắp ráp vận hành Ýt. II. Giới thiệu chung về rơle điện từ. II.1. Tác dụng: Để bảo vệ mạch điện khi có sự cố ngắn mạch hay quá tải điện áp. + Rơle điện từ cấu tạo đơn giản, lực hút điện từ (Fđt) khá lớn do vậy rơle điện từ được sử dụng rất rộng rãi. + Rơle điện từ có loại 1 chiều và xoay chiều công suất từ vài wát đến hàng nghìn wát, trong khi đó công suất tiêu thụ khoảng vài chục wát. + Thời gian tác động của rơle điện từ trong khoảng 1 – 20ms. + Rơle điện từ có các loại: Dòng điện, điện áp cực đại và cực tiểu, rơle công suất, rơle tổng trở, tần số, trung gian, tín hiệu… II.2. Sơ đồ cấu tạo. Thân mạch từ. Nắp mạch từ Lò xo nhả Cuộn dây Tiếp điểm tĩnh Tiếp điểm động 5 6 3 4 1 2 II.3. Nguyên lý hoạt động: - Khi đưa dòng điện vào cuộn dây nam châm điện thì cuộn dây sinh ra một sức từ động F = IW. Sức từ động sinh ra từ thông khe hở không khí của nam châm điện fd. Khi Fđt > Fph  (lực hút điện từ lớn hơn lực phản hồi) làm cho nắp của nam châm điện đóng lại nhờ thanh dẫn động làm tiếp xúc các tiếp điểm tĩnh và động lại với nhau. - Khi không có dòng điện đưa vào cuộn dây nam châm điện khi đó I = 0 -> Fđt = 0 -> Fph > Fđt lò xo kéo nắp nam châm trở về vị trí ban đầu và tiếp điểm tĩnh cũng được đưa về vị trí ban đầu tách các tiếp điểm tĩnh và động khỏi nhau. III. Lựa chọn phương án thiết kế: III.1. Phân tích các mẫu: Để có kết cấu hợp lý và phù hợp với công nghệ chế tạo yêu cầu của đề tài ta tiến hành khảo sát một số loại rơle điện từ trung gian của một số nước. a. Rơle do Liên Xô cũ sản xuất : - Nam châm hút một chiều hoặc xoay chiều. - Mạch từ hút chập cho lực hút điện từ lớn. - Nam châm hĩnh ch÷ U. - Tiếp điểm: Một pha hai chỗ ngắt, kiểu bắc cầu; không có dây nối mềm. Ưu điểm: - Kết cấu chắc chắn. - Tuổi thọ cao. - Độ tin cậy cao. - Dễ tháo lắp, thay thế, sửa chữa các chi tiết. Nhược điểm: - Kích thước và trọng lượng lớn. b. Rơle do Nhật Bản sản xuất: - Có nhiều loại nhưng chủ yếu là kiểu hút chập. - Kết cấu kiểu Công Sôn -> 1 pha một chỗ ngắt có dây dẫn nối mềm. Ưu điểm: - Kích thước nhỏ, gọn. - Mẫu mã hình dáng đẹp. Nhược điểm: - Công nghệ chế tạo cao. - Độ tin cậy không cao. * Kết luận: Từ hai loại rơle do Liên Xô cũ và Nhật Bản sản xuất trên và yêu cầu của thiết kế của đồ án ta chọn loại rơle do Liên Xô cũ sản xuất làm nhiệm vụ thiết kế. III.2. Lựa chọn phương án thiết kế : Qua quan sát và tìm hiểu kết cấu rơle của các nước kể trên ta thấy chúng thường có cấu chung gần giống nhau. Kiểu hút chập. Dạng mạch từ hình chữ U. Tiếp điểm động được bố trí trên 1 thanh. Kết cấu đơn giản. 1 - Lò xo nhả 2 - Lẫy gạt 3 - Cần chuyển động 4 - Tiếp điểm tĩnh, thanh dẫn tĩnh 5 - Tiếp điểm động, thanh dẫn động 6 - Đế giữ mạch từ. 7 - Thân mạch từ 8 - Vá 9 - Cuộn dây 10 - Vòng ngắn mạch 11 - Nắp mạch từ 12 - Cơ cấu truyền đông 13 - Dây dẫn cuộn dây 14 - Lẫy giữ vỏ 15 - Đế 16 - Thanh giữ và định hướng chuyển động cho thanh truyền động. a. Chọn tiếp điểm: Tiếp điểm là một bộ phận quan trọng của rơle, nó ảnh hưởng đến độ bền, hư hỏng của rơle. Tuy thuộc vào dòng điện, chức năng kết cấu và hình thức tiếp xúc của tiếp điểm trong rơle mà lựa chọn tiếp điểm cho phù hợp và phải thoả mãn những yêu cầu cơ bản sau: - Nhiệt độ: Phát sáng của bề mặt tiếp xúc ở chế độ làm việc dài hạn phải nhỏ hơn nhiệt độ cho phép với dòng điện lớn tiếp điểm phải chịu được độ bền nhiệt và độ bền điện động. - Điện trở tiếp xúc và ổn định độ rung không vượt quá giá trị cho phép. b. Chọn nam châm điện: Theo nguyên lý truyền động điện từ thì nam châm có dạng nắp hút chập hay hót quay. Qua phân tích ta chọn nam châm, nam châm kiểu hút chấp có các tính năng nh­ sau: + Lực hút điện từ lớn. + Nam châm điện đóng vai trò cơ cấu truyền động, nó quyết định tính năng làm việc cũng nh­ kích thước của rơle. + Từ thông số không đổi trong quá trình nắp chuyển động. + Từ dẫn khe hở không khí không lớn. + Đặc tính lực hút gắn với phản lực . + Vòng ngắn mạch. c. Chọn khoảng cách cách điện: Khoảng cách cách điện trong rơle nói riêng và trong các loại khí cụ điện nói chung đóng một vai trò hết sức quan trọng. Nó ảnh hưởng đến kích thước, độ tin cậy, tuổi thọ và khả năng làm việc của các thiết bị. Khoảng cách cách điện phụ thuộc vào các yếu tố sau: + Điện áp định mức. + Môi trường làm việc. + Độ bền nhiệt của các vật liệu trong rơle. - Điện áp cách điện giữa các pha và các pha với đất theo bảng 1-2 TL2 chọn khoảng cách cách điện giữa các pha lcd = 10 (mm). CHƯƠNG II. Tính toán và kiểm nghiệm mạch vòng dẫn điện I. Giới thiệu kết cấu mạch vòng dẫn điện Trong các loại khí cụ điện nói chung và rơ le trung gian nói riêng. Mạch vòng dẫn điện đóng vai trò quan trọng, nó cùng với nam châm điện, khâu truyền động trung gian, và các bộ phận kết cấu khác cấu thành một rơ le hoàn chỉnh. Trong rơ le trung gian, mạch vòng dẫn điện là kết cấu của nhiều bộ phận khác nhau cấu tạo thành. Nó bao gồm, thanh dẫn động, thanh dẫn tĩnh, tiếp điểm động, tiếp điểm tĩnh, giá đỡ tiếp điểm, dây nối mềm, đầu nối ra. Hình 1.1. Kết cấu chung của mạch vòng dẫn điện. Tính toán thiết kế mạch vòng dẫn điện của rơ le điện từ trung gian xoay chiều kiểu kín, thực chất là tính toán thiết kế từng bộ phận cấu thành nó nh­ đã nêu ở trên. II. Thiết kế tính toán thanh dẫn 1. Các bước tính toán thanh dẫn. Tính toán thiết kế thanh dẫn bao gồm: - Xác định tiết diện và chế độ làm việc cơ bản của nó ở chế độ dài hạn và các chế độ khác. - Tính toán kiểm nghiệm tiết diện và kích thước của nó ở chế độ làm việc ngắn hạn và chế độ khởi động đối với rơ le trung gian là khả năng điều khiển và dùng trong tự động hóa, các chế độ sự cố như ngắn mạch xảy ra với các thiết bị phân phối năng lượng. - Lựa chọn dạng và kết cấu thanh dẫn trên cơ sở các thông số đã tính toán. 2. Tính toán thanh dẫn động Thanh dẫn động, thực hiện chức năng đóng hay mở tiếp điểm, truyền chuyển động, mang điện truyền tải, do đó nó phải đảm bảo tính dẫn điện, độ bền cơ khí, khả năng tản nhiệt, mức độ phát nóng phải phù hợp. Với các loại rơ le trung gian điều khiển dùng trong tự động hóa hiện nay, người ta thường dùng vật liệu là đồng phôt pho, có tính chất và các thông số kỹ thuật nh­ sau (Tra theo bảng 2.22 của tài liệu [2] và đồ thị 1.11 của tài liệu [2]). Ký hiệu Bp0f6,5 Tỷ trọng g=8,9g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy Tnc=1083oC Điện trở suất ở 20oC r=0,01754.10-6W.m Hệ số nhiệt điện trở a=4,3.10-31/0C Độ dẫn điện l=3,9W/g0C Nhiệt lượng nóng chảy 390J/g Nhiệt dung Cp=0,385J/g0C Modul đàn hồi 4600.106kG/cm2 Hệ số nhiệt độ của nhiệt dung 10-4 Nhiệt lượng bay hơi 2600J/g Độ cứng HB=105B.kG/mm Giới hạn đồ bền kéo sk=550N/mm2 Nhiệt độ ổn định cho phép 1300C Độ tăng nhiệt cho phép 900C Với kết cấu rơ le trung gian, thanh dÉn động có kết cấu hình chữ nhật đã chọn, để đảm bảo các chế độ hoạt động, độ bền theo yêu cầu, thanh dẫn chữ nhật có chiều dài l. tiết diện chữ nhật có chiều dài a, và chiều rộng b như sau: a b Hình 1.2: Kêt cấu thanh dẫn a. Xác định kích thước cơ bản. Từ công thức Niutơn: P = KT.S.T. (qôđ-q0) = KT.ST.tôđ Cũng có thể biểu diễn công thức cân bằng nhiệt độ ở chế độ xác lập cho mọi chi tiết với bề mặt tản nhiệt ST, chiều dài l, và chu vi là ST/l: P = I2.Rq.Kf = KT.ST. (qôđ-qmt) Hay: Trong đó: Rq: Điện trở của thanh dẫn ở nhiệt độ ổn định (W) rq: Điện trở xuất của vật liệu ở nhiệt độ ổn định (Wm) rq = P0 .(1+a.q) = r20.[1+a.(q-20)] = rmt . [1+a.(q-qmt)] r0, r20, rmt điện trở xuất của vật liệu ở 00C, 200C, và nhiệt độ môi trường (Wm) a là hệ số nhiệt điện trở, của đồng là 0,0043 1/0C. Kf là hệ số tổn hao phô đặc trưng cho hiệu ứng gần và hiệu ứng bề mặt. Kf = Kbm .Kg Kbm là hệ số phụ đặc trưng cho hiệu ứng bề mặt. Kg là hệ số phụ đặc trưng cho hiệu ứng gần. Với dòng điện xoay chiều, chọn Kf = 1,03¸1,06, ở đây chọn Kf = 1,05. S là tiết diện của thanh dẫn S = a.b (mm2) ST là tiết diện tản nhiệt của thanh dẫn (mm2) P là công suất tản nhiệt (W) Ctd là chu vi của thanh dẫn Ctd = 2(a+b) (mm) qôđ là nhiệt độ ổn định của thanh dẫn qôđ =1300C qmt là nhiệt độ môi trường hoạt động thông thường lấy qmt = 400C. KT là hệ số tỏa nhiệt, KT = 6.10-6W/mm2.0C (Bảng 6-5 của tài liệu [2]). I là dòng điện định mức, I = 5A Tra bảng 6-2 của tài liệu [2] ta được: P20 = 0,01754.10-3 Wmm Do đó ta có: Pq = 0,01754.10-3 [1+0,0043.(130-20)] = 0,0258.10-3 Wmm Tiết diện thanh dẫn được tính theo công thức 2-4 của tài liệu [2] ta có: S.Ctd = Tiết diện S = a.b, chu vi Ctd = 2(a+b). Do đó các cạnh a, b của hình chữ nhật thanh dẫn động xác định như sau: a.b.2.(a+b) = Hay: b = Trong đó n = a/b, nằm trong khoảng 5¸10. Chọn n=10, Iđm = 5A, Kf = 1,05, Pq = 0,0258.10-3Wmm tôđ = 130-40 = 900C ta được a = 10.b = 0,755 mm Để thanh dẫn đạt yêu cầu về kỹ thuật và tính toán ta chọn kích thước thanh dẫn dựa trên việc chọn đường kính tiếp điểm của thanh dẫn. Mà việc chọn đường tiếp điểm thanh dẫn phụ thuộc vào dòng điện định mức theo bảng 2-15 TL[2] Ta có: Iđm = (2¸5) A ® dtđ =(2¸4)mm Chọn dtđ = 3mm Chiều rộng của thanh dẫn phải lớn hơn đường kính tiếp điểm. Các kích thước trên đó phải thỏa mãn về độ bền cơ và bền điện, nên ta chọn a = 5mm; b = Tiết diện thanh dẫn động: S = a.b = 2,5 mm2 Chu vi thanh dẫn động: C = 2(a+b) = 2(0,5+5) = 11mm Mật độ dòng điện là: b/ Tính toán kiểm nghiệm thanh dẫn * Kiểm nghiệm lại nhiệt độ thanh dẫn Từ công thức 2-4 của tài liệu [2] Do đó: Trong đó: S là tiết diện thanh dẫn, S = 2,5mm2 Ctd là chu vi thanh dẫn Ctd = 11mm P0 là điện trở suất của thanh dẫn ở 00C (Wmm) qtd là nhiệt độ hoạt động ổn của thanh dẫn với các thông số kích thước đã chọn. Trong công thức 2-4 của tài liệu [2] nó đóng vai trò qôđ Ta có: Nh­ vậy ta có: Vậy ta có: qôđ = 1300C (theo đề bài) > qtđ = 430C Nên thanh dẫn thỏa mãn về nhiệt độ ở chế độ dài hạn *. Kiểm nghiệm lại chế độ làm việc ngắn mạch Từ công thức 6-21 trong tài liệu [2]: Trong đó: Ibn = Inm là dòng ngắn mạch và cũng chính là dòng bền nhiệt (A) Tnm = Tbn = là thời gian ngắn mạch và cũng chính là thời gian bền nhiệt (s) Abn, Ad là hằng số tích phân với độ bền nhiệt và nhiệt độ dài (A2 s/mm4). Trong đó đối với đồng Abn lấy ở qbn = 3000C S là tiết diện thanh dẫn S =2,5mm2 Tra đồ thị 6-6 tài liệu [2] ta có: qbn =3000C thì ta có Abn =4.104 (A2 s/mm4) qôđ =1300C thì ta có Abn =2,1.104 (A2 s/mm4) Từ công thức (**) ta có: Với t = 3s ta có [J] = 94A/mm2 Mà = => Với t = 4s ta có = Þ Với t = 10s ta có [J] = 51 (A/mm2) Þ Ta lập được bảng so sánh giữa mật độ dòng điện bền nhiệt đã tính và mật độ dòng điện bền nhiệt tiêu chuẩn của thanh dẫn t(s) J(Amm2) t=3s t=4s t=10s Jtt 79,6 68,9 43,6 [J] 94 82 52 Vậy thanh dẫn thỏa mãn điều kiện làm việc ở chế độ ngắn hạn. * Kiểm nghiệm thanh dẫn động làm việc ở chế độ ngắn hạn Điện trở thanh dẫn trên một đơn vị chiều dài (1mm) ở nhiệt độ 1300C là: R130 = R20[1+a(q-20)] r20[1+a(q-20)] Thay sè ta có: R130 = 0,01754.10-3.[1+0,0043.[130-20] = 0,2067.10-3W Tổn hao công suất ở chế độ dài hạn là: Pdh = Idh2.R130 = 25.0,2067.10-3 = 5,1673.10-3W/mm Hằng số thời gian phát nóng theo 6-13 trong tài liệu [2] là: Trong đó: Cp là nhiệt dung riêng của đồng phốt pho. Cp = 0,385J/Kg.0C M là khối lượng của vật phát nóng: M = g.S.l = 8,9.0,025.2 = 0,445g S là tiết diện thanh dẫn, S = 2,5mm2 g là trọng lượng riêng của đồng phốt pho, g = 9,8g/cm l là chiều dài thanh dẫn, l = 20mm KT là hệ số tỏa nhiệt của thanh dẫn tính: Suy ra: Độ tăng nhiệt ngắn hạn: Chọn chế độ ngắn hạn có tnh = 20s Ta có: Độ tăng nhiệt ổn định khi công suất ở chế độ ngắn hạn là: Đối với với công suất cho phép ở chế độ ngắn hạn là: = 67812 . 10-3 W/cm2. Dòng cho phép ở chế độ ngắn hạn là: Hệ số công suất quá tải ở chế độ ngắn hạn là: Hệ số quá tải dòng ở chế độ ngắn hạn là: Tính toán kiểm nghiệm: Nh­ vậy kết quả chọn và kết quả tính toán kiểm nghiệm ở trên là gần đúng. Do đó thanh dẫn động có thể hoạt động tốt ở chế độ ngắn hạn. 3. Tính toán thanh dẫn tĩnh Thanh dẫn tĩnh là bộ phận cắm trực tiếp với đế, có chứa cả tiếp điểm để tiếp xúc với thanh dẫn động qua đầu nối. Nh­ vậy là khả năng làm việc của thanh dẫn tĩnh ngoài độ bền về điện, nó còn phải có độ bền về cơ, do đó ta có thể chọn thanh dẫn tĩnh nh­ sau: a = 5mm b = 1mm Khi đó tiết diện cắt ngang của thanh dẫn tĩnh là: Stdt = a.b = 5.1 = 5 (mm2) - Mật độ dòng qua thanh dẫn tĩnh là: - Chu vi thanh dẫn tĩnh Ptdt = 2 (a+b)=12(mm) Để đảm bảo tiếp xúc tốt với đế, ta mạ bạc vào thanh dÉn tĩnh, mặt khác do thanh dẫn động có kích thước nhỏ hơn mà vẫn đảm bảo độ bền về điện và cơ nên thanh dẫn tĩnh có kích thước lớn hơn vẫn có thể đảm bảo các yêu cầu hoạt động như thanh dẫn động. Do đó các lựa chọn nh­ trên có thể thoả mãn trong trường hợp thanh dẫn tĩnh. III. Thiết kế tính toán tiếp điểm. 1. Chức năng của tiếp điểm. Tiếp điểm trong các khí cụ điện đóng ngắt nói chung, các rơle trung gian nói riêng, đều có chức năng đóng ngắt, truyền tải tín hiệu, công suất, điều khiển, các thông số hoạt động của tiếp điểm rất quan trọng, nó xác định kích thước, phương thức lựa chọn một rơ le trung gian. 2. Yêu cầu với các tiếp điểm. Tiếp điểm cần thiết kế là tiếp điểm tĩnh và động của một rơ le trung gian hoạt động ở chế độ định mức, nhiệt độ bề mặt nơi không xảy ra tiếp xúc phải đảm bảo nhỏ hơn nhiệt độ cho phép là 1300C. Nhiệt độ cho phép ở vùng tiếp xúc phải nhỏ hơn nhiệt độ biến đổi tinh thể cho phép của vật liệu làm tiếp điểm. Đối với dòng điện lớn cho phép, nh­ dòng khởi động, dòng ngắn mạch, tiếp điểm phải chịu độ bền nhiệt, độ bền điện động (do lực điện động gây ra). Hệ thống tiếp điểm rập hồ quang (nếu có) phải có khả năng đóng ngắt cho phép không bé hơn trị số cho phép. Khi làm việc với dòng định mức và đóng ngắt dòng điện trong giới hạn cho phép, tiếp điểm phải có độ mòn điện và độ mòn cơ bé nhất, độ rung của tiếp điểm phải không lớn hơn trị số cho phép. Để cho ngắn gọn, ta chọn các công thức tính toán đối với trường hợp tính toán tiếp điểm là các công thức kinh nghiệm. 3. Chọn vật liệu làm tiếp điểm. Để đảm bảo các yêu cầu của tiếp điểm về điện trở suất, điện trở tiếp xúc nhỏ, Ýt bị ăn mòn, Ýt bị ô xi hoá, khó hàn dính, độ cứng cao và làm việc tốt với dòng điện định mức Iđm = 5A. Ta có thể chọn tiếp điểm là bạc kéo nguội với các thông số kỹ thuật cho ở bảng 2-13 của tài liệu [2] và đồ thị 1.11 của tài liệu [2] nh­ sau: Ký hiệu CP 999 Tỷ trọng 10,5g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy qnc = 9610C Điện trở suất ở 200C r20 = 0,0159 . 10-6 W.m Độ cứng HB = (30¸60) kG/mm2 Độ dẫn nhiệt l = 4,16W/cm0C Hệ số nhiệt điện trở a = 4.10-3 1/0C Kích thước của tiếp điểm phụ thuộc vào dòng điện định mức và kích thước của thanh dẫn động hoặc thanh dẫn tĩnh. Đối với dòng điện 5A tra bảng 2-15 của tài liệu [2] ta chọn đường kính tiếp điểm là d = 4mm, chiều cao tiếp điểm tĩnh có dạng hút chập tức là một pha chỉ có một chỗ ngắt. Mô tả kết cấu tiếp điểm nh­ sau: Hình 1.3. Kích thước tiếp điểm 4. Tính lực Ðp tiếp điểm. Lực Ðp tiếp điểm phải đảm bảo cho tiếp điểm hoạt động ở chế độ dài hạn và chế độ ngắn hạn với dòng điện lớn. Theo tính công thức 2-17 tài liệu [2] ta có: Ftđ = ftđ. Iđm. Trong đó: Iđm là dòng điện định mức của rơ le trung gian kiểu kín Iđm =5A. Chọn ftđ = 0,06 N/A (tra theo trang 57 tài liệu [2]) Ftđ = 0,06 . 5 = 0,3N 5. Xác định điện trở tiếp xúc. Điện trở tiếp xúc một chỗ ngắt Rtx là một phần của mạch vòng dẫn điện. Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm không bị phát nóng xác định theo công thức kinh nghiệm 2-25 tài liệu [2]. Trong đó: - Ftđ là lực Ðp tiếp điểm Ftđ = 0,3N. - m là hệ số bề mặt tiếp xúc. Chọn dạng tiếp xúc là dạng tiếp xúc điểm thì m = 0,5 (trang 59 tài liệu [2]). - Ktx là hệ số tiếp xúc, chọn Ktx =0,06 .10-3 (trang 59 tài liệu [2] ) Thay số vào ta được : Vậy điện trở tiếp xúc tại 1300C là: Rtx130 = Rtx20. [1+2/3.a. (130 – 20)] = 0,343. (1 + 2 / 3. 0,004 . 110) = 0,44mW 6. Điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc. Trong trạng thái đóng của tiếp điểm, điện áp rơi trên mạch vòng dẫn điện chủ yếu là do điện trở tiếp xúc của các phần đầu nối, điện trở của vật liệu làm tiếp điểm là không đáng kể so với Rtx. Vì vậy theo công thức điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc là: Utx = Tđm. Rtx = 5.0,44 =2,2mV. Nh­ vậy với giá trị Utđ = 2,2mV thì luôn thoả mãn yêu cầu về điện áp rơi cho phép trên tiếp điểm các khí cụ điện điều khiển và phân phối năng lượng đến 1000V trong đó tiếp điểm làm việc trong không khí là: Utđ = 2 ¸ 30mV. 7. Tính nhiệt độ phát nóng của tiếp điểm. Dựa vào sự cân bằng nhiệt trong quá trình phát nóng của thanh dẫn dài vô hạn, có tiết diện không tương đối. Giả sử một đầu thanh tiếp xúc với thanh dẫn khác và nguồn nhiệt đặt tại nơi tiếp xúc. Theo công thức 2-11 tài liệu [2] ta có: Trong đó: - qmt là nhiệt độ môi trường xung quanh: qmt = 400C. - Iđm là dòng điện định mức, Iđm = 5A. - S là tiết diện thanh dẫn động. S = 0,025 cm2. - Ctd là chu vi của thanh dẫn. Ctd = 1,1 cm. - KT là hệ số toả nhiệt ra, KT = 6.10-4W/cm20C - Rtx là điện trở tiếp xúc của tiếp điểm Rtx = 0,44. 10-3W. - rq130 là điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm ở 1300C ta có: rq130 = r20.[1+a.(q-20)] = 0,0159.10-4[1+0,004.(130 –20)] = 0,02289 .10-4Wcm. l là độ dẫn nhiệt, l = 0,416W/mm20C. Ta có: = 40 +3,45 + 2,1 = 45,60C Vậy theo 2-12 tài liệu [2] ta có: qtđ+ Thay số vào ta được: Nh­ vậy qtx = 46,240C < [qtx] = 1800C là nhiệt độ dạng tinh thể của vật liệu làm tiếp điểm là bạc. 8. Xác định dòng điện hàn dính. Khi dòng điện qua tiếp điểm lớn hơn dòng điện định mức Iđm = 5A (xảy ra khi quá tải, ngắn mạch, khởi động) nhiệt độ sẽ tăng lên và tiếp điểm bị đẩy do lực điện động dẫn đến khả năng bị hàn dính. Độ ổn định của tiếp điểm chống đẩy và chống hàn dính, gọi là độ ổn định điện động (độ bền điện động). Độ ổn định nhiệt và độ ổn định điện động là các thông số quan trọng được biểu thị qua trị số dòng điện giới hạn hàn dính Ithhd. Tại trị số đó sự hàn dính của tiếp điểm có thể không xảy ra, nếu cơ cấu có khả năng đủ để ngắt tiếp điểm. Có hai tiêu chuẩn để đánh giá : Lực cần thiết để tách các tiếp điểm bị hàn dính, trị số tới hạn của dòng điện hàn dính, các trị số này phụ thuộc vào vật liệu làm tiếp điểm, và kết cấu chế độ làm việc của khí cụ điện. Theo công thức kinh nghiệm ta có thể xác định dòng điện hàn dính bằng công thức 2-36 tài liệu [2]. Ihd = Khd. Với Ftđ = 0,3N = 3.10-2kG. Khd là hệ số hàn dính tra theo bảng 2-19 tài liệu [2]. Chọn Khd =1000 Ta có: Ihd= 1000.=173,2A So với yêu cầu kỹ thuật ta có dòng điện ngắt mạch Inm là: Inm =10.Iđm = 10.5 = 50A Nh­ vậy với dòng điện ngắn mạch là 50A, thì khi ngắn mạch, mạch không thể nào hàn dính được do Iđm = 50A < Inmcp = Ihđ = 173,2A. 9. Độ ăn mòn tiếp điểm. Sự ăn mòn tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng và ngắt mạch điện. Sự ăn mòn của tiếp điểm được thể hiện qua việc giảm độ lún của kích thước (chiều cao) của tiếp điểm cũng nh­ giảm khối lượng hoặc thể tích của tiếp điểm. Nguyên nhân gây ra sự ăn mòn của tiếp điểm là sự ăn mòn về hoá học, ăn mòn về cơ nhưng chủ yếu là sự ăn mòn về điện gây nên cho tiếp điểm. TÝnh toán sự ăn mòn của tiếp điểm rất phức tạp và thiếu chính xác, ở đây ta chỉ dùng các công thức gần đúng để tính toán. Sự ăn mòn của tiếp điểm thể hiện qua thời gian sử dụng ứng với số lần đóng ngắt. Chúng được xác định theo công thức 2-48 tài liệu [2]. Trong đó: - Vm cm3 là phần thÓ tích của mỗi tiếp điểm cỡ 0,5¸0,75 độ dày (chiều cao) của tiếp điểm khi bị ăn mòn. - Vđ là thể tích mòn tính cho một lần đóng. - Vng là thể tích tính cho một lần ngắt. - gđ là khối lượng mòn riêng cho một lần đóng. - gng là khối lượng mòn riêng cho một lần ngắt. - g là khối lượng riêng của vật liệu làm tiếp điểm. Ta có công thức 2-54 tài liệu [2]: gđ+ gng =10-9 (KđIđ2 +KngIng2)Kkđ. Trong đó: Kđ, Kng (g/A2) là hệ số mòn khi đóng và khi ngắt. Tra trong đồ thị 2-16 tài liệu [2]. Với Ing = Iđ =5A, ta được Kđ = Kng = 0,45g/A2. Kkđ là hệ số không đồng đều, đánh giá độ mòn không đều của các tiếp điểm. Với khí cụ điện xoay chiều Kkđ = (1,1ữ 2,5).ở đây ta chọn Kkđ =1,1 lần độ mòn đều của tiếp điểm. Nh­ vậy ta có: gđ + gng = 10-9. (0,45.102 + 0,45.102).1,1=0,99.10-7g. Vậy Vđ + Vng = (gđ + gng)/g ==0,0943.10-7g Thể tích cuả đôi cặp tiếp điểm là: = 12,56mm3 Do đó: Ta thấy N = 1,33.106 > Nđiện = 106 . Nên kích thước và tính toán lựa chọn thỏa mãn độ bền điện. Vậy thể tích bị ăn mòn trong qúa trình làm việc là: Vm = Nđiện . (Vđ + Vng) = 106.0,094.10-7 = 9,4.10-3 cm3 Ta có diện tích của cặp tiếp điểm là: Vậy độ ăn mòn của tiếp điểm là: Với chiều cao h = 1mm, ta có hm/h = nằm trong phạm vi 0,5¸0,75 nên kết cấu lựa chọn thỏa mãn. 10. Độ mở Độ mở m của tiếp điểm là khoảng cách giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh ở trạng thái ngắt của rơ le. Độ mở cần thiết phải đủ lớn để có khả năng rập hồ quang, song nó không được lớn quá ảnh hưởng tới kích thước của rơ le. Theo kinh nghiệm, 1mm có thể chịu được 3000V vì vậy ta chọn độ mở của rơ le cần thiết là 3mm. 11. Độ lún Độ lún của tiếp điểm là quãng đường đi thêm được của tiếp điểm động nếu không có tiếp điểm tĩnh cản lại. Cần thiết phải có độ lún của tiếp điểm để có lực Ðp và trong qúa trình làm việc tiếp điểm bị ăn mòn nhưng vẫn đảm bảo tiếp xúc. Vì vậy phải chọn độ lún của tiếp điểm lớn hơn độ ăn mòn của tiếp điểm mới có thể đảm bảo tiếp xúc tốt. l = (1,5 ¸2).hm = 1,6.0,748 = 1,2mm Nh­ vậy tiếp điểm đi được trong một hành trình là: d= 3 + 1,2 = 4,2mm IV. Đầu nối Đầu nối tiếp xúc là phần tử rất quan trọng của khí cụ điện, nếu không chú ý dễ bị hư hỏng nặng trong vận hành nhất là với khí cụ điện có dòng điện lớn và điện áp cao. Có thể chia làm hai phần. Các đầu cực để nối với dây dẫn ngoài. Mối nối các bộ phận bên trong mạch vòng dẫn điện. Yêu cầu đối với các mối nối ở chế độ làm việc dài hạn với dòng điện định mức không được tăng quá trị số cho phép, do đó mối nối phải có kích thước và lực Ðp tiếp xúc để điện trở tiếp xúc Rtx không lớn, Ýt tổn hao công suất. Mối nối tiếp xúc cần có đủ độ bền cơ và độ bền nhiệt khi có dòng ngắn mạch chạy qua. Lực Ðp điện trở tiếp xúc, năng lượng tổn hao và nhiệt độ phải ổn định, khi khí cụ điện vận hành liên tục. Chọn kết cấu mối nối có thể tháo rời được , dây dẫn được nối với đầu nối thông qua mối hàn có tráng thiếc thanh dẫn động hoặc thanh dẫn tĩnh. Ngoài ra phần đầu nối phải bố trí hợp lý để không gây ảnh hưởng tới yếu tố xung quanh. Với dòng điện I = 5A ta chọn mối nối tháo rời, và sử dụng loại vít M2 bằng thép CT3 vậy có thể lấy d = 3mm. Tiết diện của lỗ vít: Với dòng điện định mức Iđm = 5A, tra trang 31 tài liệu [2] mật độ dòng điện phần tiếp xúc đầu nối lấy J = 0,31A/mm2, tiết diện của bề mặt tiếp xúc được xác định theo công thức: Tổng diện tích tiếp xúc của vít: S = Stx + Slv = 7,065 + 16,13 = 23,19mm2. Chọn chiều rộng của phần bắt bu lông là 4mm. Chiều dài của phần bắt bulông xấp xỉ 6mm. Lực Ðp được tính theo công thức: Ftx =100.16,13.10-2=16,13kG = 161,3N. V. Dẫy dẫn mềm. Để xác định đường kính dây dẫn mềm, do chênh nhiệt ta có công thức: Do đó: Trong đó : - d là đường kính dây dẫn mềm. Chọn d =2(mm). - I là dòng điện định mức Iđm =5A. - S là diện tích của dây dẫn: - J là mật độ dòng điện qua dây dẫn: j < [j] = [2¸4]A/mm thoả mãn thiết kế. - P là chu vi của dây dẫn mềm P =p.d = p . 2 = 6,28mm. - rcu là điện trở suất của đồng, rcu = 0,0176.10-3(mm) Thay số vào ta có: Nh­ vậy nhiệt độ chênh lệch của dây dẫn là 15,630C lúc đó nhiệt độ của dây dẫn sẽ là : qôđ = qmt + tôđ = 40 + 3,9 = 43,90C Vậy qôđ = 43,90C < [qôđ] =1300C do đó đủ chỉ tiêu về lĩnh vực kỹ thuật. Nhiệt độ mà ở đó nhiệt độ phát nóng không được lớn hơn trị số cho phép, phải đảm bảo cách điện. Dây dẫn phải đủ độ mềm và chiều dài, để khi rơ le làm việc không ảnh hưởng tới quá trình đóng ngắt của tiếp điểm. Chọn chiều dài dây dẫn 3cm. chương iii: tính và dựng đặc tính cơ I. Khái niệm Đường đặc tính cơ phản lực Fph = f(d) là tổng hợp đặc tuyến của các đường đặc tuyến của các lực gồm có: - Lực ma sát Fms - Lực lò xo nh­ Fnh - Lực lò xo tiÕp điểm thường đóng và thường mở Ftđ - Trong lực nắp mạch từ Gn = Gđ (coi trọng lượng của phần động chính là trọng lượng của nắp nam châm điện). ii. sơ đồ động Được biểu thị ở hai trạng thái khác nhau d = 0 và d ¹ 0 (d = m + l). Fnh lnh lt®® Gn F®t 0 Fnh lnh l®t Gn F®t 0 d ¹ 0 (d = m + l) d = 0 Trong đó: d: khe hở không khí giữa thân và phần ứng Gđ: trọng lượng phần động Fđt: lực hút điện từ Fnh: lực lò xo nhả Iii. tính toán lò xo tiếp điểm 1. Tính chọn vật liệu làm lò xo tiếp điểm Do thanh dẫn động cũng là lò xo tiếp điểm vì vậy lò xo tiếp điểm là đồng phốt pho. Lò xo có dạng tấm phẳng có lực không lớn và độ võng cũng nhỏ; lò xo bằng đồng phốt pho có điện trở nhỏ, độ bền cơ điện cao, có khả năng chống ăn mòn tốt. Các thông số của lò xo tiếp điểm. Ký hiệu bp0 f6,5 Giới hạn đàn hồi 350 N/mm2 Giới hạn mỏi cho phép khi uốn du = 350 N/mm2 Giới hạn mỏi cho phép khi xoắn dx = 120 N/mm2 Modul đàn hồi E = 110.103 N/mm2 Modul trượt G = 42.103 N/mm2 Điện trở suất r = 0,176.10-6 Wm Khi rơle tác động gây ra lực Ðp tiếp điểm ở 4 tiếp điểm thường mở. + Lực Ðp tiếp điểm cuối của lò xo Ftđc = 4Ftđ = 4.0,3 = 1,2 (N) + Lực Ðp tiếp điểm đầu của lò xo Ftđđ= 0 2. Tính kích thước lò xo tiếp điểm Thanh dẫn động đồng thời cũng chính là lò xo tiếp điểm nên kích thước của chúng là kích thước của thanh dẫn động. Tiếp điểm có giá đỡ là nắp của mạch từ được Ðp chặt với một miếng nhựa cứng có nhiệt độ nóng chảy cao. - Chiều rộng lò xo: a = 5 mm - Chiều dài lò xo: b = 0,5 mm Theo công thức 4 - 25 của tài liệu [2] ta có: dut = Trong đó: w: mômen chống uốn dut: ứng suất thực tế khi uốn l: chiều dài thanh dẫn động F: lực Ðp tiếp điểm b l Chiều dài lò xo tiếp điểm. Theo công thức 4-17 tài liệu [2] ta có: L = Trong đó: F = Ftđ = 0,3 (N): lực đặt tại tiếp điểm E = 110.103 (N/mm2): môđul đàn hồi của vật liệu làm lò xo J(mm4): mômen quán tính của tiết diện ngang lò xo đối với trục trung tính của tiết diện. J = = 0,052 mm4 f = 1,2 (mm): độ võng của lò xo Suy ra: L = = 40,9 (mm) Chọn chiều dài thanh dẫn: L = 40 (mm) Þ dut = = 57,6 (N/mm2) Vậy dut = 57,6 N/mm2< [dư] = 190 N/mm2 là thoả mãn các phương án đã chọn. * Độ võng cần thiết của lò xo tại đầu nút. Ta có: f = E: modul đàn hồi J: momen quán tính: J = 0,052 (mm4) Þ f = = 1,12 (mm) * Độ cứng của lò xo tĩnh chính là lực gây ra độ võng 1mm. j = = 0,28 (N/m) 3. Tính trọng lượng của phần động Ta có công thức: Gđ = Gn= mc.Iđm Trong đó: I = 5A: dòng điện định mức mc = (5 ¸ 10) G/A chọn mc = 10 G/A Þ Gđ = 5.10 = 50 (G) = 0,5 (N) 4. Tính lò xo nhả 4.1. Chọn vật liệu làm lò xo nhả Vật liệu làm lò xo nhả sử dụng loại thép cacbon có độ bền về cơ cao bản thân nó không dẫn điện. Kiểu của lò xo thuộc loại xoắn hình trụ, có khả năng chịu nén vào kéo tốt. Lò xo nhả khi làm việc luôn ở tình trạng kéo, tức là nó tạo được lực Ðp tiếp điểm thường đóng, khi đó thì Fđt = 0. Theo bảng 4-1 của TL[2] ta có các thông số kỹ thuật của thép cacbon. Ký hiệu II (p) Độ bền giới hạn khi kéo 2200 N/mm2 Giới hạn mỏi cho phép khi uốn du = 770 N/mm2 Giới hạn mỏi cho phép khi xoắn dx = 480 N/mm2 Modul đàn hồi 20.103 N/mm2 Modul trượt 80.103 N/mm2 Điện trở suất r = (0,19 ¸ 0,22).10-6 Wm 4.2. Tính lò xo nhả Lò xo xoắn hình trụ được cuốn bằng dây hoặc có tiết diện tròn, có thể chịu nén hướng trụ hoặc chịu tải kéo. Để tính toán lò xo này, trước hết cần chọn chỉ số lò xo C, nó đặc trưng chỉnh độ cong của các vòng lò xo và xác định ứng suất tập trung trong vật liệu của lò xo, chỉ số C còn phụ thuộc vào đường kính d của dây quấn lò xo, khi d nhỏ thì nên lấy C lớn và ngược lại. Trước tiên ta cần tính lực lò xo nhả ban đầu phải tạo được Ftđc của 4 tiếp điểm thường đóng, trọng lượng phần động Gđ và lực ma sát. Fnhđ =Kdt (Ftđc + Gđ + Fms) Trong đó: Kđt = (1,1 ¸ 1,3): hệ số dự trữ, chọn Kdt = 1,2 Ftđc: lực Ðp lò xo tiếp điểm cuối, Ftđc =1,2 (N) Gđ - là trọng lượng phần động. Gđ = 0,5 (N) Fms = 0 bá qua ma sát H h d D d - đường kính dây làm lò xo D - đường kính trung bình lò xo h(mm) - khoảng cách giữa hai vòng lò xo H(mm) - chiều cao của lò xo Suy ra: Fnhđ = 1,2(0,5 + 1,2) = 2,04 (N) Þ Fnhc = K.Fnhđ = 1,8.2,04 = 3,67 (N) * Đường kính d của dây quấn lò xo được xác định theo công thức 4-31 của tài liệu [2]: d = 1,6 Trong đó: F = 3,67 (N): lực lò xo nhả cuối [dx] = 480 (N/mm2) : giới hạn cho phép khi xoắn C: chỉ số lò xo theo (TL2) trang 172 chọn C = 10 Þ d =1,6 = 0,44 (mm) Chọn d = 0,45mm Do đó đường kính trung bình của lò xo Ta có: D = c.d = 10.0,45 = 4,5 (mm) * Số vòng dây của lò xo được xác định theo công thức 4-32 của tài liệu [2] W = Trong đó: G = 80.103 (N/mm2): môđul trượt f: khoảng lún của lò xo f = d = m + l = 3 + 1,2 = 4,2 (mm) Với: m = 3 (mm): độ mở nắp mạch từ l = 1,2 (mm): độ lún tiếp điểm Ứng với: F = DF = Fnhc- Fnhđ = 3,67 - 2,04 = 1,63 (N) d = 0,45 (mm): đường kính dây quấn của lò xo Thay số vào ta được: W = » 11,6 vòng Ta thấy đây là một loại lò xo chịu kéo nên số vòng làm kết cấu của lò xo ta chọn là = 12 vòng. Theo công thức 4-33 tài liệu [2]. + Bước lò xo chịu kéo: tK = d = 0,45mm + Chiều dài tự do của lò xo chịu kéo lk = w.tk = 12.0,45 = 5,4 + Độ cứng của lò xo j = = 0,375 (N/mm) + Độ cứng đàn hồi của lò xo (f') là khoảng kéo của một vòng trên 1 đơn vị lực. Theo công thức 4-29 TL[2] f' = = 4,4 (mm) Ta kiểm nghiệm lại Trị số ứng suất xoắn khi có lực dx = = 462 (N/mm2) dx =462 (N/mm2) < [dx] = 480 (N/mm2) thỏa mãn điều kiện. 4.3. Tính toán lực quy đổi Khi chưa quy đổi: Ftđc = 1,2 (N) Ftđđ = 0 (N) Fnhđ = 2,04 (N) Fnhc = 3,67 (N) Gđ = 0,5 (N) Khi quy đổi về lực hút điện từ. Do điểm đặt của lực điện từ Fđt khác với điểm đặt của lực lò xo tiếp điểm (Ftđ) và lực lò xo và lực lò xo nhả (Fnh). Do vậy ta phải quy đổi 2 lực này về vị trí lực Ðp điện từ Fđt. Ta có: Fqđ = F. = F.kqđ Chọn llx = lđt Þ Kqđ = Vậy các lực được quy đổi nh­ sau: + Lực lò xo tiếp điểm F'tđđ = Ftđđ.Kqđ = 0 (N) F'tđc= Ftđc.Kqđ = 1,2.1 = 1,2 (N) + Lực lò xo nhả F'nhđ = Fnhđ.Kqđ = 2,04.1 = 2,04 (N) F'nhc = Fnhc.Kqđ = 3,67.1 = 3,67 (N) + Lực trọng trường G'đ = Gđ.Kqđ = 0,5.1 = 0,5 (N) + Độ mỡ và độ lún f' = d' = m' + l' = m.kqđ + l.kqđ = 3 + 1,2 = 4,2 (mm) Nh­ vậy để dựng được đường đặc tính lực ta cần phải tổng tất cả các lực để xây dựng nên sơ đồ đặc tính phản lực. iV. đặc tính cơ 5 - 4 - 3 - 2 - 1 - 0 5,37 F(N) 3,7 Fc¬ Fnh 3,2 3 2,5 2,04 1,34 Ft®û ë G® | | | | 1 1,2 2 3 4 4,2 Ft®û ë 1,2 d(mm) 3,67 1,2 Chương iV: Tính toán và kiểm nghiệm nam châm điện I. Giới thiệu chung về nam châm điện. Trong cơ cấu Rơle, nam châm điện là một bộ phận rất quan trọng. Nam châm điện được sử dụng để biến đổi điện năng thành cơ năng. Nam châm điện được sử dụng rộng rãi mà không một lĩnh vực khoa học kỹ thuật nào không sử dụng. Nam châm điện được sử dụng đặc biệt trong các lĩnh vực nh­ sinh lực (truyền động điện) để thực hiện các chuyển dịch tịnh tiến các chuyển dịch quay hoặc sinh ra lực hãm, thông tin liên lạc, tự động điều chỉnh… - Với các lĩnh vực kỹ thuật khác nhau đòi hỏi các nam châm điện phải có hình dáng và kết cấu khác nhau để phù hợp. Có những nam châm điện rất bé khoảng vài milimet mà có những nam châm điện có kích thước đến hàng mét, khối lượng của chúng từ vài gam đến hàng nghìn kilôgam lực điện từ của nam châm từ vài phần gam đến hàng chục tấn. Hành trình từ vài micromet đến hàng mét. Công suất từ vài mill-oat đến hàng chục kilo oat. - Các quá trình vật lý xảy ra trong nam châm điện rất phức tạp thường được mô tả bằng phương trình vi phân, phi tuyến. Vì vậy cho đến nay việc tính toán nam châm điện thường dựa theo những công thức kinh nghiệm gần đúng rồi kiểm tra lại theo công thức lý thuyết. Để đưa ra được kết quả tối ưu. - Trong cơ cấu điện từ, đặc biệt trong rơle điện từ trung gian thì nam châm điện có nhiệm vụ quan trọng là cơ quan sinh lực để thực hiện tịnh tiến cơ cấu chấp hành hệ thống tiếp điểm. - Nguyên lý hoạt động của nam châm điện. Khi có dòng điện chạy trong cuộn dây sẽ sinh ra lực điện từ (Fđt > 0) hút nắp (phần ứng) về phía thân mạch từ. Khi ngắt dòng điện thì lực hút điện từ sẽ không còn Fđt = 0, đồng thời nắp mạch từ sẽ tách ra khỏi thân nó nhờ lực của lò xo nhả Fnh sinh ra. - Đặc điểm của nam châm điện. + Nam châm điện xoay chiều có thể làm việc ở chế độ dài hạn và ngắn hạn. + Nam châm điện kiểu kín, chịu rung và va đập. + Nguồn điện xoay chiều với công suất không đổi: Uđm = 220 (V), Iđm = 5 (A) f = 50 (Hz); S = const. + Môi trường làm việc của rơle có nhiệt độ: qmt = 400C. II. Chọn và tính toán nam châm điện. A. Chọn kết cấu. Nam châm điện về hình thức rất đa dạng, có nhiều dạng kết cấu khác nhau về mạch từ và cuộn dây. Vì vậy dẫn đến sự khác nhau về đặc tính lực hút điện từ và công nghệ chế tạo: như chương I ta đã chọn mạch từ có dạng hình chữ U, kiểu hút chập và cuộn dây quấn trên mạch từ. Do vậy nam châm điện xoay chiều ở phía trên cực từ của cuộn dây ta đặt thêm một vòng ngắn mạch. Ta căn cứ vào hệ số kết cấu để chọn dạng kết cấu tối ưu theo công thức 5-2 của Tài liệu [2] ta có: Kkc = Trong đó: Kkc: hệ số kết cấu Fđt: lực hút điện từ. dth: Khe hở không khí tới hạn của nam châm điện. Xét trên đường đặc tính có phản lực ta xác định ở chương III thấy rằng để rơle làm việc thì có các điều kiện là: - Khi hót Fđt > Fcơ - Khi nhả Fđt < Fcơ. Ta có lực hút điện từ ở điểm tới hạn. Fđtth = Kđt. Fcơth Trong đó: Fđtth: lực hút điện từ tới hạn. Kđt: hệ số dự trữ về lực. Chọn Kđt = 1,2 Fcơth = 3,7 (N) Þ Fđtth = 1,2 . 3,7 = 4,44 (N). Chọn dth = 1,2 (mm) = 1,2 . 10-3 (m). Vậy hệ số kết cấu tối ưu là: Kkc = = 2483 B. Chọn vật liệu từ. Mạch từ của nam châm điện được chế tạo từ thép silic kỹ thuật điện hợp kim cao. ở loại này lực từ phản kháng bé nên tổn hao từ trễ không đáng kể. Theo bảng 5-3 Tài liệu [2]. Ký hiệu É 31 Độ dày lá thép D = 0,5 mm Lực từ phản kháng HC = 0,32 ¸ 0,4 (A/cm) Từ cảm bão hoà Bd = 2 (T) Độ từ thẩm Ma = 250 Độ tự thẩm cực đại Mmax = (6 ¸ 7). 1000 Điện trở suất r = (40 ¸ 60). 10-8 (Wm) Khối lượng riêng g = 7,65 (g/cm3) C. Chọn các thông số cường độ tự cảm, hệ số từ tản và hệ số từ rò. 1. Chọn cường độ tự cảm. - Để tránh trường hợp lãng phí vật liệu làm mạch từ hoặc già hoá lõi thép dẫn tới tổn hao, ta nên chọn từ cảm làm việc không quá lớn nhưng cũng không quá nhỏ. - Từ cảm của lõi thép: Bmax = 0,8 ¸ 1,2 (T) Chọn Bmax = 1 (T) - Từ cảm khe hở không khí tới hạn Bdth = 0,4 ¸ 0,8 (T) Chọn Bdth = 0,5T. 2. Chọn hệ số từ rò. Ở trạng thái phần ứng hở hệ số từ rò sr phụ thuộc rất lớn vào khe hở không khí với sr = 1,1 ¸ 4. Þ Chọn srth = 1,3. 3. Chọn hệ số từ tản. Dựa trên hệ số kết cấu của nam châm điện và theo Tài liệu [2] trang 197 hệ số từ tản trong khoảng st = 1 ¸ 1,8 Þ Chọn st = 1,4 D. Xác định các kích thước và thông số chủ yếu của nam châm điện. 1. Xác định tiết diện lõi thép. Nh­ trên ta đã chọn kết cấu của nam châm điện có hình ch÷ U. Do đó diện tích các cực từ ở 2 phía bằng nhau S1 = S2. Lực từ chỉ tác động nên phía cực từ có dây quấn do đó: Fđtth = Fđt = 4,44 (N) Theo công thức 5-8 tài liệu [2] diện tích cực từ là: S = Gọi kích thước các cạnh của lõi thép là a và b với mạch từ các lá thép kỹ thuật điện ta có quan hệ tối ưu các cạnh của tiết diện chữ nhật. a = b ® S = a. b = a2 Vậy a = = 9,5 mm » 10 (mm) Vì trong quá trình lắp ráp các lá thép có độ dày D = 0,5mm. Do đó ta phải kể đến hệ số Ðp chặt lõi thép KC. Chọn Kc = 0,93. Theo công thức 5 - 12 tài liệu [2] bề dày lõi thép là: b' = » 11 (mm) Do ở đầu cực từ có đặt vòng ngắn mạch nên. a’ = a + D’ vòng, với D’ vòng = 2mm. Þ a’ = 2 + 10 = 12 mm. Vậy tiết diện thật của trụ lõi thép có đặt cuộn dây. S’ = a’b’ = 11 . 12 = 132 (mm2). 2. Xác định kích thước của cuộn dây nam châm điện và nam châm điện. a. Sức từ động của cuộn dây nam châm điện xoay chiều. Kích thước cuộn dây hoàn toàn phụ thuộc vào sức từ động tác động (IW)tđ của nam châm điện do cuộn dây sinh ra nó tạo ra từ áp ở khe hở không khí khi làm việc. Sức từ động tổn hao từ trễ và dòng xoáy trong lõi thép, tổn hao trong vòng ngắn mạch. Các tổn hao này làm tăng dòng điện trong cuộn dây nên sức từ động của cuộn dây cũng tăng. Người ta sử dụng tổng khe hở làm việc tương đương ở trạng thái hút của phần ứng gồm các khe hở giả định dht, khe hở công nghệ dcn và khe hở chống dính dcd để đặc trưng cho từ áp rơi trên lõi thép, tổn hao từ trễ, dòng điện xoáy và trong vòng ngắn mạch. Theo tài liệu [2] trang 208 ta có: Sdh = 2dh + dcd + dht. Sức từ động cần thiết cho nam châm điện tác động (IW)tđ gồm các sức từ động khi nắp hút và khi nắp nhả. (IW)tđ = (IW)h + (IW)nh + Tính sức từ động (IW)nh của cuộn dây khi nhả theo công thức 5-19 trang 209 Tài liệu [2]. (IW)nh = Với Sdnh = dth + dph = 1,2 + 0,1 = 1,3 (mm) Bdth = 0,5 (T) m0 = 1,256 . 10-6 H/m: Hệ số từ thẩm khe hở không khí. Þ (IW)nh = (A/vòng) + Tính sức từ động (IW)h của cuộn dây khi phần ứng hút theo công thức 5-20 trang 210 tài liệu [2] ta có. (IW)h = Trong đó: dcn = 0,05 mm: Khe hở do công nghệ dcd = 0,15mm: Khe hở chống dính dht = 0,05mm: Khe hở giả định. sr = 1,3: hệ số từ rò. bdth = 0,5 (T): Từ cảm khe hở không khí. m0 = 1,256 . 10-6 (H/m): hệ số từ thẩm khe hở không khí. Þ (IW)h = A/vòng Vậy sức từ động cần thiết của nam châm điện. (IW)tđ = (IW)h + (IW)nh = 517,5 + 155,3 = 673 (A/vòng). + Kiểm tra lại bội số dòng điện theo công thức 5-21 TL [2] Ki = = 4,5 Vậy Ki nằm trong khoảng cho phép Ki = 4 ¸ 15. b. Xác định kích thước cuộn dây nam châm điện. - Tiết diện cuộn dây Scd và diện tích số mạch từ cần thiết để đặt cuộn dây có thể xác định theo quan hệ giữa sức từ động, các kích thước cuộn dây và một độ dòng ở chế độ làm việc đã cho. Chế độ làm việc năng về nhất của cuộn dây là khi điện áp nguồn đạt giá trị lớn nhất. Umax = Kmax. Uđm và dòng điện đạt giá trị lớn nhất Imax. - Đối với cuộn dây xoay chiều diện tích cuộn dây được xác định cho trạng thái phần ứng bị hút, vì khi phần ứng hở dòng điện trong cuộn dây lớn hơn nhiều lần so với khi phần ứng bị hút với thời gian ngắn nhất. Vì vậy sức từ động (IW)tđ được tính ở trạng thái hở của phần ứng cần được dựa trên trạng thái hút của phần ứng. Theo công thức (5-24) Tài liệu [2] ta có tiết diện cuộn dây xoay chiều. Scd = (mm2) Trong đó: Knmax = 1,1: hệ số tăng áp Knmin = 0,85: Hệ số sụt áp. Klđ = 0,3 ¸ 0,7: Hệ số lấp đầy cuộn dây chọn Klđ = 0,6. Ki: Hệ số bộ số dòng điện t heo 5-21 Tài liệu [2]. Ki = 4 ¸ 15 chọn Ki = 7 J = 2 ¸ 4 (A/mm2): Mật độ dòng điện chọn J = 4 A/mm2 Þ Scd = = 51,84 (mm2). + Từ tiết diện cuộn dây Scd ta có thể xác định được chiều vao và bề dày cuộn dây. Theo trang 212 tài liệu [2] ta có: = (2 ¸ 4) chọn = 3 Þ hcd = 3lcd Trong đó: lcd: bề dày cuộn dây. hcd: chiều cao cuộn dây Mặt khác theo công thức (5-22) TL [2]. Ta có: Scd = lcd. hcd = 3l2cd. Þ lcd = = 4,2 (mm) » 4,5 (mm) Vậy chiều cao cuộn dây hcd = 3. 4,5 = 13,5 (mm) c. Xác định kích thước của nam châm điện. + Bề rộng cửa sổ mạch từ. C = lcd + D2 + D3 + D4 + D5 + D1 Trong đó: lcd = 4,5 (mm) : Bề dày cuộn dây. D2 = (0,5 ¸ 1) mm : Bề dày lớp cách điện phía ngoài cuộn dây. Chọn D2 = 0,5 (mm) D1 = (1,5 ¸ 2) mm : Chiều dày khung quấn dây. Chọn D1 = 1,5 (mm) D3 = (0,5 ¸ 1) mm : Lớp cách điện phía trong cuộn dây. Chọn D3 = 0,5 (mm) D4 = (5 ¸ 10) mm : Khoảng cách từ lớp cách điện phía ngoài đến thân mạch từ đối diện. Chọn D4 = 5 (mm) D5 = 0,5 (mm): Khe hở lắp ráp Þ C = 1,5 + 4,5 + 0,5 + 0,5 +5 + 0,5 = 12,5 (mm) + Chiều cao cửa sổ mạch từ. hc = hcd = D1 + D6 Trong đó: D1 = (1 ¸ 2) mm: Bề dày tấm cách điện khung dây quấn. Chọn D1 = 1,5 (mm) D6 = (5 ¸ 10)mm: khoảng cách đầu phần ứng tới cách điện đầu trên của cuộn dây. Chọn D6 = 5 (mm) Þ hc = 13,5 + 2 . 1,5 + 5 = 21,5 (mm) + Chiều rộng của nam châm điện. C = 2a1 + C = 2 . 12 + 12,5 = 36,5 (mm) + Tiết diện nắp nam châm điện. - Bề dày của nắp lấy bằng bề dày cực từ. bn = b’ = 11 (mm) - Chiều cao của nắp lấy nhỏ hơn bề dày cực từ. hn = 10 (mm) suy ra: Sn = bn. hn = 11. 10 = 110 (mm2). + Tiết diện đáy của nam châm điện. Sđáy = S1 = 11 . 10 = 110 (mm2). + Chiều cao của nam châm điện. HNC = b + hc + hn = 10 + 21,5 + 10 = 41,5 (mm) E. TÝnh toán kiểm nghiệm nam châm điện. 1. Vẽ sơ đồ đẳng trị với d ¹ 0. Khi nắp mở (d ¹ 0) có thể bỏ qua từ trở và từ kháng của mạch từ, nhưng phải xét đến từ thông dò do đó mạch từ có sơ đồ đẳng trị sau: Khi dòng điện chạy qua cuộn dây của nam châm điện thì sẽ có 3 loại từ dẫn và 3 loại từ thông chạy trong mạch từ gồm: - Gc: Từ dẫn chính của khe hở không khí. - Gt: Từ dẫn tản đặc trưng cho từ thông tản; Gd = Gc + Gt - Gr: Từ dẫn rò đặc trưng cho từ thông rò. - fd: Từ thông chính đi qua khe hở không khí d tạo ra lực điện từ tác động lên nắp. - ft: Từ thông tản là từ thông đi bao bên ngoài từ thông chính. - fr: Từ thông rò là từ thông đi qua khe hở không khí chính mà nó khép kín trong không gian giữa thân và lõi mạch từ. 2. Tính từ dẫn rò: (Gr). Nam châm điện có hình chữ U nên từ dẫn rò được tính theo công thức 5 bảng 5-6 Tài liệu [2]. Gr = G1 + 2 (G7 + G9). Trong đó: G1: Từ dẫn rò của hình trụ chữ nhật. G7: Từ dẫn rò của 1/2 hình trụ đặc. G9: Từ dẫn rò của 1/2 hình trụ rỗng. Với: G1 = (H) G7 = m0 . 0,26lr = 1,256 . 10-6 . 0,26 . 21,5 . 10-3 = 7.10-8 (H). G9 = = 0,86 . 10-8 (H) Với lr = hc = 32,77 Chiều cao cửa sổ mạch từ. Þ Gr = G1 + 2 (G7 + G9). = 2,3 . 10-8 + 2 . 10-8 (0,7 + 0,86) = 5,34 . 10-8(H) + Suất từ dẫn rò trên một đơn vị chiều dài theo bảng 5 - 6 Tài liệu [2]. g = (H/m) - Từ dẫn rò quy đổi trong mạch từ xoay chiều. Grqđ = g (H). 3. Xác định từ dẫn của khe hở không khí: Gd. Ta sử dụng công thức 5 bảng (5-5) trang 226 tài liệu [2] để tính từ dẫn bằng công thức thực nghiệm. Gd = m0 Trong đó: R0 = C + a + = 30,5 (mm) D’ = 0,3 (mm): Là khe hở khi nắp mạch từ ở trạng thái hút. + Với d3 = 0,3 (mm) Þ = 2,54 Þ = 1,057 Þ Gd1 = 60,1 . 10-8 (H) + Với d2 = 1 (mm) Þ = 4 Þ = 1,022 Þ Gd2 = 18,6 . 10-8 (H) + Với d1 = 1,2 (mm) Þ = 4,1 Þ = 1 Þ Gd3 = 15,5 . 10-8 (H) + Với d4 = 2,5 (mm) Þ = 4,54 Þ = 1,02 Þ Gd4 = 8,44 . 10-8 (H) + Với d5 = 3 (mm) Þ = 4,62 Þ = 1,016 Þ Gd5 = 7,3 . 10-8 (H) + Với d6 = 4 (mm) Þ = 4,72 Þ = 1,0154 Þ Gd6 = 5,9 . 10-8 (H) + Với d7 = 4,2 (mm) Þ = 4,74 Þ = 1,0152 Þ Gd7 = 5,68 . 10-8 (H) 4. Xác định từ dẫn tổng. Do khe hở không khí nhỏ nên ta có thể bỏ qua từ dẫn tản. Ge = Gd + Gr. Đạo hàm của từ dẫn khe hở không khí có giá trị bằng tổng đại số các đạo hàm của từ dẫn khe hở không khí và từ dẫn rò khe hở không khí được tính nh­ trên trên có giá trị. Vì Gr = 5,34 . 10-8 (H) = const nên = 0. Giá trị từ dẫn tổng thay đổi theo từ dẫn khe hở không khí. Þ + Với d1 = 0,3 (mm). - Hệ số từ rò: sr1 = = 1,089 - Từ dẫn tổng Ge1 = Gd1 + Gr = (60,1 + 5,34).10-8 = 65,44 . 10-8 (H) Þ = 1940 (H/mm) + Với d2 = 1 (mm) - Từ dẫn tổng Ge2 = Gd2 + Gr = (18,6 + 5,34).10-8 = 23,94 . 10-8 (H) - Hệ số từ rò: sr2 = = 1,29 Þ = 169,27 . 10-6 (H/mm) + Với d4 = 1,2 (mm) - Từ dẫn tổng Ge3 = Gd3 + Gr = (15,5 + 5,34).10-8 = 20,84 . 10-8 (H) - Hệ số từ rò: sr3 = = 1,34 Þ = 116,28 . 10-6 (H/mm) + Với d4 = 2,5 (mm) - Từ dẫn tổng Ge4 = Gd4 + Gr = (8,44 + 5,34).10-8 = 13,78 . 10-8 (H) - Hệ số từ rò: sr4 = = 1,632 Þ = 27,06 . 10-6 (H/mm) + Với d5 = 3 (mm) - Từ dẫn tổng Ge5 = Gd5 + Gr = (7,3 + 5,34).10-8 = 12,64 . 10-8 (H) - Hệ số từ rò: sr5 = = 1,73 Þ = 18,72 . 10-6 (H/mm) + Với d6 = 4 (mm) - Từ dẫn tổng Ge6 = Gd6 + Gr = (5,9 + 5,34).10-8 = 11,24 . 10-8 (H) - Hệ số từ rò: sr6 = = 1,91 Þ = 10,52 . 10-6 (H/mm) + Với d7 = 4,2 (mm) - Từ dẫn tổng Ge7 = Gd7 + Gr = (5,68 + 5,34).10-8 = 11,02 . 10-8 (H) - Hệ số từ rò: sr7 = = 1,94 Þ = 9,54 . 10-6 (H/mm) Ta có bảng tính Gd theo d: d.10-3 m 0,3 1 1,2 2,5 3 4 4,2 Gd.10-8 H 60,1 18,6 15,5 8,44 7,3 5,9 5,68 H/m 1940 169,27 116,28 27,06 18,72 10,52 9,54 sr 1,088 1,29 1,34 1,632 1,68 1,91 1,94 5. Xác định từ thông và từ cảm. Cũng giống nh­ ở phần tính toán sơ bé số liệu ở đây là lực tác động (Fhtb = Fcqđ) bằng lực qui đổi (kể cả hệ số dự trữ Kdt). Chính bằng lực từ tác động của nam châm điện khi khe hở không khí làm việc ở vị trí tới hạn (thường ứng với thời điểm bắt đầu tiếp xúc của điểm thường mở. Độ lún của tiếp điểm). Để xác định trị số c ủa từ thông fdth ở khe hở làm việc tới hạn dth = 1,6 (mm) qua công thức. fdth = (IW)tđ . Ge3 = 673 . 15,5 . 10-8 = 104.10-6 (Wb). Trong đó: fdth: Từ thông khe hở không khí tới hạn dth = 1,6 (mm) Ge3: Từ dẫn tổng khe hở không khí tới hạn. (IW)tđ: Sức từ động tác động do cuộn dây nam châm điện xoay chiều gây ra. (IW)tđ = 673 (A/vòng). - Xác định từ thông trung bình ftb trong lõi thép cực từ. ftb = srth. fdth = 1,3. 104. 10-6 = 135,2 . 10-6 (Wb). Lúc đó giá trị từ cảm ứng sẽ là: Bc­ = = 1,02 (T) Từ cảm khe hở tới hạn là: Bdth = 6. Xác định thông số cuộn dây. a. Số vòng dây nam châm điện. Số vóng dây điện áp xoay chiều được xác định từ phương trình quan hệ điện áp nguồn, từ thông ftbh hay ftbtđ tần số nguồn và số vòng. Nếu bá qua phần điện áp rơi trên điện trở của cuộn dây nam châm điện khi phần ứng bị hút. Số vòng dây của cuộn dây nam châm điện được tính theo công thức Trong đó: Kumin : Hệ số sụt áp: Kumin = 0,85 F = 50Hz : Tần số của lưới điện Uđm = 220 V: Điện áp của lưới điện. ftbtđ = 13,52.10-5 (Wb) Ku: Hệ só tính tới tổn hao điện áp trên dây quấn, K1r = 0,75. = 4672 (vòng) b. Tiến diện dây quấn. Tiến diện dây quấn được xác định theo công thức: q = Kld . (mm2) Trong đó: Kld = 0,6: Hệ số lấp đầy quận dây trong khoảng. Kld = 0,3 ¸0,7. lcd = 4,5 (mm): bề dầy cuộn dây hcd = 13,5 (mm): Chiều cao cuộn dây. W = 4672 (vòng): Số vòng cuộn dây. Þ q = 0,6. = 7,8.10-3(mm2). c. Đường kính dây quấn. Đường kính dây quấn không kể đến cách điện. = 0,099(mm) Chọn lấy d = 0,16(mm) tra bảng 5 – 8 trang 276 tài liệu [2] ta có được các thông số đối với dây quấn đồng loạt p Э B ứng với đường kính dây trần d = 0,16(mm), đường kính dây khi có cách điện là d’= 0,18(mm). - Lóc này tiết diện dây khi có cách điện là. = 0,02 (mm2). - Hệ số lấp đầy thực sự của cuộn dây là Kld = Trong đó: Kk: Hệ só có xét đến sự không đồng đều của dây quấn; Kk = 0,95 d: Đường kính dây quấn khi không có cách điện d = 0,18 (mm) d’: Đường kính dây quấn có kể đến cách điện d’ = 0,2(mm). Þ = 0,59 Ta thấy rằng hệ số lấp đầy thực sự không lớn hơn số lấp đầy đã chọn đáng kể nên kích thước của nam châm điện tính toàn là hợp lý. d. Tính toán ngắn mạch. Nam châm điện xoay chiều thường được cấp điện bằng nguồn điện xoay chiều 1 pha. Cứ 1 chu kỳ lực hút sẽ qua trị số không (0) 100 lần, khi lực hút bằng 0, gông từ bị nhả sau đó lực hút lại tăng dần và hút gông. Nh­ vậy, trong 1s lực hút nhả 100 lần do đó sinh ra rung gây tiếng ồn. Vì rung nên gông và đập vào lỗi nên cơ cấu của nam châm điện dễ bị hư hỏng. Chính vì vậy để chống rung cho phần động của nam châm điện xoay chiều do lực đạp mạnh gây nên ta có thể sử dụng có cả biện pháp: + Đối với nam châm điện bé dùng phần ứng khối hoặc nam châm điện hai pha hay ba pha. + Dùng vòng ngắn mạch đối với nam châm điện 1 pha. Nh­ vậy để phần động của nam châm điện khỏi bị dung thì trị số của lực từ bé nhất phải luôn luôn lớn hơn phản lực (tổng lực cơ) tác động lên phần ứng ở trạng thái hút, ngược chiều với lực hút điện từ. Điều này do vòng ngắn mạch tạo nên, nó chia diện tích lõi cực từ S1 ra thành 2 phần gồm phần trong St và phần ngoài Sn so với vòng ngắn mạch sao cho đạt được các đại lượng cần thiết Bt; Bn và tổn hao năng lượng trong vòng ngắn mạch Pnm là nhỏ nhất. Để tính toán vòng ngắn mạch, cần biết trước các số liệu sau: Lực cơ tổng quy đổi Fcqđ, lực điện từ phân bố ở các khe hở không khí làm việc, tỉ lệ với diện tích lõi cực từ S1 và phần diện tích của cực từ sẽ đạt trong vòng ngắn mạch. 1. Trị số trung bình của lực diện từ ở khe hở làm việc khi không có vòng ngắn mạch, ở trạng thái hút của phần ứng được tính bằng công thức 5 – 52 của tài liệu [2]. (N) Trong đó: f dtb; Từ thông trung bình qua khe hở không khí phần ứng. Ta có: f tb = f dtb + fr. Mặt khác: Với: Grqđ = 5,34.10-8 (H). Gdtb = Gd3 = 15,5.10-8 (H). Þ dr = 1 + = 1,32 Þ fdtb = = 10,24.10-5(Wb) Stn: Tổng diện tích trong và ngoài vòng ngắn mạch. Stn = S1 - Svnm = S1- b.D Trong đó: D = 2(mm): Bề rộng vòng ngắn mạch. b = 11 (mm): Bề dầy cực từ . S1 = 132 (mm2): diện tích lõi cực từ. Þ Stn = 132 – 11 = 110 (mm2) Þ = 18,98 (N). 2. Tỷ số f1 của lực điện từ bé nhất và trị số trung bình của lực điện từ khi không có vòng ngắn mạch. Theo công thức 5 – 53 tài liệu [2] ta có: Trong đó: Kdt = 1,2: Hệ só dự trữ thành phần đập mạch. Fcth = 6,15(N); Lực cơ tới hạn. + Tỷ số giữa cực từ ngoài và trong vòng ngắn mạch. Tra bảng 268 tài liệu [2]. = 1,54 Þ Sn = 1,54St ® Mặt khác ta có: Stn = St + Sn = (1 + 1,54) St = 110 (mm2) Þ St » 43,31 (mm2) Sn = 66,69(mm2) Vòng ngắn mạch được đặt sao cho một cạnh của nó nằm trong cực từ và chia cực từ thành 2 phần có tỷ lệ diện tích nh­ trên đã tính. + Điện trở vòng ngắn mạch được tính theo công thức 5 – 54 tài liệu [2] ta có: Trong đó: W = 2pf = 314rad/s: Tần số lưới. m0 = 1,256.10-6H/m: Hệ số từ thẩm không khí. Stn = 168,75 (mm2): Diện tích trong ngoài vòng ngắn mạch f1: = 0,25: Tỷ số giữa lực bé nhất với giá trị trung bình của lực điện từ khi không có vòng ngắn mạch. dh = 0,3 (mm) khe hở không khí khi hót. Þ Rnm = 4,26.10-5(W). 3. Góc lệch pha giữa từ thông trong ft và từ thông ngoài fn khi số vòng ngắn mạch là W = 1 (vòng) tra bảng 268 tài liệu [2]. tgj = Trong đó: w = 314 rad/s: Tần số lưới. Rnm = 4,26.10-5(W): Điện trở vòng ngắn mạch. G1 = : Từ dẫn của khe hở không khí tương ứng với tiết diện trong của vòng ngắn mạch: Với: m0 = 1,256.10-6(H/m): Hệ số từ thẩm. St = 43,31 (mm2): Tiết diện trong vòng ngắn mạch dh = 0,3 (mm): Khe hở không khí khi hót. Þ G1 = = 18,13.10-8(H) Suy ra: tgj = Do đó góc lệch pha j = 530 Þ cosj = 0,6 4. Từ thông trong ft và từ thông ngoài fn được xác định theo công thức 5 – 56 tài liệu [2]. Ta có. a. Từ thông trong vòng ngắn mạch ft: tra bảng 268 tài liệu [2] Trong đó: cosj = 0,6 C = = 2,6 Với: ftb = 13,52.10-5(Wb): Từ thông trung bình Grqđ = 5,34.10-8 (H): Từ dẫn rò quy đổi mạch từ. m0 = 1,256.10-6 (H/m): hệ số từ thẩm không khí. dh = 0,3.10-3 (m): Khe hở không khí khi hót. a = 12 (mm): Bề rộng mạch từ. b = 11 (mm): Bề dày mạch từ. Suy ra: = 13,51.10-5(Wb) Vậy từ thông trong vòng ngắn mạch là: b. Từ thông ngoài vòng ngắn mạch fn: Tra bảng 268 tài liệu [2] Ta có. fn = C.ft = 2,6.4,09.10-5 = 1,063.10-4 (Wb) 5. Từ cảm khe hở ngoài vòng ngắn mạch Bn; Tra bảng 268 Tài liệu [2]. Bn = = 1,59(T). 6. Xác định lực điện từ. + Lực điện từ bên trong vòng ngắn mạch. Tra bảng 269 Tài liệu [2]. (N) Trong đó: ftbt = 4,09.10-5 (Wb): Từ thông vòng ngắn mạch St = 43,31 (mm2): Tiết diện cực từ trong vòng ngắn mạch. Þ Ftbt = = 7,69(N) + Lực điện từ bên ngoài vòng ngắn mạch: Tra bảng 268 tài liệu [2] Ftbn = (N) Trong đó: ftbn = 1,063.10-4 (Wb): Từ thông ngoài vòng ngắn mạch. Sn = 66,69 (mm): tiết diện ngoài vòng ngắn mạch. Suy ra: Ftbn = 33,72 (N). + Giá trị lớn nhất của lực hút điện từ được xác định bằng biểu thức sau: Tra bảng 268 Tài liệu [2]. Fmax = (N) Trong đó: j = 530 = cos2 = cos (2.530) = -0,276. Ftbn = 33,72 (N): Lực điện từ bên ngoài vòng ngắn mạch. Ftbt = 7,69 (N): Lực điện từ bên trong vòng ngắn mạch Suy ra: = 32,45 (N) + Giá trị nhỏ nhất của lực điện từ tra theo trang 268 Tài liệu [2]. Ta có: Fmin = Ftb - Fmax (N) Mặt khác: Ftb: Lực điện từ trung bình. Ftb = Ftbt + Ftbn = 7,69 + 33,72 = 41,41 (N). Þ Fmin = 41,41 – 32,45 = 8,96 (N) Nhiệm vụ tính toán thì lực điện từ bé nhất phải lớn hơn lực cơ tới hạn ở trạng thái hút của phần ứng, tức là Fmin > Fcơth. Vậy Fmin = 8,96 (N) > Fcơth = 3,7 (N). Do đó có thể khẳng định lực điện từ đã tính ở trên là thảo mãn điều kiện cho phép là không rung. 7. Tỷ số giữa lực trung bình Ftb và lực bé nhất Fmin. Tra theo bảng trang 268 tài liệu [2]. P = (W) 8. Tổn hao năng lượng trong vòng ngắn mạch. Theo công thức 5 – 57 tài liệu [2] ta có: Pnm = Trong đó: Kumax = 1,1: Hệ số tăng áp. Kumin = 0,85: Hệ số sụt áp. ft = 4,09.10-5(Wb): Từ thông trong vòng ngắn mạch. Rnm = 4,26.10-5 (W): điện trở vòng ngắn mạch. w = 2pf = 2p.50 = 314rad/s: Tần số lưới. = 3,24(W). 9. Xác định kích thước vòng ngắn mạch. - Vật liệu làm vòng ngắn mạch chọn loại đồng có + Điện trở suất: r20 = 0,0174.10-3(Wmm). + Hệ số nhiệt điện trở: a = 0,0043 1/0C. + Nhiệt độ giá định của vòng ngắn mạch là 2000C + Vậy điện trở suất ở nhiệt độ: q = 2000c sẽ là r200 = r20 [1 + a (q - 20)] = 0,0174.10-3.10-3 [1 + 0,0043 (200 – 20)] r200 = 3,1.10-5(Wmm) - Chu vi trung bình vòng ngắn mạch Ta có: St = b.x Þ X Þ Y = X + 2D = 4 + 2.1 = 6 (mm) Þ Z = b + 2D = 11 + 2.1 = 13 (mm) Vậy chi vi trung bình vòng ngắn mạch là. 10. Hệ sè toả nhiệt trong vòng ngắn mạch. - Hệ số toả nhiệt trong không khí. Ktkk = 3.10-3 (1+ 0,0017.q) = 3.10-3 (1+0,0017.20) Ktkk = 3,102.10-3 (W/cm.0C). - Hê số toả nhiệt trong lõi thép. Ktlt = 2,9.10-3 (1+ 0,0068.q) = 2,9.10-3 (1+0,0068.20) Ktlt = 3,294.10-3 (W/cm.0C). 11. Xác định dòng điện trong vòng ngắn mạch. Từ công thức 5 – 57 tài liệu [2] ta có: Pnm = Þ = 275 (A) Trong đó: Pnm = 3,35 (W): Tổn hao công suất vòng ngắn mạch . Rnm = 5,82.10-5(W): Điện trở của dòng ngắn mạch. 12. Tổn hao trong lõi thép. fmax = Trong đó: fmax: Từ thông cực đại Kumax = 1,1: hệ số tăng áp. Uđm = 220 (V): Điện áp định mức cuộn dây Ki = 7,5: Bội số dòng điện. w = 314 (rad/s): Tần số lưới điện. W = 4672 (vòng): Số vòng của cuộn dây. Þ fmax = = 1,75.10-3(Wb) + Trọng lượng của lõi thép. Theo công thức; M = V.v.Kc Trong đó: Kc = 0,93: Hệ số Ðp chặt của lõi thép. v = 7,65 g/cm3: tỷ trọng của lõi thép V(cm3): Thể tích lõi thép. V = a.b.H = 12.11.41,5 = 5478mm3 = 5,478 (cm3) Þ M = 5,478.7,65. 0,93 = 38,97 (g). + Suất tổn hao trong lõi thép. = K.p.M Trong đó: K = 1,5: Hệ só có xét đến sự tăng tổn hao trong mạch từ P = 2,5 (W/kg): Suất tổn hao riêng trong lõi thép M = 38,97.10-3(kg): trọng lượng của lõi thép. Þ = 1,5 . 2,5 . 38,97 . 10-3 = 0,15 (W) + Dòng điện sinh ra tổn thất năng lượng trong lõi thép = 0,69.10-3 (A) g. Xác định dòng điện trong cuộn dây. Dòng điện trong cuộn dây xoay chiều bao gồm các dòng điện thành phần nh­ sau: Ih = Id + Ith + Inmqđ + PFe Trong đó: + Id: Dòng điện từ hoá khe hở không khí. Id = Với: Uđm = 220 (V): Điện áp cuộn dây. W = 4672 (vòng): Số vòng cuộn dây. w = 314 (rad/s): Tần số lưới điện. GS: Từ dẫn tổng khe hở không khí khi hót. GS = Grqđ + Gdh Grqđ = 5,34.10-8(H): Từ dẫn rò khe hở khi hót quy đổi. Gdh = 60,1 . 10-8 (H): Từ dẫn khe hở không khí khi hót GS = 60,1.10-8 + 5,34.10-8 = 65,44.10-8 (H) Þ Id = = 0,0491 (A) + Ith: Dòng điện từ hoá lõi thép. Ith.w = SHili: Tổng từ áp trên các phần đoạn mạch từ. Với: SHili = Htb . ltb Theo đường cong từ hoá, hình 5 – 6 ứng với B = 0,5 (T) và đường số 3 ta có: Hm = 0,6 Þ Htb = = 0,424 (A/cm) Mặt khác: ltb = 4 (a + 2D2) + plcd = 4 (11 + 2.0,5) + p.4 = 60,56 (mm) ltb = 6,056 (cm) Þ Tth.W = Htb.ltb Þ Ith = Ith = 5,49.10-4 (A) + Dòng điện ngắn mạch quy đổi. (A) Trong đó: Inm = 275 (A): Dòng điện ngắn mạch. Wnm = 1 (vòng): Số vòng dây ngắn mạch. W = 4672 (vòng): Số vòng dây nam châm điện. Þ Inmqđ = = 0,058 (A) + Vậy ta có giá trị dòng điện khi hót. Ih = = = 0,076 (A) + Mật độ dòng điện dây quấn khi hót. Jh = (A/mm2) Trong đó: Ih = 0,076 (A): Dòng điện khi hót. q (mm2): Tiết diện dây quấn khi chưa có cách điện với đường kính dây d = 0,16 (mm) q = = 0,0201 (mm2) Þ Jh = h. Tính toán nhiệt cuộn dây nam châm điện. + Điện trở dây quấn. Ta có công thức: Rdq = Trong đó: r0 = 0,023.10-3(Wmm): Điện trở suất cuộn dây ở nhiệt độ 950C W = 4672 ( vòng): Số vòng cuộn dây q = 0,0201 (mm2): Tiết diện cuộn dây. ltb: Chiều dài trung bình của một số vòng dây. ltb = p(d + lcd + D3) = p = 50,24(mm) Þ Điện trở cuộn dây là Rdq = 0,023.10-3 . = 296,5 (W) + Tổn hao năng lượng trong dây quấn. Pdq = .Rdq = (0,076)2.296,5 = 1,71 (W) + Độ tăng điện trên bề mặt cuộn dây. Ta có công thức: t = Trong đó: Stn (m2): Diện tích toả nhiệt của cuộn dây. Stn = Sxp + Sđ Với: Sxq: Diện tích xung quanh của cuộn dây Sxp = [4(a + 2.D2) + 2p (lcd + D2)] .hcd = [4(11 + 2.0,5) + 2p (4,5 + 0,5)] .13,5 = 1071,9 (mm2) Kt: hệ số toả nhiệt của cuộn dây Kt = 6 ¸14 tra theo bảng 6 – 5 tài liệu [2] chọn Kt = 13 W/m0c Sđ = [4(a + 2.D3) (lcd + 2D3) + p(lcd + D3].2 = [4(11 + 2.0,5)(4,5 + 2.0,5)+p(4,5 + 0,5)2] .2 = (264 + 78,5)2 = 685 (mm2) Þ Stn = 1071,9 + 685 = 1756,9 (mm2) Vậy độ tăng nhiệt độ làm việc trên bề mặt cuộn dây là t = = 74,860c » 750c q = t + qmt = 750c + 400c = 1150c Ta thấy q = 1150c < [q]cp = 1300c nhiệt độ phát nóng của cuộn dây vẫn đảm bảo trong giới hạn nhiệt độ cho phép. Chương V: Tính toán hệ số nam châm điện I. Tính và dựng đường đặc tính lựa hút nam châm điện. Khi tính toán nam châm điện xoay chiều ta cần phải sự ảnh hưởng của sự biến thiên của các thông số như: sự biến đổi điện áp; dòng điện; từ thông; từ cảm cũng giống như ở phần tính toán sơ bộ, các số liệu ban đầu ở đây là lực tác động (Fhtb = Fcqđ) bằng lực cơ qui đổi (có kể đến hệ số dự trữ Kdt). Chính là lực điện từ của nam châm điện khi khe hở không khí làm việc ở vị trí giới hạn. Ta tính lực hút điện từ theo công thức 5-50 tài liệu [2] Fhtđ = Trong đó: k = 0,25 Với kir = 0,85: Hệ số đánh giá thành phần tác dụng của điện áp trên điện tử cuộn dây. + ku: hệ số biến đổi điện áp ku = 0,25; 0,4; 0,6 W = 4762 (vòng) : số vòng cuộn dây nam châm điện Uđm = 220 (V) : điện áp cuộn dây f = 50 Hf : Tần số lưới công nghiệp Þ + Đạo hàm từ dẫn rò khe hở không khí Vậy lực hút điện từ tại các trạng thái ứng với khe hở không khí và độ biến đổi điện áp là Fhtb = F = Với U = ku . Uđm F(N) Uđm (V) (mm) 0,3 1,2 3 4,2 85% Uđm 18,8 11,2 5,2 3,3 100% Uđm 26,1 15,5 7,2 4,6 110% Uđm 31,6 18,8 8,7 5,5 Tính lực nhả của nam châm điện qua công thức Fnhả = Ta lập được bảng: F(N) Ku (mm) 0,3 1,2 3 4,2 0,25 1,7 0,98 0,54 0,3 Hệ sè nhả của nam châm điện Ta có Ki = hoặc Ku = Mặt khác ta có: Knhả = Đặc tính lực hút 5,5 II. Tính toán gần đúng thời gian tác động và thời gian nhả. + Thời gian tác động (ttđ) là quãng thời gian kể từ điểm đưa tính hiệu tác động cho đến khi nắp chuyển động xong (d = dmin) ttđ = t1 + t2 Trong đó: t1: thời gian khởi động khi tác động t2: thời gian chuyển động khi tác động + Thời gian nhả là khoảng thời gian từ khi cắt điện của cuộn dây đến khi nắp của nam châm điện kết thúc chuyển động. (d = dmax) tnh = t3 + t4 Trong đó: t3 : thời gian khởi động khi nhả t4: thời gian chuyển động khi nhả + Đối với nam châm điện xoay chiều Xét thời gian tác động: ttđ = t1 + t2 Với: t1 : do dòng điện và từ thông biến thiên tuần hoàn với tần số f còn lực điện từ theo 2f. Mà trong thời gian t1 khe hở không khí lớn (d = dmax) nên dòng điện trong cuộn dây quá lớn. Vì vậy nếu đóng điện vào thời điểm mà dòng điện đi qua điểm không chỉ sau 1/4 chu kì từ thông đạt trị số cực đại. Còn nếu đóng điện vào thời điểm i ¹ 0 thì khoảng thời gian để đạt từ thông cực đại cùng không quá 1/2 chu kỳ. Do đó lực điện từ đạt trị số cực đại với thời gian bé hơn 1/2 chu kỳ. Nh­ vậy cho rằng t1 = 1/2 chu kỳ thời gian lâu nhất để khởi động Þ t1 = t3 = Với t2 ta có công thức t2 = Trong đó:: m = Với g = 9,8 (m/s2) : gia tốc trọng trường G = 0,5 (kg) : trọng lượng phần động Dx1 = (4,2 - 3) . 10-3 = 1,2 . 10-3 (m) S1 = Dx2 = (3 - 1,2) . 10-3 = 1,8 . 10-3 (m) S2 = Dx3 = (1,2 - 0,3) . 10-3 = 0,9 . 10-3 (m) S3 = t2 = t2 = 0,0076 + 0,0061 + 0,0029 = 0,0166 Mà t4 = S4 = S5 = S6 = t4 = t4 = 0,0084 + 0,0083 + 0,0054 = 0,0221 (s) Vậy ta có thời gian khởi động của phần ứng khi nhả. tcđ = t1 + t2 = 0,01 + 0,0166 = 0,0266 (s) Thời gian nhả của nam châm điện: tnh = t3 + t4 = 0,01 + 0,0221 = 0,0321 (s) Chương VI: Xây dựng và hoàn thiện kết cấu I. Phần làm việc 1. Mạch vòng dẫn điện 1.1. Thanh dẫn động Dùng đồng phốtpho (bp0f6,5) làm thanh dẫn + Bề rộng của thanh dẫn động: b = 0,5 mm + Bề dày của thanh dẫn động: a = 0,5 mm 1.2. Thanh dẫn tĩnh Dùng đồng phốtpho (bp0f6,5) làm thanh dẫn + Bề rộng của thanh dẫn tĩnh: b = 5 mm + Bề dày của thanh dẫn tĩnh: a = 1 mm 1.3. Vít đầu nối + Bulông được làm bằng chất liệu thép : M3 x 10 + Trụ lõi dẫn điện có ren của thép : M3 1.4. Dây nối mềm Chọn loại dây dẫn mềm có vỏ cách điện bằng nhựa, đây là loại dây dẫn bằng sợi có đường kính dây dẫn là 2 mm. 1.5. Hệ thống tiếp điểm Với chất liệu là bạc kéo nguội, CP 999 tiếp điểm kiểu công sôn. + Đường kính tiếp điểm là: d = 4mm + Chiểu cao của tiếp điểm: h = 1 mm + Bề mặt tiếp xúc là tiếp xúc điểm a. Lò xo tiếp điểm Lò xo tiếp điểm đồng thời cũng là thanh dẫn động làm bằng đồng phốtpho (bp0f6,5) nh­ đã trình bày ở trên. - Chiều dày lò xo tiếp điểm: b = 0,5 mm - Chiều rộng lò xo tiếp điểm: a = 5mm + Độ võng của lò xo ở đầu mút: f = 1,2 mm + Giới hạn mỏi cho phép khi uốn: + Giới hạn mỏi cho phép xoắn: b. Lò xo nhả Vật liệu dùng làm lò xo nhả là thép cacbon, lò xo kiểu xoắn hình trụ, có thể chịu kéo tốt. + Đường kính của dây quấn lò xo: d = 0,51 mm + Đường kính lò xo: D = 5,1 mm + Số vòng dây quấn kết cấu của lò xo w = 12 vòng + Bước lò xo chịu kéo: tk = 0,45 + Độ cứng của lò xo: j = 0,73 N/mm + Chiều dài của lò xo chịu kéo: lk = 5,4 mật mã + Độ bền giới hạn khi kéo: dK = 2200 N/mm2 + Giới hạn mỏi cho phép khi uốn: + Giới hạn mỏi cho phép khi xoắn: 480 N/mm2 2. Nam châm điện Nam châm điện là một loại kết cấu đặc biệt quan trọng vì đó chính là cơ quan sinh lực, gồm những bộ phận chính nh­: mạch từ, cuộn dây và vòng ngắn mạch. 2.1. Mạch từ Vật liệu dùng để làm mạch từ là lá thép silic kỹ thuật điện + Bề rộng cực từ : a = 12 mm + Bề dày cực từ : b = 11 mm + Tiết diện cực từ: S = 132 mm2 + Bề rộng của cửa sổ mạch từ: c= 12,5 mm + Chiều cao của cửa sổ mạch từ: hc = 21,5 mm + Chiều dày nắp nam châm điện: bd = bn = 11 mm + Chiều cao đáy nam châm : hđ = 10 mm + Chiều cao nắp nam châm : hn = 10 mm + Diện tích đáy nam châm điện: Sđ = 110 mm2 + Diện tích nắp nam châm điện: Sn = 110 mm2 + Chiều cao nam châm điện: H = 41,5 mm + Chiều rộng nam châm điện: B = 36,5 mm + Bề dày của cực đối diện với cực từ: bthân = 2 mm + Khoảng cách từ cuộn dây tới chỗ gá của nam châm X = 6 mm 2.2. Cuộn dây Cuộn dây làn bằng đồng, dây quấn tròn, có bọc cách điện. + Số vòng dây: W = 4627 vòng + Tiết diện dây quấn khi chưa có cách điện: q = 0,11 mm2 + Đường kính dây quấn khi chưa có cách điện: d = 0,16 mm + Tiết diện dây quấn khi có cách điện: q' = 0,023 mm2 + Đường kính dây quấn khi có cách điện: d' = 0,18 mm + Bề dày cuộn dây: hcd = 4,5 mm + Chiều cao cuộn dây: lcd = 13,5 (mm). 2.3. Vòng ngắn mạch + Bề rộng của vòng ngắn mạch: D = 2 mm + Tiết diện vòng ngắn mạch: Svnm = 22 mm2 + Diện tích trong và ngoài ngắn mạch: Stn = 110 mm2 + Tiết diện cực từ trong vòng ngắn mạch: St = 43,31 mm2 + Tiết diện cực từ ngoài vòng ngắn mạch: Sn = 66,69 mm2 II. Phần chân đế Phần chân đế được làm từ một loại nhựa cứng dùng để vít vào hộp kỹ thuật điện, chân đế ở đây ta thiết kế vừa dùng ngàm có ưu điểm sửa chữa, lắp đặt dễ dàng hơn, đồng thời vừa có cả vít. Trong chân đế có chứa các lỗ để bắt vít với các đầu nối, bề mặt của chân đế là các lỗ cắm thanh tĩnh, các lỗ này phải thiết kế sao cho khi cắm thanh dẫn tĩnh. Chúng có thể tiếp xúc với nhau, tránh gây chập chờn về điện. Về phần kích thước của chân đế lớn hơn chiều rộng của phần làm việc rơle, chiều dài cũng đủ lớn sao cho có diện tích để chứa các lỗ vít loại M3. Các kích thước khác được biểu thị trên hình vẽ. Tài liệu tham khảo : [1]. Cơ sở lí thuyết khí cụ điện. [2]. Thiết kế khí cụ điện hạ áp. [3]. Chi tiết máy.