Luận văn Chương trình thiết kế công tắc tơ

Luận Văn ĐỀ TÀI: Thiết kế cụng tắc tơ Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 1 - TBĐ-ĐT1 Mục lục Lời nói đầu ..................................................................................................... 4 Chương I Chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ ............................................... 5 I. Khái niệm chung ..................................................................................... 5 1. Tác dụng và cấu tạo của công tắc tơ .......................................................... 5 2. Nguyên lý hoạt động................................................................................. 5 II. Chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ ............................................................... 6 1. Hệ thống mạch vòng dẫn điện ................................................................... 6 2. Hệ thống dập hồ quang ............................................................................. 6 3. Nam châm điện ......................................................................................... 6 4. Hệ thống các lò xo nhả, lò xo tiếp điểm và lò xo hoãn xung ..................... 7 5. Hình dáng của công tắc tơ ........................................................................ 7 Chương II Tính toán mạch vòng dẫn điện ............................................ 8 I. Khái niệm chung ..................................................................................... 8 II. Mạch vòng dẫn điện chính ..................................................................... 8 1. Thanh dẫn ................................................................................................. 8 2. Đầu nối ................................................................................................... 12 3. Tiếp điểm ............................................................................................... 13 III. Mạch vòng dẫn điện phụ ...................................................................... 19 1. Thanh dẫn ............................................................................................... 20 2. Tiếp điểm ............................................................................................... 20 Chương III Tính và dựng đặc tính cơ ............................................. 22 I. Tính toán lò xo ...................................................................................... 22 1. Vật liệu làm lò xo ................................................................................... 22 2. Lò xo ép tiếp điểm chính ........................................................................ 22 3. Lò xo tiếp điểm phụ ................................................................................ 23 4. Lò xo nhả ............................................................................................... 24 II. Đặc tính cơ ............................................................................................ 26 Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 2 - TBĐ-ĐT1 1. Lập sơ đồ động ....................................................................................... 26 2. Tính toán các lực ................................................................................... 27 3. Đặc tính cơ ............................................................................................ 28 Chương IV Tính toán và kiểm nghiệm nam châm điện ................... 29 I. Khái niệm .............................................................................................. 29 II. Tính toán thiết kế nam châm điện ....................................................... 29 1. Xác định Kkc ........................................................................................... 29 2. Chọn vật liệu dẫn từ ................................................................................ 29 3. Chọn từ cảm, hệ số từ rò , hệ số từ cảm ................................................... 30 4. Tính tiết diện lõi mạch từ ........................................................................ 30 5. Xác định kích thước cuộn dây ................................................................. 31 6. Kích thước mạch từ ................................................................................. 33 III. Tính toán kiểm nghiệm nam châm điện .............................................. 34 1. Sơ đồ thay thế mạch từ ............................................................................ 34 2. Tính từ dẫn khe hở không khí ................................................................. 36 3. Tính từ thông .......................................................................................... 39 4. Tính số vòng dây .................................................................................... 40 5. Tính đường kính dây ............................................................................... 40 6. Tính toán vòng ngắn mạch ...................................................................... 40 7. tính toán vòng ngắn mạch ....................................................................... 43 8. Tính toán kiểm nghiệm cuộn dây ............................................................ 44 9. Tính và dựng đặc tính lực điện từ ............................................................ 46 Chương V Tính và kiểm nghiệm buồng dập hồ quang .................... 46 I. Vật liệu .................................................................................................. 50 1. Vật liệu làm vỏ buồng dập hồ quang ....................................................... 50 2. Vật liệu làm các tấm dập ........................................................................ 50 II. Tính toán và kiểm nghiệm.................................................................... 50 Chương VI Hoàn thiện kết cấu ............................................................... 54 I. Mạch vòng dẫn điện ............................................................................. 54 Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 3 - TBĐ-ĐT1 1. Mach vòng dẫn điện chính ...................................................................... 54 2. Mạch vòng dẫn điện phụ ......................................................................... 55 II. Lò xo tiếp điểm, lò xo nhả .................................................................... 55 1. Lò xo tiếp điểm chính ............................................................................ 55 2. Lò xo tiếp điểm phụ ............................................................................... 55 3. Lò xo nhả ............................................................................................... 55 III. Nam châm điện ..................................................................................... 56 1. Mạch từ.................................................................................................. 56 2. Kích thước cuộn dây .............................................................................. 56 3. vòng ngắn mạch ...................................................................................... 56 4. Buồng dập hồ quang ............................................................................... 56 IV. Vỏ và các chi tiết khác .......................................................................... 57 Chương VII Ví dụ minh họa ứng dụng công tắc tơ trên .................. 57 I. Sơ đồ nguyên lý ..................................................................................... 57 II. Nguyên tắc hoạt động .......................................................................... 58 1. Mạch chính điều khiển động cơ .............................................................. 58 2. Mạch kiểm tra......................................................................................... 58 Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 4 - TBĐ-ĐT1 Lời nói đầu Đất nước đang càng ngày càng phát triển, quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá đang diễn ra mạnh mẽ. Để thực hiện được thì phải có nguồn năng lương, mà điện năng chiếm một vai trò rất quan trọng. Điện năng cung cấp cho mọi ngành, mọi lĩnh vực, mọi đối tượng. Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng điện thì không thể tránh khỏi những sự cố, rủi ro xảy ra như hiện tượng quá điện áp, quá dòng điện, hiện tượng ngắn mạch... Để đảm bảo vấn đề an toàn tính mạng cho con người, bảo vệ các thiết bị điện và tránh những tổn thất kinh tế có thể xảy ra thì khí cụ điện ngày càng được đòi hỏi nhiều hơn, chất lượng tốt hơn và luôn đổi mới công nghệ. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì các loại khí cụ điện hiện đại được sản xuất ra luôn đảm bảo khả năng tự động hoá cao, trong đó công tắc tơ cũng không nằm ngoài mục đích đó. Chính vì vậy mà nghiên cứu, thiết kế công tắc tơ là đặc biệt quan trọng nhằm tránh những sự cố đáng tiếc có thể sẽ xảy ra. Được sự giúp đỡ và hướng dẫn của các thầy cô trong nhóm khí cụ điện, thuộc bộ môn Thiết bị điện - Điện tử, khoa điện. Đặc biệt là sự hướng dẫn giúp đỡ và đóng góp của thầy Đặng Chí Dũng, em đã hoàn thành được đồ án môn học với đề tài thiết kế Công tắc tơ xoay chiều 3 pha. Mặc dù đã có nhiều cố gắng song do hiểu biết kiến thức còn có nhiều hạn chế, thời gian có hạn và kinh nghiệm thực tế còn ít, nên trong quá trình thiết kế đồ án em còn mắc những sai sót nhất định. Vì vậy em rất mong có được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến thầy cô và các bạn sinh viên. Em xin chân thành cảm ơn bộ môn Thiết bị điện - điện tử và thầy Đặng Chí Dũng. Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 5 - TBĐ-ĐT1 Chương I Chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ I. Khái niệm chung 1. Tác dụng và cấu tạo của công tắc tơ Công tắc tơ là khí cụ điện dùng để đóng, cắt thường xuyên các mạch điện động lực, từ xa, bằng tay hay tự động. Việc đóng cắt công tắc tơ có tiếp điểm có thể thực hiện bằng nam châm điện, thuỷ lực hay khí nén. Thông thường ta gặp loại đóng cắt bằng nam châm điện. Công tắc tơ gồm các bộ phận chính sau - Hệ thống mạch vòng dẫn điện. - Hệ thống dập hồ quang. - Hệ thống các lò xo nhả, lò xo tiếp điểm và lò xo hoãn xung. - Nam châm điện. - Vỏ và các chi tiết cách điện. 2. Nguyên lý hoạt động Khi cho điện vào cuộn dây, luồng từ thông sẽ được sinh ra trong nam châm điện. Luồng từ thông này sẽ sinh ra một lực điện từ. Khi lực điện từ lớn hơn lực cơ thì nắp mạch từ được hút về phía mạch từ tĩnh, trên mạch từ tĩnh có gắn vòng ngắn mạch để chống rung, làm cho tiếp điểm động tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh. Tiếp điểm tĩnh được gắn trên thanh dẫn, đầu kia của thanh dẫn vít bắt dây điện ra, vào. Các lò xo tiếp điểm có tác dụng duy trì một lực ép tiếp điểm cần thiết lên tiếp điểm. Đồng thời tiếp điểm phụ cũng được đóng vào đối với tiếp điểm phụ thường mở và mở ra đối với tiếp điểm thường đóng. Lò xo nhả bị nén lại. Khi ngắt điện vào cuộn dây, luồng từ thông sẽ giảm xuống về không, đồng thời lực điện từ do nó sinh ra cũng giảm về không. Khi đó lò xo nhả sẽ đẩy toàn bộ phần động của công tắc tơ lên và cắt dòng điện tải ra. Khi tiếp điểm động tách khỏi tiếp điểm tĩnh của mạch từ chính thì hồ quang sẽ xuất hiện giữa hai tiếp điểm. Nhờ các tấm dập trong buồng dập hồ quang, hồ quang sẽ được dập tắt. Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 6 - TBĐ-ĐT1 II. Chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ 1. Hệ thống mạch vòng dẫn điện  Thanh dẫn: do thanh dẫn phải dẫn dòng điện làm việc và có khi phải chụi dòng điện ngắn mạch lớn khi xảy ra sự cố đòng thời phải đảm bảo cho tiếp điểm tiếp xúc tốt nên ta chọn thanh dẫn bằng đồng có tiết diện ngang hình chư nhật.  Đầu nối : chọn đầu nối bằng bu lông có thể tháo rời được.  Tiếp điểm chính: do dòng điện làm việc định mức của công tắc tơ là 25 A nên ta chọn tiếp điểm hình trụ, kiểu bắc cầu, 1 pha 2 chỗ ngắt, tiếp xúc loại mặt phẳng-mặt phẳng.  Tiếp điểm phụ: cũng dùng kiểu tiếp điểm bắc cầu 1 pha 2 chỗ ngắt. 2. Hệ thống dập hồ quang Đối với khí cụ điện hạ áp , các trang bị dập hồ quang thường là : - Kéo dài hồ quang điện bằng cơ khí. - Dùng cuộn dây thổi từ. - Dùng buồng dập hồ quang kiểu khe hẹp. - Dùng buồng dập hồ quang kiểu dàn dập. Qua phân tích và tham khảo thực tế, đối với Công tắc tơ xoay chiều chọn buồng dập hồ quang kiểu dàn dập . 3. Nam châm điện Công tắc tơ có thể đóng ngắt bằng nam châm điện hút quay hoặc hút thẳng.  Nam châm điện hút quay - Ưu điểm: đặc tính cơ của nam châm điện hút quay tốt hơn nam châm điện hút thẳng. - Nhược điểm: Kết cấu phức tạp, một pha có một chỗ ngắt làm cho việc dập hồ quang khó khăn, phải dùng dây nối mềm.  Nam châm điện hút thẳng - Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, Kết cấu tiếp điểm bắc cầu một pha có hai chỗ ngắt làm cho việc dập hồ quang đơn giản hơn, Hành trình chuyển động gắn liền với chuyền động của nắp nam châm điện,việc bố trí buồng dập hồ quang dễ dàng, Không dùng dây nối mềm. Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 7 - TBĐ-ĐT1 - Nhược điểm: đặc tính cơ của nam châm điện hút thẳng không tốt bằng nam châm hút quay. Do có nhiều ưu điểm cho nên ta sẽ sử dụng nam châm điện xoay chiều hình chữ E kiểu hút chập. 4. Hệ thống các lò xo nhả, lò xo tiếp điểm và lò xo hoãn xung  Lò xo nhả, lò xo tiếp điểm: ta chọn kiểu lò xo xoắn hình trụ do nó ít bị ăn mòn và bền hơn lò xo tấm phẳng.  Lò xo hoăn xung: dùng để giảm bớt va chạm giữa nắp và thân cực từ do đó ta dùng lò xo lá. 5. Hình dáng của công tắc tơ Sau khi chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ ta được hình dáng công tắc tơ như sau 1. Tiếp điểm tĩnh. 6. Thanh dẫn tĩnh. 2. Tiếp điểm động. 7. Lò xo nhả. 3. Lò xo ép tiếp điểm. 8. Mạch từ nam châm điện. 4. Thanh dẫn động. 9. Cuộn dây nam châm điện. 5. Dàn dập hồ quang. 10. Vòng ngắn mạch. 11. Nắp mạch từ nam châm điện. Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 8 - TBĐ-ĐT1 Chương II Tính toán mạch vòng dẫn điện I. Khái niệm chung Trong Công tắc tơ, mạch vòng dẫn điện là một bộ quan trọng, nó có chức năng dẫn dòng, chuyển đổi và đóng cắt mạch điện. Mạch vòng dẫn điện do các bộ phận khác nhau về hình dáng kết cấu và kích thước hợp thành. Đối với Công tắc tơ, mạch vòng dẫn điện gồm có các bộ phận chính như sau:  Thanh dẫn: gồm thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh. Thanh dẫn có chức năng truyền tải dòng điện.  Dây dẫn mềm.  Đầu nối: gồm vít và mối hàn.  Hệ thống tiếp điểm: gồm tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh, có chức năng đóng ngắt dòng điện.  Cuộn thổi từ. II. Mạch vòng dẫn điện chính 1. Thanh dẫn a. Thanh dẫn động  Chọn vật liệu Thanh dẫn động gắn với tiếp điểm động, vì vậy nó cần phải có lực ép đủ để tiếp xúc tốt, độ cứng cao, nhiệt độ nóng chảy tương đối cao... do đó ta có thể chọn Đồng kéo nguội làm vật liệu cho thanh dẫn động. Các thông số của đồng kéo nguội: Ký hiệu ML-TB Tỷ trọng () 8,9 g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy (nc) 1083 0C Điện trở suất ở 200C (20) 0,0158.10 -3 mm Độ dẫn nhiệt () 3,9 W/cm 0C Độ cứng Briven (HB) 80  120 kG/cm 2 Hệ số dẫn nhiệt điện trở () 0,0043 1/ 0C Nhiệt độ cho phép cấp A ([cp]) 95 0 C Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 9 - TBĐ-ĐT1  Tính toán thanh dẫn Theo phần chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ, ta đã chọn thanh dẫn có tiết diện ngang hình chữ nhật với bề rộng a, bề dầy b Theo công thức 2-6 (TL1) : Trong đó :  Iđm = 18 A : dòng điện định mức.  n: hệ số hình dáng, n = b a = 5  10, chọn n = 7.  Kf : hệ số tổn hao phụ đặc trưng cho tổn hao bởi hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần. Kf = Kbm.Kg = 1,03  1,06. Chọn Kf = 1,06.  KT : hệ số tản nhiệt, KT = (6  12).10 -6 (W/ 0 C.mm2)  Chọn KT= 7,5.10-6.   : điện trở suất của vật liệu ở nhiệt độ ổn định.  = 20[1+( - 20)] 20 : điện trở suất của vật liệu ở 20OC.  : hệ số nhiệt điện trở của vật liệu. : nhiệt độ ổn định của đồng , ở đây ta lấy bằng nhiệt độ phát nóng cho phép  = [] = 95 OC. 95 = 0,0158.10 -8[1+4,3.10 -3(95 - 20)]  2,1.10 -8 (.m)  ôđ : độ tăng nhiệt ổn định. ôđ =  - mt với mt= 40 OC là nhiệt độ môi trường  ôđ = 95 - 40 = 55 OC Vậy ta có a = b.n =7. 0,54 = 3,78 (mm) )(54,03 55.10.5,7).17.(7.2 06,1.10.1,2.18 6 82 mmb      3 .1).K2.n.(n .K.Ib odT f 2 dm τ ρθ   Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 10 - TBĐ-ĐT1 Vậy kích thước tối thiểu của thanh dẫn động là a = 3,78 mm và b = 0,54 mm. Tuy nhiên hình dạng của thanh dẫn động còn phụ thuộc vào hình dạng của tiếp điểm. Chọn tiếp điểm theo bảng 2-15(TL1.T51) với Iđm = 18 A ta chọn đường kính tiếp điểm dtđ = 8 mm và chiều cao tiếp điểm là htđ= 1,5 mm. Chọn lại kích thước của thanh dẫn động: a= 10 mm và b= 1,2 mm  Kiểm tra kích thước làm ở điều kiện làm việc dài hạn  Diện tích thanh dẫn: S = a.b =10.1,2 = 12 (mm 2 )  Chu vi thanh dẫn: P = 2.(a+b) = 2.(10+1,2) = 22,4 (mm)  Mật độ dòng điện : j = S Idm = 12 18 = 1,5 (A/mm2) < [j] =2  4 (A/mm2)  thoả mãn về kết cấu.  Nhiệt độ thanh dẫn : Từ công thức 2-4 (TKKCĐHA) ta có ).(K K)..1.(.I ).(K K..I P.S mtodT fod0 2 mtoT f 2            .K..IK.P.S .K.P.S.K..I f0 2 T mtTf0 2 tddô với 0 : điện trở suất của đồng kéo nguội ở 0 0C 3 3 20 0 10.015,020.0043,01 10.0158,0 .1           (.mm) mt : nhiệt độ môi trường, mt = 40 0C Thay vào ta có : 0043,0.06,1.10.015,0.1810.5,7.4,22.12 40.10.5,7.4,22.1206,1.10.015,0.18 326 632     td = 430C Vậy td < [cp] = 95 0C  thanh dẫn thoả mãn về nhiệt độ ở chế độ định mức. Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 11 - TBĐ-ĐT1  Kiểm tra thanh dẫn ở chế độ ngắn mạch Đặc điểm của quá trình ngắn mạch:  Dòng điện và mật độ dòng điện có trị số rất lớn.  Thời gian tác động nhỏ. Từ đặc điểm trên rõ ràng khi xảy ra ngắn mạch nhiệt độ thanh dẫn tăng lên rất lớn có thể làm thanh dẫn bị biến dạng. Do đó cần phải kiểm tra khi có ngắn mạch thì mật độ dòng điện thanh dẫn có nhỏ hơn mật độ dòng điện cho phép không. Từ công thức 6-21 (TL1) : nm dnm nm t AA j   Trong đó: Inm = Ibn : dòng điện ngắn mạch hay dòng điện bền nhiệt. tnm = tbn : thời gian ngắn mạch hay thời gian bền nhiệt. Anm = Abn : hằng số tích phân ứng với ngắn mạch hay bền nhiệt. Ađ : hằng số tích phân ứng với nhiệt độ đầu. Tra đồ thị hình 6-5 (TL1.T313) ta có: Với bn = 300 0C có Abn = 3,65.10 4 (A2s/mm4) đ = 95 0C có Ađ = 1.6.10 4 (A2s/mm4) tnm (s) jnm (A/mm 2) [jnm]cp (A/mm 2) 3 87 94 4 75 82 10 47.4 51 Vậy mật độ dòng điện của thanh dẫn khi xảy ra ngắn mạch nhỏ hơn mật độ dòng điện cho phép, nên thanh dẫn có thể chịu được ngắn mạch. b. Thanh dẫn tĩnh Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 12 - TBĐ-ĐT1 b a Stx Thanh dẫn tĩnh được nối với tiếp điểm tĩnh và gắn với đầu nối. Vì vậy thanh dẫn tĩnh phải có kích thước lớn hơn thanh dẫn động. Ta có thể chọn kích thước thanh dẫn tĩnh như sau : at = 10 mm bt = 1,5 mm Do thanh dẫn động thoả mãn ở chế độ dài hạn và ngắn hạn mà thanh dẫn tĩnh có tiết diện và chu vi lớn hơn thanh dẫn động cho nên thanh dẫn tĩnh cũng thoả mãn chế độ dài hạn và ngắn hạn. 2. Đầu nối Đầu nối tiếp xúc là phần tử quan trọng của khí cụ điện, nếu không chú ý dễ bị hỏng nặng trong quá trình vận hành nhất là những khí cụ điện có dòng điện lớn và điện áp cao. Các yêu cầu đối với mối nối  Nhiệt độ các mối nối khi làm việc ở dài hạn với dòng điện định mức không được tăng quá trị số cho phép.  Khi tiếp xúc mối nối 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 vận hành liên tục. Kết cấu của mối nối gồm có : mối nối có thể tháo rời được, không thể tháo rời được, mối nối kiêm khớp bản lề có dây nối mềm hoặc không có dây nối mềm. ở đây ta chon mối nối có thể tháo rời được và bằng bu lông. Với dòng điện định mức Iđm = 18A theo bảng 2-9 (TKKCĐHA) chọn bu lông 5 bằng thép không dẫn điện và trụ đồng 5. Diện tích bề mặt tiếp xúc : Stx = j Idm Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 13 - TBĐ-ĐT1 Đối với thanh dẫn và chi tiết đồng có tần số f = 50 Hz và dòng điện định mức Iđm < 200A thì có thể lấy mật độ dòng điện j = 0,31 A/mm 2 Stx = )(mm 58,1 0,31 18 2 Lực ép tiếp xúc : Ftx = ftx.Stx Trong đó ftx là lực ép riêng trên các mối nối, ftx = 100  150 kG/cm 2 chọn ftx=100 kG/cm 2 = 100.10-2 kG/mm2 Ftx = 100.10 -2.58,1 = 58,1 (kG) Theo công thức 2-25(TL1.T59). Điện trở tiếp xúc là: Trong đó m =1 đồng-đồng tiếp xúc mặt Ktx =(0.090.14).10 -3 chọn Ktx = 0,1.10 -3  )(., ,., ., R tx    5 3 1071 1581020 1010 Điện áp tiếp xúc Utx = Iđm.Rtx =18.1,7.10 –5= 0,31 (mV) Vậy điện áp tiếp xúc nhỏ hơn điện áp tiếp xúc cho phép ([Utx]cp =30 mV), nên bu lông đã chọn thoả mãn yêu cầu. 3. Tiếp điểm a. Nhiệm vụ của tiếp điểm Tiếp điểm thực hiện chức năng đóng ngắt của các khí cụ điện đóng ngắt. b. Yêu cầu đối với tiếp điểm  Khi Công tắc tơ làm việc ở chế độ định mức , nhiệt độ bề mặt nơi không 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 và độ bền điện động. m tx tx F K ).,( Rtx 1020  Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 14 - TBĐ-ĐT1  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 bé nhất , độ rung của tiếp điểm không được lớn hơn trị số cho phép. c. Vật liệu làm tiếp điểm Vật liệu làm tiếp cần đảm bảo các yêu cầu sau: điện trở suất và điện trở tiếp xúc bé, ít bị ăn mòn, ít bị ôxy hoá, khó hàn dính, độ cứng cao, đặc tính công nghệ cao, giá thành hạ và phù hợp với dòng điện I = 18 A. Từ bảng 2-13 (TL1) ta chọn vật liêu là bạc niken than chì, với các thông số kỹ thuật sau: Ký hiệu KMK.A32 Tỷ trọng () 8,7 g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy (nc) 1300 0C Điện trở suất ở 200C (20) 0,035.10 -3 mm Độ dẫn nhiệt () 3,25 W/cm 0C Độ cứng Briven (HB) 45  65 kG/mm 2 Hệ số dẫn nhiệt điện trở () 0,0035/ 0C Nhiệt độ cho phép cấp A ([cp]) 95 0 C Như đã chọn ở phần tính thanh dẫn động ta có kích thước của tiếp điểm là d = 8 mm; h=1,5 mm. d. Lực ép tiếp điểm Theo công thức kinh nghiệm Ftđ = ftđ x Iđm Tra bảng 2-17 ta chọn ftđ = 15 (g/A) Ftđ = 15 x 18 = 270 (g) = 0,270 (kg) = 2,70 (N) e. Điện trở tiếp điểm Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm được tính theo công thức 2-25(TL1.T159) Rtx = m td tx )F.102,0( K Trong đó : Ftđ = 2,70 (N) Ktx : hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu và trạng thái bề mặt của tiếp điểm. Ktx = 310)3,02,0(  chọn Ktx = 0,25.10 -3 Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 15 - TBĐ-ĐT1 m: hệ số dạng bề mặt tiếp xúc. vì là tiếp xúc mặtm = ( 17,0  ) nên chọn m = 0,8 Thay vào ta có: )(. ),.,( ., R ,tx    4 80 3 107 721020 10250 f. Điện áp tiếp xúc Utx = Iđm.Rtx =18.7.10 -4 = 0,0126 (V) = 12,6 (mV) Vậy điện áp nơi tiếp xúc Utx thoả mãn điều kiện nhỏ hơn điện áp tiếp xúc cho phép [Utx] = 2  30 mV. g. Nhiệt độ tiếp điểm và nhiệt độ nơi tiếp xúc Theo công thức 2-11(TL1.T52) nhiệt độ phát nóng của tiếp điểm Trong đó: tđ : nhiệt độ của tiếp diểm. : điện trở suất của vật iệu làm tiếp điểm ở 95oC  = 95 =20.[1+ (-20)] = 3,5.10 -5.(1+0,0035.(95-20)] = 4,42.10-6 ( Wcm) mt : nhiệt độ môi trường, mt =40 0C Rtđ : điện trở tiếp điểm. Rtđ= 65 10071 663 51 10424   ., , , ..,. S h  (W) P, S : chu vi, tiết diện của thanh dẫn. P = 2,24 cm ; S = 12.10-2 (cm2)  147 105710122429332 1007118 10571012242 1042418 40 42 62 42 62 , .,...,.,. .,. .,..., .,.      td 0C Nhiệt độ của điểm tiếp xúc là: C RI txdm tdtx 0 6 24222 2448 104249338 10718 147 , .,.,. )..( , .8. .      T tddm T dm mttd PKS RI KPS I ... . .. .     2 22  Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 16 - TBĐ-ĐT1 h. Dòng điện hàn dính Khi dòng điện qua tiếp điểm lớn hơn dòng điện định mức Iđm (quá tải , khởi động , ngắn mạch) , nhiệt độ sẽ tăng lên và tiếp điểm bị đẩy do lực điện động dẫn đến khả năng 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 ổn định điện động là các thông số quan trọng được biểu thị qua trị số dòng điện hàn dính Ihd , tại trị số đó sự hàn dính của tiếp điểm có thể không xảy ra nếu cơ cấu ngắt có đủ khả năng ngắt tiếp điểm . Trị số dòng điện hàn dính xác định theo quan hệ lý thuyết 2-33 (TL1.T66) Ihdbđ = A tdnc F.f (A) Trong đó: A = ) 3 2 1(H ) 3 1 1(32 ncOB ncnc O   O : điện trở suất của vật liệu ở 20 OC . Ta có 20 = O(1+.20)  O = 20.1 O    O = )m(10.27,320.0035,01 3,5.10 8 -8     : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu.  = 3,25 W/cm.OC = 325 W/m.OC nc : nhiệt độ nóng chảy của vật liệu, nc = 1300 OC HBo : độ cứng Britnel . HBo = 50 kG/mm 2 = 50.106 (kg/m) A = 741135 130000350 3 2 1102731050 130000350 3 1 1130025332 86 , ).,..(.,... ).,..(.,.     (A/Kg1/2 ) fnc : hệ số đặc trưng cho sự tăng diện tích tiếp xúc trong qúa trình phát nóng, chọn fnc = 3. Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 17 - TBĐ-ĐT1 Ftđ = 0,275 (kG)  Ihd = )A(59,0311275,0.3.74,1135  Tính theo công thức thực nghiệm 2-36 (TL1) Ihd = Khd. tdF Trong đó: Khd : hệ số hàn dính , chọn Khd = 2000 A/kG 1/2 Ftđ = 0,275 (kG)  Ihd = 2000. )A(8,1048275,0  Ta thấy Ihdbđ LT < Ihdbd TN .Chọn Ihdbd = Ihdbd TN = 1048,8A Inm = 10.Iđm = 10.18 = 180A Vì Inm < Ihdbd cho nên tiếp điểm không bị hàn dính. i. Độ rung và thời gian rung của tiếp điểm Khi tiếp điểm đóng, thời điểm bắt đầu tiếp xúc sẽ có xung lực va đập cơ khí giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh gây ra hiện tượng rung tiếp điểm. Tiếp điểm động bị bật trở lại với một biên độ nào đó rồi lại và tiếp tục va đập, quá trình này xảy ra trong một khoảng thời gian rồi chuyển sang trạng thái tiếp xúc ổn định, sự rung kết thúc. Qúa trình rung được đánh giá bằng độ lớn của biên độ rung Xm và thời gian rung tm Theo công thức 2-39(TL1.T72) biên độ rung cho 3 tiếp điểm thường mở là : Xm = tdd V 2 dođ F.2 )K1.(v.m  Trong đó mđ : khối lượng phần động. mđ =K.Iđm với K= 7 (g/A)  mđ = 7.18 = 126 (g) =0,126 (kg) vđo : tốc độ tiếp điểm tại thời điểm va đập . vđo = 0,1 m/s KV : hệ số va đập phụ thuộc vào tính đàn hồi của vật liệu. Kv = 9,085,0  chọn KV = 0,9. Ftđđ : lực ép tiếp điểm đầu. Ftđđ= 0,7.Ftđ =0,7.0,275 = 0,1975 (kg) =1,975 (N) Xm = 5 2 10.4,4 975,1.2 )9,01(1,0.175,0   (m) Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 18 - TBĐ-ĐT1 Do công tắc tơ có ba tiếp điểm nên độ rung của 1 tiếp điểm là 3 044,0 3 Xm mtdX  = 0,015 (mm) Theo công thức 2-40 (TL1.T72) thời gian rung của tiếp điểm là F K1v.m.2 t tdd Vdod m    )s(10.6,5 975,1 9,01.1,0.175,0.2 t 3m    = 5,6 (ms) Do công tắc tơ có ba tiếp điểm chính cho nên thời gian rung của một tiếp điểm là 3 6,5 3 tm mtdt  = 1,9 (ms) j. Độ mòn của tiếp điểm Sự mòn của tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng và quá trình ngắt mạch điện. Nguyên nhân gây ra sự ăn mòn của tiếp điểm là ăn mòn về hoá học, về cơ và về điện trong đó chủ yếu là do quá trình mòn điện . Khối lượng mòn trung bình của một cặp tiếp điểm cho một lần đóng ngắt là: gđ + gng = 10 -9(Kđ. 2 dI + Kng. 2 ngI )Kkđ Trong đó : Kkđ : hệ số không đồng đều, đánh giá độ mòn không đều của các tiếp điểm, Kkđ =1,1  2,5, chọn Kkđ =1,5 Kđ, Kng : hệ số mòn khi đóng và khi ngắt, tra bảng 2-21 (TL1.T79) ta có Kng=Kđ = 0,01 (g/A 2) Iđ và Ing : dòng điện đóng và dòng điện ngắt. Iđ = 5Iđm =5.18 = 90 (A) Ing =3.Iđm = 3.18 = 54 (A) gđ và gng : khối lượng mòn riêng của mỗi một lần đóng và ngắt. gđ + gng = 10 -9 .(0,01.902 +0,01.542 ).1,5 =1,65.10-7 ( g) Sau N = 106 lần đóng ngắt, khối lượng mòn là : Gm = N.(gđ + gng) = 106 . 1,65.10-7 = 0,165( g) Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 19 - TBĐ-ĐT1 Thể tích mòn một sau một lần đóng cắt là Thể tích ban đầu của tiếp điểm là Vtđ = )4(mm,,. . . d 3 2 7551 4 8 4 2   h Lượng mòn của tiếp điểm sẽ là : Vm% = %,%., %. 526100 475 20 100  tdV V Độ mòn cho phép của tiếp điểm là Vm  =70. Cho nên độ mòn của tiếp điểm mà ta thiết kế là thoả mãn. k. Độ lún, độ mở của tiếp điểm  Độ mở Độ mở của tiếp điểm là khoảng cách giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh ở trạng thái ngắt của công tắc tơ. Độ mở cần phải đủ lớn để có thể dập tắt hồ quang nhanh chóng, nếu độ mở lớn thì việc dập tắt hồ quang sẽ dễ dàng.Tuy nhiên khoảng cách quá lớn sẽ ảnh hưởng tới kích thước của công tắc tơ. Ta lấy độ mở của tiếp điểm là m=5mm.  Độ lún Độ lún l của tiếp điểm là quãng đường đi thêm được của tiếp điểm động nếu không có tiếp điểm tĩnh cản lại. Việc xác định độ lún của tiếp điểm là cần thiết vì trong quá trình làm việc tiếp điểm sẽ bị ăn mòn. để đảm bảo tiếp điểm vẫn tiếp xúc tốt thì cần có một độ lún hợp lý. Theo cônh thức lí thuyết l= A+ B.Iđm = 1,5 + 0,02.18 = 1,86  2 (mm). III. Mạch vòng dẫn điện phụ Việc tính mạch vòng dẫn điện phụ tương tự với cách tính vòng dẫn điện chính, với Iđm =10A. )0,02(c , , 3 1 78 1650 m G V mlan   Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 20 - TBĐ-ĐT1 1. Thanh dẫn a. Thanh dẫn động  Vật liệu và kết cấu: giống với thanh dẫn động trong mạch vòng dẫn điện chính.  tính toán thanh dẫn 3 ụdT f 2 đm .K).1n.(n.2 K..I b     Trong đó Iđm= 10 (A) n= 7 Kf=1,06 KT=7,5.10 -6 (W/0C.mm2) ôđ=55 0C =0,015.10-3 (Wmm)  b= 0,2 (mm)  a=7.0,2= 1,4 (mm) Chọn tiếp điểm kiểu cầu với Iđm=10(A)chon đường kính của tiếp điểm là d= 5(mm) và chiều cao của tiếp điểm là h =1,2 (mm). Vậy thì chọn a = 6 (mm) ; b = 0,8 (mm)  Mật độ dòng điện : j )/(, ,. 2082 806 10 mmA S I đm  Vậy j < [j] =2  4 A/mm2 thoả mãn về kết cấu b. Thanh dẫn tĩnh Tương tự như ở mạch vòng dẫn điện chính ta chọn các kích thước của thanh dẫn tĩnh là at = 6 (mm) và bt= 1 (mm). 2. Tiếp điểm  Chọn loại tiếp điểm cầu với dạng tiếp xúc điểm.  Chọn vật liệu tiếp điểm I = 10 A , tra bảng 2-13 (TL1) có thể chọn Bạc kéo nguội ( CP 999 ) có các thông số kỹ thuật : Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 21 - TBĐ-ĐT1 Tên Ký hiêu Giá tri Đơn vị Nhiệt độ nóng chảy nc 961 ( C0 ) Tỉ trọng  10,5 g/cm3 Điện trở suất ở 20 C0  20 0,0116.10 -3 Wmm2/m Độ cứng HB 30  60 kG/cm 2 Độ dẫn nhiệt  480 W/m 0C Hệ số dẫn nhiệt điện trở  0,004 1/( C0 )  Xác định kích thước tiếp điểm Đường kính tiếp điểm dtđ = 5 (mm) , chiều cao tiếp điểm htđ =1,2 (mm). Tính lực ép tiếp điểm theo công thức thực nghiệm 2-17 (TL1) , ta có : Ftđ = ftđ.Iđm Trong đó ftđ =11 (g/A)  Ftđ = 10.11= 110 (g) = 0,11 (kg) = 1,1 (N) Tính điện trở tiếp xúc theo công thức: Rtx = m td tx )F.102,0( K Với Ktx= 0,25.10 -3 m = 0,5  Rtx= 7,5.10 -4 (Ω) Tính điện áp tiếp xúc theo công thức Utx = Iđm.Rtx= 10.0,75.10 -3= 7,5.10-3 (V) = 7,5 (mV) Độ lún của tiếp điểm được tính theo công thức l’=A+B.Iđm=1,5+0,02.10=1,7 (mm) Độ mở Vì tổng độ mở và độ lún của tiếp điểm phụ phải bằng tổng độ mở và độ lún của tiếp điểm chính nên : m’= m + l – l’ =5 + 2 - 1,7 = 5,3 (mm) trong đó m, l là độ mở và độ lún của tiếp điểm chính. dtd htd Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 22 - TBĐ-ĐT1 Chương III Tính và dựng đặc tính cơ I. Tính toán lò xo 1. Vật liệu làm lò xo Theo chương I chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ ta đã chọn lò xo nhả và lò xo ép tiếp diểm là kiểu lò xo xoăn hình trụ. Bây giờ ta sẽ chọn cụ thể loại lò xo là lò xo thép cacbon FOCT 9389 - 60 có các thông số như sau Độ bền giới hạn khi kéo, sk 2650 N/mm2 Giới hạn đàn hồi, sđ 800 N/mm2 Giới hạn mỏi cho phép khi uốn, su 930 N/mm2 Giới hạn mỏi cho phép khi xoắn, sx 580 N/mm2 Module đàn hồi, E 200.103 N/mm2 Mudule chống trượt, G 80.103 N/mm2 Điện trở suất,  0,19  0,22 .10-6 m 2. Lò xo ép tiếp điểm chính Tính toán cho 1 lò xo  Đường kính dây lò xo Theo công thức 4-31 (TL1) , đường kính dây lò xo là : dlxc = ][ C.F8 x Trong đó F: lực ép tiếp điểm tính cho một tiếp điểm(1 pha 2 chỗ ngắt). F=2.Ftđc = 2.2,75 =5,5 (N) C: chỉ số lò xo, C = 164  chọn C = 8 [ x ]: ứng suất cho phép.  dlxc = )mm(44,0580. 8.5,5.8   Vậy chọn đường kính dây lò xo là dlxc =0,44 (mm)  Đường kính lò xo Dlxc = C. dlxc = 8.0,44 =3,52 (mm)  Số vòng làm việc Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 23 - TBĐ-ĐT1 Wlxc = lxc 3 lxc 4 lxc F.D8 f.d.G  Trong đó F: Lực lò xo phải sinh ra trong đoạn f. Flxc= Ftđc - Ftđd =2.(2,75 – 0,7.2,75) = 1,65 (N) f: Độ lún của lò xo flxc = l = 2 (mm) G: Mô đun chống trượt.  Wlxc = 41,1065,1.52,3.8 2.,440.10.80 3 43  (vòng)  chọn Wlxc= 11 (vòng)  Bước lò xo tk = dlxc = 0,44 (mm) tn = d lxc + mm) (62,011 2 44.0 W f lxc   Chiều dài kết cấu lk = dlxc.Wlxc = 0,44.11= 4,84 (mm) ln = Wlxc.tn + 1,5.dlxc = 11.0,62 + 1,5.0,44 = 7,48 (mm)  ứng suất xoắn thực tế của lò xo x = 74,57844,0. 8.5,5.8 d FC8 22     (N/mm2) Vậy x < [x] =580 N/mm 2 do đó lò xo chọn thoả mãn yêu cầu không vượt quá ứng suất xoắn cho phép. 3. Lò xo tiếp điểm phụ Tính toán cho 1 lò xo tương tự như tính với lò xo tiếp điểm chính.  Đường kính dây lò xo Theo công thức 4-31 (TL1) , đường kính dây lò xo là : dlxp = ][ C.F8 x Trong đó F=2.Ftđp = 2.1,1 =2,2 (N) C = 8 Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 24 - TBĐ-ĐT1  dlxp = )(,. .,. mm30 580 8228   Vậy chọn đường kính dây lò xo là dlxp =0,3(mm)  Đường kính lò xo Dlxp = C. dlxp = 8.0,3 = 2,4 (mm)  Số vòng làm việc Wlxp = lxp 3 lxp 4 lxp F.D8 f.d.G  Trong đó F: Lực lò xo phải sinh ra trong đoạn flxp. Flxp= Ftđc - Ftđđ =2.(1,1 – 0,5.1,1 ) = 1,1 (N) flxp: Độ lún của lò xo bằng độ lún của tiếp điểm phụ flxp = l’ = 1,7 (mm)  Wlxp = 1911428 7101080 3 3 , ,.,. ,.,3.. 4  (vòng)  chọn Wlxp= 10 (vòng)  Bước lò xo tk = dlxp = 0,3 (mm) tn = d lxp + mm) (, , , 470 10 71 30  lxpW f  Chiều dài kết cấu lk = dlxp.Wlxp = 0,3.10= 3 (mm) ln = Wlxp.tn + 1,5.dlxp = 10.0,47 + 1,5.0,3 = 5,15 (mm)  ứng suất xoắn thực tế của lò xo x = 24930 81188 22  ,. .,. d FC (N/mm2) Vậy x < [x] =580 N/mm 2 do đó lò xo chọn thoả mãn yêu cầu không vượt quá ứng suất xoắn cho phép. 4. Lò xo nhả  Có hai lò xo nhả Lực lò xo nhả đầu phải thắng được khối lượng phần động và tạo ra lực ép tiếp điểm thường đóng. Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 25 - TBĐ-ĐT1 Fnhđ = Kdt(Gđ + Ftđctđ ) Trong đó: Kdt: Hệ số dự trữ Kdt= 5,12,1  Chọn Kdt=1,2 Gđ: Trọng lượng phần động. Trong chương II mạch vòng dẫn điện ta đã chọn Gđ=1,75 (N) Ftđctđ: Lưc ép tiếp điểm cuối thường đóng(2 tiếp điểm thường đóng) Ftđctđ = 2.2.Ftđp = 2.2.1,1 = 4,4 (N)  Fnhđ = 1,2.(1,75 +4,4) = 7,4 (N) Do có hai lò xo nhả nên lực lõ xo nhả cho mỗi lò xo : Fnhđ1= 2 47, =3,7 (N) Lực lò xo nhả cuối Fnhc1= 1nhdF)25,1(  Vậy ta chọn Fnhc1=1,5.Fnhđ1=1,5.3,7 = 5,55 (N)  Đường kính dây lò xo là : dlxnh = ][ C.F8 x Trong đó F: lực kéo nén cho 1 lò xo F = Fnhc1= 5,55 (N) C: chỉ số lò xo, chọn C=10  dlxnh = )(,. .,. ][ . mm CF x nhc 50 580 1055588 1    Đường kính lò xo Dlxnh = C. dlxnh = 10.0,5= 5 (mm)  Số vòng làm việc Wlxnh = 1 3 lxnh 4 lxnh F.D8 f.d.G  Trong đó: F1: Lực lò xo phải sinh ra trong đoạn f F1=Fnhc1- Fnhđ1=5,55 – 3,7 = 1,85 (N) f: Độ lún của lò xo. Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 26 - TBĐ-ĐT1 f=l+m= 2+5 = 7 (mm)  Wlxnh= ,,.. .,.. 918 85158 7501080 3 43  (vòng) 19(vòng)  Bước lò xo tk = dlxnh= 0,5 (mm) tn = dlxnh + (mm) ,, 87019 7 50  lxnhW f  Chiều dài kết cấu lk = dlxnh.Wlxnh = 0,5.19 =9,5 (mm) ln = Wlxnh.tn + 1,5.dlxnh = 19.0,87+ 1,5.0,5 = 17,28 (mm)  ứng suất xoắn thực tế của lò xo x = 356550 1055588 22 , ,. .,. . ..     lxnhd CF N/mm2 Vậy x < [x] =580 N/mm 2 do đó lò xo chọn thoả mãn yêu cầu không vượt quá ứng suất xoắn cho phép. II. Đặc tính cơ 1. Lập sơ đồ động Ta xét công tắc tơ làm việc trong tư thế bất lợi nhất, đó là tư thế bị lắp ngược  Khi nắp nhả δ = δcn + l + m = 7,05 (mm) Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 27 - TBĐ-ĐT1  Khi nắp hút δ = δcn= 0,05 (mm) 2. Tính toán các lực a. Lực ép tiếp điểm chính Do công tắc tơ có ba pha, mỗi pha có hai chỗ ngắt nên  Lực ép tiếp điểm cuối Ftđc = 2.3.Ftđ = 6.2,75 = 16,5 (N)  Lực ép tiếp điểm đầu Ftđđ = 0,7.Ftđc = 0,7.16,5= 11,55 (N) b. Lực ép tiếp điểm phụ thường đóng Do 1 tiếp điểm phụ có 2 chỗ ngắt và công tắc tơ có 2 tiếp điểm phụ nên  Lực ép tiếp điểm cuối Ftđctđ = 2.2.Ftđp = 4.1,1 = 4,4 (N)  Lực ép tiếp điểm đầu Ftđđtđ = 0,5.Ftđctđ = 0,5.4,4 = 2,2 (N) c. Lực ép tiếp điểm phụ thường mở  Lực ép tiếp điểm đầu Ftđđtm = Ftđdtđ = 2,2 (N)  Lực ép tiếp điểm cuối : Ftđctm = Ftđctđ = 4,4 (N) d. Lực 2 lò xo nhả  Lực lò xo nhả đầu Fnhđ = Kdt(Gđ + Ftđctđ ) =1,2.(1,75 +4,4) = 7,4 (N)  Lực lò xo nhả cuối Fnh c = 1,5.Fnh đ = 11,1 (N) Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 28 - TBĐ-ĐT1 3. Đặc tính cơ Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 29 - TBĐ-ĐT1 Chương IV Tính toán và kiểm nghiệm nam châm điện I. Khái niệm Nam châm điện được sử dụng ngày càng rất rộng rãi mà không một lĩnh vực ngành kỹ thuật nào không sử dụng nó. Nhiệm vụ chủ yếu của nam châm điện là bộ phận sinh lực để thực hiện các chuyển dịch tịnh tiến hay chuyển quay hoặc sinh lực hãm. Trong mỗi lĩnh vực khác nhau thì có những loại nam châm khác nhau về hình dáng, kết cấu, ứng dụng. Các qúa trình vật lý xảy ra trong nam châm điện rất phức tạp, thường được mô tả bằng các phương trình vi phân tuyến tính. Vì vậy việc tính toán nam châm điện thường được dựa theo các công thức gần đúng, đơn giản sau đó mới kiểm nghiệm lại theo công thức lý thuyết, dẫn tới bài toán tối ưu. Đối với công tắc tơ, nam châm điện là cơ cấu sinh lực để thực hiện tịnh tiến đối với cơ cấu chấp hành là hệ thống các tiếp điểm. II. Tính toán thiết kế nam châm điện 1. Xác định Kkc Theo đặc tính cơ ta chọn điểm A là điểm tới hạn  tọa độ A(2,05.10 –3 ;23) Lực điện từ tính toán là Fđttt = K.Fth Trong đó K: là hệ số dự trữ 3,11,1K  chọn K = 1,1 Fth : lực cơ tại điểm A  Fđttt = 1,1. 23 = 25,3 (N) Theo công thức 5-2 (TL1.T188) hệ số kết cấu là )/(, ., , K / mN F th dttt kc 21 3 62453 10052 325   Theo bảng 5-2 (TL1.T188) Kkccp =630 đến 6300 N 1/2/m Kkc nằm trong khoảng cho phép. 2. Chọn vật liệu dẫn từ Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 30 - TBĐ-ĐT1 Do là nam châm điện xoay chiều nên ta chọn vật liệu thép silic đó là thép lá kỹ thuật hợp kim tăng cường theo bảng 5-3 (TL1-T191) Mã hiệu  31 Lực từ phản kháng HC 4,032,0  A/cm Từ cảm dư Bdư 2,18,0  T Từ cảm bão hoà Bδ 2 T Độ từ thẩm à 250 H/m Độ từ thẩm cực đại àmax 70006000  H/m Điện trở suất  50.10-8 Wcm Khối lượng riêng  7,65 g/cm3 Thành phần cacbon 0,025% Tổn hao từ trễ khi bão hoà 3cm/mJ15,0 Từ cảm lõi thép 0,6 T Chiều dày lá thép 0,5 mm 3. Chọn từ cảm, hệ số từ rò , hệ số từ cảm Ta có Bδth nằm trong khoảng )T(7,04,0   chọn Bδth = 0,5 (T) Hệ số từ rò σr = 1,3 2 chọn σr = 1,5 Hệ số từ tản σt = 1,2 4. Tính tiết diện lõi mạch từ  Fđttt ở trên là của ba khe hở không khí cho nên N F F dtttdtttlõi 65122 325 2 , ,  Theo công thức 5-8 (TL1.T204) thì Tiết diện lõi của nam châm điện là )(., ,.., , .., 24 2424 10542 5010919 6512 10919 m B F S dtttlừilõi    Slõi = 254 (mm 2) Trong đó Slõi là diện tích cực từ giữa màSlõi = a.b chọn b= 0,9.a  Slõi= 0,9.a 2  )(, ,, mm816 90 254 90 S a lừi  Ta chọn a =17 (mm) b = 0,9a = 0,9.17 = 15,3 (mm) Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 31 - TBĐ-ĐT1 Lấy b = 16 (mm) Theo công thức 5-11 (TL1) thì Chiều rộng thực sự của lõi )()(, , ' mmmm K b b c 178416 950 16  Trong đó Kc hệ số ép chặt của lõi thép. Kc = 0,9 và 0,95, ta chọn Kc = 0,95  Số lá thép kĩ thuật điện 34 50 17    , 'b N (tấm)  Kích thước cực từ bên khi không có vòng ngắn mạch a’ = )(, mm a 58 2 17 2   Kích thước cực từ bên khi có vòng ngắn mạch a’’ =a’ +2 =8,5 + 2.1,5 =11,5 (mm) Vậy ta có cực từ bên a’ =11,5 (mm) b =16 (mm) 5. Xác định kích thước cuộn dây  Theo công thức 5-18(TL1.T209). Sức từ động của cuộn dây (IW)tđ = (IW)nh + (IW)h (A.vòng) Trong đó (IW)nh: sức từ động của khe hở không khí làm việc khi phần ứng hở (IW)h: sức từ động không đổi khi khe hở không khí làm việc Theo công thức 5-19(TL1.T209) (IW)nh = O nh.B   Trong đó nh : tổng khe hở không khí làm việc nh = 2.nh = 2.2,05.10 -3 =4,1.10 -3 (m)  (IW)nh = 632110..4 10.1,4.5,0 7 3     (A.vòng) Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 32 - TBĐ-ĐT1 Theo công thức 5-20(TL1.T210) (IW)h = O hrth ..B   Trong đó r : hệ số từ rò , r = 1,5 h : khe hở không khí ở trạng thái hút h = 2cn + cd + ht =0,2  0,5 mm Chọn h = 0,2  (IW)h= 12010..4 10.2,0.5,1.5,0 7 3     (Avòng)  (IW)tđ = 1632 + 120 = 1752 (A.vòng)  Theo công thức 5-21(TL1.T219), ta có hệ số bội số dòng điện KI = 6,14120 1752 )IW( )IW( h td   thoả mãn yêu cầu KI = 4  15  Theo công thức 5-24 (TL1) , diện tích cuộn dây Scd = .jK.K.K.K )IW.(K Ilđqtminu tdmaxu Trong đó KUmax : Hệ số tính đến điện áp nguồn tăng mà NCĐ vẫn làm việc . Chọn Kumax = 1,1 KUmin : Hệ số tính đến điện áp nguồn giảm mà NCĐ vẫn làm việc . Chọn Kumin = 0,85 . Kqt: Hệ số quá tải dòng điện ở chế độ làm việc dài hạn Kqt = 1. J : Mật độ dòng điện trong cuộn dây ở chế độ làm việc dài hạn , thường j = 2  4 A/mm2 . Chọn j = 3 A/mm2 Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 33 - TBĐ-ĐT1 Klđ : Hệ số lấp đầy cuộn dây , Kld = 0,3  0,6 . Chọn Klđ = 0,55  Scd = )1(mm,94 6,14.3.55,0.1.85,0 1752.1,1 2 Từ diện tích cuộn dây, chọn hệ số hình dáng Khd = 2b h cd cd   bcd = )mm(7)(mm85,62 1,94 2 S cd   hcd = 2.bcd = 2.7 = 14 (mm) Vậy kích thước của cuộn dây là bcd =7 mm hcd =14 mm 6. Kích thước mạch từ  Bề rộng của sổ mạch từ 54321cdcs bc  Trong đó chọn 1 = 0,5 mm khe lắp ráp giũa cuộn dây và lõi. 2 = 1,5 mm bề dày khung. 3 = 0,5 mm bề dày cách điện cuộn dâytrong cuộn dây. 4 = 0,5 mm chiều dầy lót cách điện ngoài cuộn dây. a/2 a b c hđ hn 5 4 3 2 1 bcd h c d h l Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 34 - TBĐ-ĐT1 5 = 5,0 mm khoảng cách bề ngoài đến cực từ bên. bcd = 7 mm chiều rộng cuộn dây.  ccs= 7+ 0,5 +1,5 +0,5 +0,5 +5 = 15 (mm)  Chiều cao của sổ mạch từ hcs = hcd + 22 + 6 Trong đó hcd = 14 mm chiều cao cuộn dây 6 = 5 mm khoảng cách mặt trên cuộn dây đến nắp mạch từ động  hcs = 14 +2.1,5 +5 = 22 (mm)  Diện tích nắp mạch từ Sn = 0,6.Slõi = 0,6.254 = 152,4 (mm 2)  hn = )()(, , mm10mm539 16 4152 b Sn   Diện tích đáy mạch từ Sđ = 0,5.Slõi = 0,5.254 = 127 (mm 2)  hđ = )(,7 mm9416 127 b Sd  Lấy hđ8 mm  Chiều cao mạch từ H = hcs + hđ + hn  H = 22 + 8 + 10= 40 (mm) III. Tính toán kiểm nghiệm nam châm điện 1. Sơ đồ thay thế mạch từ Bỏ qua từ trở sắt từ ( Fe >>  ) , ta có mạch từ đẳng trị Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 35 - TBĐ-ĐT1 1 10 1t 2 20 2 t 3 30 3t G G G G G G G G G                13 1 3 e r1 r2 G G G G G G       13 2 13 2 G .G G G G        G = G + Gr Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 36 - TBĐ-ĐT1 2. Tính từ dẫn khe hở không khí  Dùng phương pháp phân chia từ trường để tính từ dẫn qua khe hở không khí. Ta chia ra làm 17 hình.  Một khối hình hộp chữ nhật với các cạnh a, b và chiều cao  G0 =   b.a.0  Hai nửa khối trụ đặc có đường kính , chiều dài a, từ dẫn của mỗi hình là G1 = 0,26.0.a  Hai nửa khối trụ đặc có đường kính , chiều dài b, từ dẫn của mỗi hình là G2 = 0,26.0.b  Hai nửa trụ rỗng với đường kính trong , đường kính ngoài ( + 2m), chiều dài a, từ dẫn mỗi hình là G3 = )1 m .( a.2.0     chọn với m = 0,1.  G3 = a058,0 )1 1,0. .( a.2. 0 0        Hai nửa trụ rỗng với đường kính trong , đường kính ngoài ( + 2m), chiều dài b, từ dẫn mỗi hình là G4 = )1 m .( b.2.0      G4 = b.058,0 )1 1,0. .( 10.b.2. 0 3 0         Bốn hình 1/4 cầu đặc với đường kính , từ dẫn của mỗi hình là G5 = 0,0770.  Bốn hình 1/4 cầu rỗng với đường kính trong . đường kính ngoài ( + 2m), từ dẫn mỗi hình là G6 = 4 .1,0. 4 m. 00   = 0,025.0. Vì tất cả các từ dẫn này song song với nhau nên từ dẫn tổng G2 ở khe hở không khí sẽ là tổng của 17 từ dẫn trên Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 37 - TBĐ-ĐT1 G = Gδ0 + 2.( G1 + G2 + G3 + G4) +4.( G5 +G6) G = )025,0077,0(4)b058,0a058,0b26,0a26,0(2 ab oo o    G =    oo o 408,0)ba(636,0 ab Từ dẫn khe hở không khí ở cực từ giữa G2 với a =17 mm, b= 16 mm        oo 3 6 o 2 40801016176360 1017 G ,)..(, .16.        .,, .,. oo 4 o 2 40800210 10722 G Từ tản khe hở không khí ở lõi là G2t = 2(G1 + G2 +G3 +G4 ) +4(G5 +G6 ) G2t = 0,019 0 +0,4080  Từ dẫn khe hở không khí ở cực từ bên G1 với a = 8,5 mm, b = 16 mm      oo 6 o1 408016586360 101658 G ,),(, ..,        0o 4 o 1 408001560 10361 G ,, .,. mà G3 = G1  G13 = G1 + G3 = 2.G1  G13 =    oo 4 o 816003120 10722 ,, .,. Từ dẫn tổng của ba khe hở không khí là 22410522010445 331098210788104211047 GG GG G 24 4322458 0 132 132 3.,.,.., .,0..,..,..,., . .            Từ dẫn rò Chia lõi cực từ làm hai phần bằng nhau. Từ dẫn được tính bằng phương pháp phân chia từ trường. a/2 a/2 b c Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 38 - TBĐ-ĐT1 Suất từ đẫn của khối chữ nhật cạnh 1, b và chiều cao ccs g0 = oo cs o 1115 16 c b1  ,. . Hai nửa trụ đặc chiều dài 1, đường kính ccs , mỗi khối có suất từ dẫn là g1 = 026,0  Hai nửa trụ rỗng chiều dài1, đường kính ccs , mõi khối có suất từ dẫn là g2 = )1 m c ( 1.2 cs o   mà m = 2 a g2 = oo 230 1 17 152 12    , ) . .( . Vậy suất từ dẫn tổng gr = g0 +2(g1 +g2 )  gr = à0 [1+2.(0,26 + 0,23)] = 1,98.à0 Vậy từ rò qui đổi là Gr1 = 3 1 .gr.hcs Gr1= 3 1 .1,98.à0.22.10-3 =1,82.10-8 (H) Ta lại có Gr2 = Gr1 nên tổng từ rò là Gr = Gr1 + Gr2 = 2.Gr1 = 2.1,82.10 –8= 3,64.10-8 (H)  Từ dẫn G G = G + Gr Đạo hàm từ dẫn tổng          d dG d dG d )GG(d d dG rr vì Gr = const nên              213 213 GG G.G d d d dG d dG 02324 65443526911 22410522010445 4090033010581058103911078710034 d dG         . ).,.,..,( .,.,..,..,..,..,.,  Hệ số từ tản , từ rò Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 39 - TBĐ-ĐT1 Hệ số từ tản : t = 20 2 20 2 G G        Hệ số từ rò : r =              G G 11 r 2 r 2 r2 2 Kết quả tính toán δ(mm) 0,05 1,05 2,05 3,05 4,05 5,05 6,05 7,05 Gδ2.10 -6 6,86 0,35 0,19 0,14 0,13 0,096 0,086 0,078 Gδ20.10 -6 6,83 0,32 0,17 0,11 0,08 0,067 0,056 0,048 t 1,004 1,09 1,12 1,27 1,63 1,43 1,54 1,63 Gr.10 -8 3,64 3,64 3,64 3,64 3,64 3,64 3,64 3,64 GδΣ.10-8 344 18 10 7,3 5,9 5,1 4,8 4,2 r 1,01 1,2 1,36 1,5 1,62 1,71 1,76 1,87 610. d dG   60000 134 36 16 8,9 5,6 4 2,9 Như vậy tại điểm tới hạn  = 2,05 mm , hệ số rò r = 1,36 mà ở trên ta chọn r= 1,5 thỏa mãn. 3. Tính từ thông       d dG . G.2 .K F 2 th htb mà Fhtb = )(, , N6512 2 325 2 Fdttt   th = 4 6 282 htb 1041 1036250 101026512 d dG K G2F        ., .., )..(., . (Wb) Vậy từ cảm tới hạn là Bth = )(,.. ., T5150 101617 1041 S 6 4 lõi tb      Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 40 - TBĐ-ĐT1 Bth = 0,515 T trong khi ta chọn Bth = 0,5 T. Như vậy sai số là 0,015 T chấp nhận được. 4. Tính số vòng dây Số vòng dây nam châm điện được tính theo công thức trang (284 TL1) W = tb0 irdmminu .f.44,4 k.U.k  Trong đó Kir : hệ số tính đến điện áp rơi trên điện trở của cuộn dây , khi phần ứng bị hút KIR =0,900,96. Chọn KIR= 0,95 Uđm : điện áp định mức của cuộn dây Uđm = 220V KUmin : hệ số tính đến sụt áp , KUmin = 0,85 f = 50 Hz 4 rththtb0 1091.σ  .,.1,361,4.10 -4 (Wb) W= 4250 109150444 950220850 4  .,.., ,.., (vòng) 5. Tính đường kính dây  Tiết diện của dây dẫn là )m(, ..,. 2cdcdld m0130 4250 147550 W hbK q   Đường kính dây dẫn d =    01304q4 ,. = 0,12 (mm) Tra bảng 5-8(TL1) chọn dây có đường kính khi không có cách điện là d = 0,12 mm. Chọn đường kính dây có cả cách điện là d = 0,14 mm  Kiểm nghiệm lại hệ số lấp đầy của cuộn dây klđ 490 4147 1204250 hb qW K 2 cdcd ld ,.. ,.. . .    Vậy hệ số lấp đầy của cuộn dây nằm trong khoảng cho phép. 6. Tính toán vòng ngắn mạch Để chống rung cho phần động của NCĐ do lực đập mạch gây nên. ta đặt vòng ngắn mạch ở hai bên trụ bên. Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 41 - TBĐ-ĐT1  Số vòng ngắn mạch Wnm = 1 vòng.  Lực hút điện từ trung bình ở khe hở làm việc khi không có vòng ngắn mạch ở trạng thái hút của phần ứng.   tn 2 tb4 tbh S 10.9,19F    Trong đó Φtb: Từ thông trung bình ở khe hở làm việc khi phần ứng hút được rh tbh tb .2    rh: Hệ số từ dò khi phần ứng hút ( = 0,05 mm) ta có rh = 1,004.   tb = 5 4 10469 00412 109    ., ,. .,1 (Wb) Stn: Diện tích tổng trong và ngoài vòng ngắn mạch. Stn =a’.b = 8,5.16 =136 (mm 2)  Ftbh = )(. ).,( .., N13 10136 10469 10919 6 25 4     Tỉ số fl của lực điện từ bé nhất và trị trung bình của lực điện từ khi không có vòng ngắn mạch. tbh min l F F f  mà Fmin = Fcơqđ = )(,,.,.. max N2897533114 1 FK 4 1 codt   710 13 289 f1 , ,   Tỷ số giữa diện tích cực từ ngoài và trong vòng ngắn mạch St Sn Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 42 - TBĐ-ĐT1 t n S S  = 0,5  Điện trở của vòng ngắn mạch   2 12 1 1 h tn0 nm f4.2f3 f4 . S r        2 23 67 nm 7104 27103 7104 10050 10136104502 r , ,. ,. . ., ......        rnm = 3,34.10 -4 ()  Góc lệch pha  giữa từ thông ngoài và từ thông trong khi số vòng ngắn mạch Wnm = 1 là : nm h t nm t r S . r G. tg       Trong đó St: Diện tích cực từ trong vòng ngắn mạch St = 790136 3 2 S 3 2 tn ,.  (mm 2) tg = 12 1034310050 10790104502 43 67 , .,.., .,......      = 64,50 Góc lệch pha  cho phép từ 500 đến 800. Như vậy  64,50 là thoả mãn lí thuyết.  Từ thông t và n được tính như sau Chọn 16,1 5,64cos 5,0 cos C O     Từ thông trong vòng ngắn mạch. )(., ,cos.,., ., cos.. Wb10175 56416121611 10469 C2C1 5 O2 5 2 tb t          Từ thông ngoài vòng ngắn mạch. n = C. t = 1,16.5,17.10 -5 = 6.10-5 (Wb)  Từ cảm ở khe hở vùng ngoài vòng ngắn mạch n n n S B   Trong đó Sn: diện tích cực từ ngoài vòng ngắn mạch Sn = 0,5. St = 0,5.90,7 = 45,35 (mm 2) Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 43 - TBĐ-ĐT1 b d St ∆ St ltb Bn 1,6(T))(, ., .    T3231 103545 106 6 5 Vậy Bn thoả mãn yêu cầu  Các lực Lực điện từ phía ngoài vòng ngắn mạch   )(, ., . .,.., N815 103545 106 10919 S 10919F 6 25 4 n 2 n4 tbn      Lực điện từ phía trong vòng ngắn mạch   )(, ., ., .,.., N865 10790 10175 10919 S 10919F 6 25 4 t 2 t4 tbt      Lực điện từ cực đại  2cos.F.F.2FFF tbntbt 2 tbn 2 tbtmax Fmax = )(,),.cos(.,.,.,, N941256428158652815865 O22  Lực điện từ trung bình Ftb = Ftbt + Ftbn = 5,86 + 15,8 = 21,66 (N) Lực điện từ nhỏ nhất )(,,,maxmin N72894126621FFF tb  Lực điện từ nhỏ nhất khi hút là F = 4.Fmin = 4.8,72 = 34,88 (N) Như vậy lực đIện từ nhỏ nhất F = 34,88 N > F max0c =33,75 N thoả mãn yêu cầu.  Tỷ số giữa lực trung bình và lực bé nhất P = 482 728 6621 F Ftb , , , min  7. Tính toán vòng ngắn mạch Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 44 - TBĐ-ĐT1 ∆=1,5 mm b=16 mm Diện tích trong vòng ngắn mạch: St= 90,7 mm 2  Cạnh d )(,, mm75 16 790 b S d t   Chiều dài trung bình của vòng ngắn mạch ltb=2(b+d+∆v)=2(16+5,7+2x1.5) = 49,4 (mm)  Khi làm việc nhiệt độ vòng ngắn mạch có thể đạt tới 200-2500 C. Nên điện trở suất của vòng ngắn mạch tại 2250 C là Vòng ngắn mạch được làm bằng đồng nên có 20= 0,00158.10 -3 (Wmm)  )(.,)).(,.(., mm10972202250043011001580 53225   Vậy tiết diện vòng ngắn mạch )(, ., ,.., 2 4 5 nm tb225 mm394 10343 44910972 r l S      Vậy chiều dày vòng ngắn mạch )(, , , mm932 51 394S h     Tổn hao trong vòng ngắn mạch   )(, .,.., .., .. . 5- min max 5,17.10.. W660 103432850 211 r2K K rIP 42 2 nm 2 u 2 tu nm 2 nmnm 50             Dòng điện trong vòng ngắn mạch Pnm =I 2 nm . rnm  Inm = )(,.10, , 4- A4544 343 660 r P nm nm  8. Tính toán kiểm nghiệm cuộn dây Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 45 - TBĐ-ĐT1  Chiều dài trung bình của cuộn dây ltb = 2 b2ba2ba2 cd ]..).([).(  = 2 72117216172 ]..)6([).(  = 88 (mm)  Điện trở suất của đồng ở nhiệt độ phát nóng cho phép  = 95 0C(cấp cách điện A) 95 = 20[1 + ( - 20)] = 1,74.10-8[1 + 0,0043(95 - 20)] = 2,3.10-8 (m) Điện trở của cuộn dây q W.l R tb120cd   Rcd = )( , . , ..8 .,      584760 10 4 120 4250108 1032 6 2 3 8  Điện kháng của cuộn dây Xcd= W 2.GΣ.ω Trong đó GΣ: từ dẫn tổng của mạch từ khi δ= δmin= 0,2 mm (có kể cả khe hở chống dính)tức khi cuộn dây đang làm việc khi đó GδΣ= 87,11.10-8 GΣ=GδΣ + Gr=87,11.10-8 + 3,64.10-8=9,75.10-7 Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 46 - TBĐ-ĐT1  Xcd = 4250 2.9,75.10-7.2.Π.50 = 5532,64(W)  Tổng trở của cuộn dây Zcd= 2 cd 2 cd XR  = 22584760 )5532,64(),(  = 5584,67(W)  Dòng điện trong cuộn dây Icd = cdZ U = 675584 220 , = 0,039(A)  Công suất tiêu thụ của cuộn dây P = I2cd.Rcd = (0,039) 2 .760,5841,16 (W)  Theo công thức Newton , độ tăng nhiệt trong cuộn dây bằng :  = tnT S.K P Trong đó KT: Hệ số toả nhiệt KT = 15 W/m 2.0C (bảng 6-5 TL1) Stn: diện tich tỏa nhiệt Stn = Sngoài= hcd .[2(a + b) + 2..bcd ] Stn= 14.[2.(17+ 16) + 2. .7] =1545 (mm 2)  = C0550 10154515 O 6 , .. 1,16    = mt + = 40 +50,05 = 90,05 OC < [ ]cp = 95 OC Vậy cuộn dây thoả mãn về nhiệt. 9. Tính và dựng đặc tính lực điện từ Theo công thức 4-50 (TL1) , lực hút điện từ trung bình được tính :       d dG . G2 .K2FF 2 2 htbdt vì 0d dG r   Với ba trường hợp U =0,85.Uđm (KU = 0,85) U = Uđm (KU = 1) U = 1,1.Uđm (KU = 1,1) Trong đó Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 47 - TBĐ-ĐT1 K = 0,25 với F tính bằng Newton r tb    mà  tb = W.f.44,4 kU.K ỉdkU KU = 0,85  425050444 950220850 tb .., ,.., 1,88.10 4 (Wb) KU = 1   425050444 9502201 tb .., ,.. 2,21.10 4 (Wb) KU = 1,1   425050444 95022011 tb .., ,.., 2,43.10 4 (Wb) Kết quả tính được ta có d(mm) 0,05 1,05 2,05 3,05 4,05 5,05 6,05 7,05 σr 1,01 1,2 1,36 1,5 1,62 1,71 1,76 1,87 GδΣ.10-8 344 18 10 7,3 5,9 5,1 4,8 4,2 610. d dG   58348 134 36 16 8,9 5,6 4 2,9 δ1.10 -4 1,61 1,34 1,16 1,07 0,99 0,93 0,89 0,86 δ2.10 -4 1,89 1,57 1,36 1,25 1,16 1,09 1,04 1,01 δ3.10 -4 2,08 1,72 1,5 1,37 1,27 1,2 1,14 1,11 Fdt1 59,9 33,2 21,7 14,9 10,6 7,8 6,4 5,2 Fdt2 82,5 45,6 29,7 20,3 14,5 10,6 8,7 6,9 Fdt3 99,9 54,8 36,2 24,4 17,4 12,9 10,4 8,3 Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 48 - TBĐ-ĐT1 Hình dưới đây ta chỉ vẽ đường cong biểu diễn lực hút điện từ ứng với Kumin= 0,85. Từ hình vẽ ta thấy đường cong lực hút điện từ không cắt đường đặc tính cơ  nam châm điện đạt yêu cầu. Vì vậy ứng với Kumin= 1 và 1,1 thì nam châm điện cũng sẽ đạt yêu cầu. Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 49 - TBĐ-ĐT1 1,75 0 10 20 30 40 50 60 70 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 50 - TBĐ-ĐT1 Chương V Tính và kiểm nghiệm buồng dập hồ quang I. Vật liệu Như ở chương chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ ta đã chọn buồng dập hồ quang kiểu dàn dập. Nên sau đây ta sẽ chọn vật liệu làm buồng dập và các tấm dập 1. Vật liệu làm vỏ buồng dập hồ quang Đối với vật liệu làm vỏ buổng dập hồ quang phải đảm bảo các yêu cầu sau  Tính chịu nhiệt cao.  Đảm bảo tính cách điện và chống ẩm.  Nhám bề mặt bên trong thành buồng dập. Để đảm bảo các yêu cầu trên ta chọn vật liệu làm vỏ buồng dập hồ quang Ximăng Amiăng có Ký hiệu: OCT 8697-58 2. Vật liệu làm các tấm dập Thường được làm bằng thép ít cacbon, các tấm đúc bằng khuôn mạ một lớp đồng để bảo vệ chống rỉ II. Tính toán và kiểm nghiệm  Chọn khoảng cách giữa các tấm dập là δt= 2,5 mm, bề dày của tấm dập là ∆t= 1 (mm).  Giá trị biên độ của điện áp phục hồi theo công thức ( 3-26 TL1) Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 51 - TBĐ-ĐT1 Uphmax=Ungắtmax= sin.K. 3 U.2.1,1 sd dm Trong đó Udm: điện áp định mức của lưới Udm=440 V φ: góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp sin= 0,6 Ksd: hệ số sơ đồ, vì buồng dập hồ quang này tính cho mỗi một tiếp điểm chính nên Ksd= 0,865  Uphmax=Ungắtmax= 608650 3 440 ,.,. .21,1. =205 (V)  Tần số dao động riêng của mạch ngắt theo công thức ( 3-30 TL1) f0= )P.BA.(U 380 4 3 dm dm  Trong đó Pdm: công suất định mức của động cơ Pdm= cos.IU.3 dmdm  )(,)(,,... KW71713W81371780184403Pdm  A=15000 B=3000  )(,),..( 3 0 Hz553142171713300015000440 380 f 4   Tốc độ tăng trung bình của điện áp phục hồi theo công thức ( 3-27 TL1) nguồn0bd t ph U.f.K.2 d dU  Trong đó Kbd: hệ số biên độ Kbd= ,47 max 0 440 205 U U nguồn ph   6ph 13.10.,.,. dU  44055314214702 d t  Độ bền điện phục hồi t.KUU t 0 phph  Trong đó Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 52 - TBĐ-ĐT1 0 phU : độ bền điện phục hồi ban đầu ở thời điểm dòng điện xoay chiều qua trị số không 0 phU = 6,0nU 0 t  = (72 + 0,72.δt ). 6,0n  với n=2 là số chỗ ngắt  0phU = )V(32,876,02).5,2.72,072(  Kt: tốc độ tăng độ bền phục hồi Kt= 6,0n.K 0 t  Với )273T40.(I.2 10.)].7,5I(820[ K ng 6 tng 2 t0 t    Ing: dòng điện ngắt Ing=3.Idm= 3.18 = 54 (A) T: nhiệt độ của tấm dàn dập T= C75306200540180293zI0180293 0ng ,..,..,   251233259 2737530640542 101755452820 K 62 0 t , ),.(. .)].,.(,[     (V/s)  Kt= 1459212602251233259  ,., (V/s) Vậy t14592123287U ph .,   Xác định số tấm dập theo quá trình không dao động của điện áp phục hồi theo công thức (3-54 TL1) 2 đm 0 hp 0 ph 2 đmđm 2đmđm td K.0,35.UU K .UK ln-1.KU.K 6,0n                      Trong đó Kdm: hệ số định mức 35,08,01.865,0.9,0cos1.K.9,0K sddm  1300 K.L.I K o t 3 2 ng 2  Với L: điện cảm mạch ngắt )(., ... ,. . sin. H105615 50254 60440 I U L 3 ng dm       88210 1300 1233259 K 2 , ..5415,56.10 3 23-  0 hqU : điện áp hồ quang của một khoảng trống Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 53 - TBĐ-ĐT1 ).04,07,0).(I.003,0110(U tng 0 hq   88,13(V)),2.,,).(.,(  504070540030110U 0hq  2 td 3508327 88210 88210440350 60n                     ,.7,320,35.,8 , 0,35.440 ln-1.,., ,  1792n td , Vậy chọn ntd= 3 tấm  Kiểm tra điều kiện xảy ra qua trình không dao động theo công thức (3-53 TL1) 3 2 ng td 0 I.L 6,0n.415 f    3 2 3 0 54105615 603415 f .., ,.     2893f0  Mà ta có f0= 31421,55 do đo thỏa mãn điều kiện trên vậy quá trình không dao động. Số lượng tấm dàn dập là ndd= ntd+3 = 3 + 3 = 6 tấm  Thời gian cháy của hồ quang thq= 0,01s  Chiều dài nhỏ nhất của các tấm theo công thức (3-55 TL1) 3 nghq 2 tt I.t..73,1l   32t 5401052731l .,.,.,  410l t , (cm)  chọn lt= 0, 5 cm  Chỗ mở của các tấm có hình chữ V.  Các tấm cuối nối với tiếp điểm đóng ngắt. Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 54 - TBĐ-ĐT1 Chương VI Hoàn thiện kết cấu I. Mạch vòng dẫn điện 1. Mach vòng dẫn điện chính a. Thanh dẫn động  Có tiết diện hình chữ nhật.  Được làm bằng vật liệu là đồng kéo nguội có ký hiệu ML-TB.  Các kích thước là ađc= 10 mm, bđc= 1,2 mm. b. Thanh dẫn tĩnh  Có tiết diện hình chữ nhật.  Cũng được làm bằng vật liệu là đồng kéo nguội có ký hiệu ML-TB.  Có các kích thước là atc= 10 mm, btc= 1,5 mm.  Thanh dẫn tĩnh sẽ có hình dáng như sau để tận dụng lực điện động để tăng lực ép tiếp điểm.  Thêm vào đó do điện áp giữa hai thanh dẫn tĩnh là 440 V nên các thanh dẫn tĩnh sẽ được đặt cách nhau 5 mm. c. Tiếp điểm  Dạng bắc cầu, tiếp điểm hình trụ.  Được làm bằng vật liệu là kim loại gốm (Bạc-Than chì-Niken) có ký hiệu là KMK.A32 Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 55 - TBĐ-ĐT1  Có các kích thước là đường kính dtđ= 8 mm, Chiều cao h tđ= 1,5 mm d. Đầu nối Bu lông 5 bằng thép không dẫn điện và có trụ đồng 5 2. Mạch vòng dẫn điện phụ a. Thanh dẫn động  Có tiết diện hình chữ nhật.  Được làm bằng vật liệu là đồng kéo nguội có ký hiệu ML-TB.  Các kích thước là ađp= 6 mm, bđp= 0,8 mm. b. Thanh dẫn tĩnh  Có tiết diện hình chữ nhật.  Được làm bằng vật liệu là đồng kéo nguội có ký hiệu ML-TB.  Có các kích thước là atp= 6 mm, btp= 1 mm. c. Tiếp điểm  Dạng bắc cầu, tiếp điểm hình cầu.  Được làm bằng vật liệu bạc.  Có các kích thước là đường kính dtđ=5 mm, Chiều cao h tđ= 1,2 mm. II. Lò xo tiếp điểm, lò xo nhả Lò xo co dạng hình xoắn trụ,vật liệu chế tạo lò xo là Thép các bon OTC9389-60 1. Lò xo tiếp điểm chính  Đường kính dây lò xo dlxc= 0,44 mm.  Đường kính lò xo Dlxc= 3,52 mm.  Số vòng Wlxc= 11 vòng. 2. Lò xo tiếp điểm phụ  Đường kính dây lò xo dlxp= 0,3 mm.  Đường kính lò xo Dlxp= 2,4 mm.  Số vòng Wlxp= 10 vòng. 3. Lò xo nhả  Đường kính dây lò xo dlxnh= 0,5 mm.  Đường kính lò xo Dlxnh = 5 mm.  Số vòng Wlxnh = 19 vòng. Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 56 - TBĐ-ĐT1 III. Nam châm điện 1. Mạch từ  Vật liệu làm mạch từ là Thép 31.  Kích thước lõi a=b’ = 17 mm.  Số lá thép kỹ thuật điện n= 34 tấm.  Chiều dày một lá thép  = 0,5 mm.  Kích thước hai mạch từ bên a’=a’’=11,5 mm.  Chiều rộng cửa sổ mạch từ Ccs = 15 mm.  Chiều cao cửa sổ mạch từ hcs=22 mm.  Chiều cao nắp mạch từ hn= 10 mm.  Chiều cao đáy mạch từ hđ= 8 mm.  Tổng chiều cao mạch từ H= 40 mm. 2. Kích thước cuộn dây  Chiều rộng cuộn dây bcd= 7 mm.  Chiều cao cuộn dây hcd= 14 mm.  Số vòng dây W = 4250 vòng.  Đường kính dây d = 0,12 mm ( không kể cách điện) d = 0,14 mm (kể cách điện) 3. Vòng ngắn mạch  Hai vòng ngắn mạch đặt ở hai cực từ bên.  Số vòng Wnm=1 vòng  Bề dày của tiết diện vòng ngắn mạch ∆v=1,5 mm.  Chiều cao của tiết diện vòng ngắn mạch h =2,93 mm.  Chiều rộng của vồng ngắn mạch là d = 5,7 mm. 4. Buồng dập hồ quang  Vật liệu làm vỏ buồng dập hồ quang là Ximăng Amiăng có Ký hiệu: OCT 8697-58  Vật liệu làm các tấm dập là bằng thép ít cacbon, các tấm đúc bằng khuôn mạ một lớp đồng để bảo vệ chống rỉ  Chiều dài nhỏ nhất của tấm dập lt= 0,5 (cm)  Chọn khoảng cách giữa các tấm dập Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 57 - TBĐ-ĐT1 là δt= 2,5 mm, bề dày của tấm dập là ∆t= 1 (mm).  Chỗ mở của các tấm có hình chữ . IV. Vỏ và các chi tiết khác  Vỏ làm bằng vật liệu nhựa cứng cách điện tốt.  Đáy nam châm điện có đặt một giá đỡ để chống rung cơ khí trong quá trình đóng mở nắp nam châm điện.  Ngoài ra CTT còn nhiều chi tiết phụ khác. Chương VII Ví dụ minh họa ứng dụng công tắc tơ trên I. Sơ đồ nguyên lý Đây là sơ đồ nguyên lý đóng cắt một động cơ có Uđm = 440 V~ và Iđm= 18 A với tải của động cơ là một băng truyền sản xuất thường xuyên phải đóng cắt. Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 58 - TBĐ-ĐT1 Để đóng cắt động cơ này ta dùng công tắc tơ đã thiết kế ở trên, ngoài ra còn dùng thêm một rơ le nhiệt để bảo vệ quả tải và cầu chì để bảo vệ ngắn mạch. Ngoi ra ta cũng dùng thêm mạch sau để kiểm tra hoạt động của động cơ II. Nguyên tắc hoạt động 1. Mạch chính điều khiển động cơ Khi muốn khởi động băng tải thì ấn nút Đ, cuộn dây CD của công tắc có điện, các tiếp điểm chính K1, K2, K3 của công tắc tơ đóng lại, động cơ điện được cấp điện và sẽ quay. Đồng thời tiếp điểm phụ K0 của công tắc tơ đóng lại để duy trì điện cho cuộn dây khi thả nút ấn Đ ra, vừa có tác dụng bảo vệ điểm không tức ngăn ngừa tình trạng động cơ tự khởi động khi điện áp lưới phục hồi sau khi mất điẹn hoặc điện áp sụt quá thấp. Khi muốn dừng băng tải ấn nút N, cuộn dây của công tắc tơ mất điện, các tiếp điểm, các tiếp điểm K1, K2, K3 mở ra cắt điện vào cuộn dây, động cơ dừng lại, băng tải cũng dừng lại. 2. Mạch kiểm tra Khi cấp điện cho động cơ thì tiếp điểm phụ thường mở của công tắc tơ đóng lại làm cho đèn đỏ bật sáng báo cho công nhân vận hành biết rằng động cơ đã hoạt động. Còn khi ngắt điện cấp vào động cơ thì tiếp điểm phụ thường đóng của động cơ sẽ đóng vào và đèn xanh bật sáng báo cho công nhân vận hành biết rằng động cơ đã ngừng hoạt động Thiết kế cụng tắc tơ Đồ ỏn khớ cụ điện hạ ỏp Ngọc Văn Tú - 59 - TBĐ-ĐT1 TàI LIệU THAM KHảO 1.Thiết kế khí cụ điện hạ áp Bộ môn máy điện – khí cụ điện, ĐHBK – Hà Nội 1987 2.Khí cụ điện, NXB KHKT 2004 TS Phạm Văn Chới TS Bùi Tín Hữu KS Nguyễn Tiến Tôn 3.Khí cụ điện hạ áp Bộ môn máy điện – khí cụ điện, ĐHBK – Hà Nội 1976 4.Phần tử tự động Nguyễn Tiến Tôn, Phạm Văn Chới, ĐHBK – Hà Nội 1984