CC BY
93
УДК 621.318.3 ББК 31.26
О А. НИКИТИНА, О.А. ПЕТРОВ, Н.В. РУССОВА, Г П. СВИНЦОВ
ВЫБОР РАЗМЕРОВ ФОРСИРОВАННОГО П-ОБРАЗНОГО ДВУХКАТУШЕЧНОГО ПРИВОДА КОНТАКТОРА*
Ключевые слова: магнитная система, форсированное управление, синтез.
Предложена методика проектирования квазиоптимального форсированного П-образ-ного привода на основе использования экспериментально полученных нагрузочных характеристик при минимальном числе принимаемых вспомогательных коэффициентов. Выработаны рекомендации по выбору определяющих размеров привода, обеспечивающих снижение массогабаритных показателей и энергопотребления. Для обеспечения работоспособности привода в рамках желаемого сочетания размеров необходимо форсированное управление его обмотками. Предпочтительной схемой форсированного управления в данном случае является схема с переключением двух обмоток с параллельного их соединения (в режиме включения приводного электромагнита) на последовательное (в режиме удержания якоря приводного электромагнита в притянутом положении). Таким образом, можно уменьшить высоту (Ид) обмотки, площадь поперечного сечения сердечника, ярма, якоря. Анализ полученных результатов свидетельствует, что имеется возможность уменьшить диаметр сердечника до 14 мм, высоту обмотки до 26,5мм при диаметре полюсного наконечника не меньше 24,5мм в приводном электромагните контактора на номинальный ток 25 А.
O. NIKITINA, O. PETROV, N. RUSSOVA, G. SVINTSOV SIZING FORCED U-SHAPED TWO-COIL ACTUATOR OF CONTACTOR
Key words: magnetic system, forced control, synthesis.
The article suggests a methodology for designing quasi-optimal forced U-shaped drive based on use of experimentally obtained load characteristics with a minimum number of taken auxiliary factors. We developed recommendations on selecting the crucial dimensions of the drive which will provide the reduction of weight and overall dimensions and power consumption. To ensure the working capacity of the drive within the framework of the desired combination of dimensions it is necessary to force the management of its windings. A preferred forced control circuit in this case is a circuit that switches two windings from their parallel connection (with driving electromagnet in the operation mode) to the serial connection. Thus, it is possible to reduce the height (Ид) of the winding, the cross sectional area of the core, the yoke, and the armature. Analysis of the results shows that in the drive solenoid contactor for 25 A rated current it is possible to reduce the diameter of the core up to 14 mm, the height of the coil up to 26.5 mm with pole tip diameter of not less than 24.5 mm.
Для обеспечения конкурентоспособности вновь разрабатываемых контакторов для объектов спецтехники необходимо резкое снижение их массогабаритных показателей и энергопотребления. Решение этих задач связано с форсированным управлением приводными электромагнитами коммутационных аппаратов [3].
Рассмотрим это на примере контактора на номинальный ток 25 А. По рекомендуемым методикам [2, 5] определены растворы, провалы и контактные нажатия. Рассчитаны и построены варианты механической характеристики контактора. Одна из таких характеристик представлена на рис. 1.
Автономные объекты, подвергающиеся повышенным механическим воздействиям, должны иметь уравновешенные подвижные системы, например, с кинематической схемой типа «параллелограмм», гармонично сопрягающейся
* Исследование выполнено в рамках базовой части государственного задания Министерства образования и науки России.
с клапанными магнитными системами приводных электромагнитов1. Последние эффективны при относительно малых рабочих зазорах [2 и др.].
Поэтому отношение плеча траверсы (/т) к плечу электромагнитной силы (/эм) принято равным
= 1,30.
^ЭМ
я
35-
30-
20-
15 -
10--
Рш
5-е
Рш
_—
А™
3,5 '2,05
0 2,5 3,5 4 4,2 6 Хтмм
Рис. 1. Механическая характеристика и её составляющие контактора с номинальным током 25А, четырьмя вспомогательными замыкающими контактами при форсированном приводе
Определена критическая точка на приведенной к рабочему зазору механической характеристике контактора по значению произведения Р МХ.г • 5г- [4]. Критической точкой является при форсированном приводе начальная: 5кр = 4,815 мм, Р мх.кр = 7,8 Н.
В результате выполненного проектного расчета П-образного привода (рис. 2) получены следующие данные (табл. 1).
Как следует из табл. 1, предпочтительные размеры П-образного привода меньше, чем полученные в результате оптимизационного расчета привода [3]. Следовательно, для обеспечения работоспособности привода в рамках желаемого сочетания размеров необходимо форсированное управление его обмотками (рис. 3).
1 Контакторы электромагнитные специальные. Обзорная информация. ТС-07 Аппараты низкого напряжения. М.: Информэлектро, 1981. 88 с.
Таблица 1
Варианты размеров П-образного привода
Варианты Основные размеры, мм
йс йп Но Ао ап Ьск с
Предпочтительный 16 20 36,5 9 3 26 36
Рассчитанный [1] 17,4 30,5 39,0 10 3,5 54,8 49,3
Г %
| ' '////////л /
4 3
Рис. 2. Эскиз симметричной двухкатушечной П-образной клапанной магнитной системы с цилиндрическими сердечниками и полюсными наконечниками: 1 - якорь; 2 - сердечник; 3 - полюсный наконечник; 4 - обмотки; 5 - ярмо; 6 - каркас
Предпочтительной схемой форсированного управления в данном случае является схема с переключением двух обмоток с параллельного их соединения (в режиме включения приводного электромагнита) на последовательное (в режиме удержания якоря приводного электромагнита в притянутом положении) (рис. 3).
Рис. 3. Схема форсированного управления приводным электромагнитом контактора от источника напряжения постоянного тока
Как видно из рис. 3, при подаче на клеммы 1 и 2 напряжения указанной полярности диод УБ заперт, обмотки УЛ включены согласно между собой на напряжение источника питания. В процессе срабатывания приводного электромагнита размыкаются форсировочные контакты 81, 82, отпирается диод УБ, обмотки УЛ оказываются включенными между клеммами 1 и 2 согласно и последовательно между собой.
Суть методики выбора размеров клапанной П-образной магнитной системы заключена в том, что диаметр (<3С) сердечников, толщина (А0) обмотки, каркасов (Д^), расстояние (с) между осями сердечников принимаются из условия, что габаритная ширина ГШ = с + ^ + 4Дк + 2А0 (это оговаривается в
техническом задании на проектирование), и условия размещения обмоток в «окне магнитной системы»: с > ¿с + 4Ак + 2А0. Высота (Н0) обмоток определяет в большей степени максимальную их температуру (Эот); диаметр (¿¿п) полюсных наконечников влияет на необходимую магнитодвижущую силу для создания требуемого значения электромагнитного момента. Варьируя два последних размера, можно определить соответствующую температуру вт и по допустимой ее величине (в рассматриваемом случае 120°С) выбрать Н0 и ¿п. Правильность выбранных размеров можно оценить по относительным (в долях ¿с) их значениям.
Результаты расчета (табл. 2) магнитодвижущей силы срабатывания электромагнита (Рср) и магнитодвижущей силы, создаваемой при этом одной обмоткой (^ср.о), максимальной температуры [1] нагрева (0т), потребляемой мощности в режиме пуска (Рпуск) и удержания (Руд) при возможных размерах магнитной системы для различных значений диаметра полюсного наконечника (¿п) и высоты (Н0) обмотки приведены в табл. 2.
Таблица 2
К оценке влияния геометрических размеров диаметра (¿п) полюсного наконечника, высоты (Н0) обмотки на эксплуатационные показатели электромагнита при = 14 мм, А0 = 9 мм, с = 36 мм, Ьяр = 43 мм, Ак = 0,85 мм, Ктах = 1,42, Т0 = 85°С
Н0, мм мм 20 21 22 23 24 25 26
36,5 Р А 1 ср.о, 684,5 662,5 643 625,5 610,5 597,5 588
С 111,8 109,1 106,7 104,5 102,8 101,3 100,2
Р ВТ 1 пусю ^ ^ 27,7 25,8 24,2 22,8 21,6 20,7 20,0
Р ВТ 1 уд, ±Л 6,9 6,4 6,0 5,7 5,4 5,2 5,0
34,5 Р А 1 ср.о, 683,5 661 641 623 607,5 594 584
Qm, °С 115,2 112,2 109,6 107,3 105,3 103,7 102,4
Р ВТ 1 пуск, 1 29,4 27,3 25,6 24,0 22,8 21,7 20,9
Р ВТ 7,3 6,8 6,4 6,0 5,7 5,4 5,2
32,5 Р А 1 ср.о, 683 660 639,5 621 605 591 580
С 119,1 115,8 113,0 110,4 108,3 106,4 105,0
Р ВТ 1 пусю ^ ^ 31,4 29,1 27,2 25,5 24,1 22,9 22,0
Р ВТ 1 уд, ±Л 7,8 7,3 6,8 6,4 6,0 5,7 5,5
30,5 Р А 1 ср.о, 682,5 659,5 638,5 619,5 602,5 588 576,5
Qm, С 123,5 120,0 116,9 114,1 111,6 109,6 108,0
Р ВТ 1 пусю ^ ^ 33,6 31,2 29,1 27,2 25,6 24,3 23,3
Р ВТ 1 уд, ±Л 8,4 7,8 7,3 6,8 6,4 6,1 5,8
28,5 Р А 1 ср.о, 682,5 659 637,5 618 601 585,5 573
0m, °С 128,6 124,8 121,3 118,2 115,6 113,2 111,4
Р ВТ 1 пуск, 1 36,4 33,6 31,3 29,2 27,5 26,0 24,8
Р ВТ 9,1 8,4 7,8 7,3 6,9 6,5 6,2
26,5 Р А 1 ср.о, 683 659 637 617 599 583,5 570
Qm, С 134,5 130,3 126,5 123,1 120,1 117,5 115,3
Р ВТ 1 пусю ^ ^ 39,6 36,6 33,9 31,6 29,6 28,0 26,6
Р ВТ 1 уд, ±Л 9,9 9,1 8,5 7,9 7,4 7,0 6,6
Таким образом, можно уменьшить высоту (H0) обмотки, площадь поперечного сечения сердечника, ярма, якоря. Анализ данных этих таблиц свидетельствует, что имеется возможность уменьшить диаметр сердечника до 14 мм, высоту обмотки до 26,5 мм при диаметре полюсного наконечника не меньше 24,5 мм.
Обоснованно выбранные размеры приводного электромагнита: dc = 14 мм, 5н = 4,82 мм (5* = 0,344), dn = 24,5 мм (d* = 1,75), au = 2,8 мм (a* = 0,2), H0 = 26,5 мм (H* = 1,89), A0 = 9 мм (A* = 0,643), с = 36 мм (c* = 2,57), a,, = 3,6 мм (a^* = 0,26), 6яр = 43 мм (b* = 3,1), Ьяк = Ьяр = 43 мм. Здесь (*) в нижнем индексе при переменных означает их относительную величину в долях dc.
Выводы. 1. Предложена методика обоснованного выбора проектирования квазиоптимального форсированного клапанного П-образного привода с переключаемыми с параллельного на последовательное соединение обмотками на основе экспериментально полученных нагрузочных характеристик, позволяющая определить основные размеры при минимальном числе принимаемых вспомогательных коэффициентов.
2. Испытания макетного образца с рекомендованными размерами подтвердили эффективность разработанной методики синтеза П-образного приводного электромагнита.
Литература
1. Руссова Н.В., Свинцов Г.П. Моделирование и синтез П-образных электромагнитов постоянного тока и напряжения. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2003. 228 с.
2. СахаровП.В. Проектирование электрических аппаратов. М.: Энергия, 1971. 560 с.
3. Свинцов Г.П. Электромагнитные контакторы и пускатели / Чуваш. ун-т. Чебоксары, 1998. 260 с.
4. Софронов Ю.В., Свинцов Г.П., Николаев Н.Н. Проектирование электромеханических аппаратов автоматики. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1988. 88 с.
5. Таев И.С. Расчет электромагнитных коммутационных реле и контакторов. М.: Изд-во МЭИ, 1997. 79 с.
References
1. Russova N.V., Svintsov G.P. Modelirovanie i sintez P-obraznykh elektromagnitovpostoyan-nogo toka i napryazheniya [Modeling and synthesis U-shaped electromagnets and DC voltage]. Cheboksary, Chuvash State University Publ., 2003, 228 p.
2. Sakharov P.V. Proektirovanie elektricheskikh apparatov [Design of electrical devices]. Moscow, Energiya Publ., 1971, 560 p.
3. Svintsov G.P. Elektromagnitnye kontaktory ipuskateli [Electromagnetic contactors and starters]. Cheboksary, Chuvash State University Publ., 1998, 260 p.
4. Sofronov Yu.V., Svintsov G.P., Nikolaev N.N. Proektirovanie elektromekhanicheskikh apparatov avtomatiki [Design automation of electromechanical devices]. Cheboksary, Chuvash State University Publ., 1988. 88 p.
5. Taev I.S. Raschet elektromagnitnykh kommutatsionnykh rele i kontaktorov [Calculation of electromagnetic switching relays and contactors]. Moscow, MEI Publ., 1997, 79 p.
НИКИТИНА ОЛЕСЯ АЛЕКСЕЕВНА. См. с. 90.
ПЕТРОВ ОЛЕГ АЛЕКСАНДРОВИЧ. См. с. 90.
РУССОВА НАТАЛИЯ ВАЛЕРЬЕВНА. См. с. 90.
СВИНЦОВ ГЕННАДИЙ ПЕТРОВИЧ. См. с. 90.
