Проект коммутационного аппарата постоянного тока

Проект коммутационного аппарата постоянного тока

Содержание

Введение

. Исходные данные

. Предварительный расчет

. Окончательный расчет

. Расчет магнитной цепи

. Определение максимальной температуры

. Конечные результаты

. Расчет контактов

. Расчет контактной пружины

. Расчет возвратной пружины

Список литературы

Введение

Коммутационный аппарат - это электрический аппарат, предназначенный для коммутации электрической цепи и проведения тока. Современные летательные аппараты снабжены большим количеством разнообразного электрооборудования, в том числе коммутационной и защитной аппаратурой. Коммутационная аппаратура применяется также в пилотажно-навигационном оборудовании и системах обеспечения полёта, взлёта и посадки летательных аппаратов.

Специфические условия работы устройств коммутационной аппаратуры и предъявляемые к ним высокие требования в отношении минимальной массы и объёма, эксплуатационной надёжности, точности и стабильности характеристик обуславливают высокие требования к технологичности их конструкций и процессам изготовления.

Как показывает опыт эксплуатации, к электротехническим требованиям, определяющим в конечном счёте безотказность и долговечность работы коммутационной аппаратуры, относятся следующие:

. Механическая долговечность.

. Износоустойчивость контактов при включении тока.

. Износоустойчивость контактов при отключении тока.

. Стойкость контактов против сваривания.

. Надёжность контактирования (обеспечение величины контактного усилия в заданных пределах и связанной с ней величины переходного сопротивления на контактах и контактных соединениях).

. Стабильность характеристик срабатывания.

. Способность изоляции сохранять свои свойства (обеспечение достаточной величины сопротивления и электрической прочности изоляции, а также ограничение водопоглощаемости изолирующими деталями).

. Работоспособность, а также термическая и динамическая устойчивость.

Эти требования, предъявляемые к коммутационной аппаратуре, в основном определяют её надёжность, а следовательно, и работоспособность.

В эксплуатации коммутационная аппаратура подвергается воздействию большого количества факторов, которые целесообразно объединить в две большие группы:

первая группа: величина тока и напряжения, род тока, характер нагрузки, частота срабатывания, продолжительность включения и т.п.;

вторая группа: окружающая температура, давление, влажность воздуха, агрессивные газы (пары), радиация, ударные нагрузки, вибрации (внешние), ускорения, действия обслуживающего персонала.

Диапазон изменения воздействующих факторов очень широк, и совместное воздействие этих факторов встречается в самых различных сочетаниях.

Суммарное воздействие той или иной комбинации из перечисленных факторов вызывает большую или меньшую интенсивность отказов.

Изделия коммутационной аппаратуры, изготовленные в строгом соответствии с техническими условиями, при правильной эксплуатации надёжно работают в пределах гарантированного срока службы. При этом существенного изменения основных электрических параметров не наблюдается. Отступление от требований технических условий и правил, изложенных в инструкциях по эксплуатации, приводят к нарушению нормальной работы или преждевременному выходу изделия из строя: в этом сказывается в основном воздействие факторов, относящихся к первой группе.

В процессе эксплуатации необходимо предусматривать меры предосторожности, исключающие случаи механических повреждений (особенно это относится к выключателям, переключателям, микровыключателям и кнопкам) и резкого изменения параметров коммутируемой нагрузки и источников питания.

1.  Исходные данные

коммутационный аппарат постоянного тока.

1) Начальное тяговое усилие: н =23 (кг)

) Ход якоря: δн = 0,52 (см)

) Установившаяся температура перегрева θу=75 (°С)

) Температура окружающей среды: θокр.среды=25 (°С)

) Напряжение катушки электромагнита: Uко=48 (В)

) Коммутируемый ток: к =475 (А)

) Режим работы τ=0,1

8) Количество цепей: n=3

2.  Предварительный расчет

) Величина полезной работы

Апол=н* δн= 23 * 0,52 =11,96 ( кг*см)

) Величина конструктивного фактора

КФ=( )

По полученному значению конструктивного фактора (КФ) на основании данных табл. 1.1 устанавливаем тип электромагнита:

втяжной с коническим стопом α =45°;а по графику на фигуре 1,8 находим

Вδ = 11000 (гс)

При τ<1 величину Bδ необходимо увеличить по сравнению с данными в графиках на 15 - 20 %, следовательно Вδ = 13200 (гс)

) Приведём силы тяги и хода якоря к эквивалентным значениям для плоского стопа.

δпл = δн * cos2α =0,52 * cos245°=0,26(cм)

Qпл = =  =46 (кг)

) Определение радиуса сердечника

R1 =  (см)

коммутационный пружина тяга якорь

5) Определение суммарной намагничивающей силы.

∑ = ,

где Kст - коэффициент стали.

Принимаем падение намагничивающей силы в стали магнитопровода 18%, а в фиксированном зазоре 10% от намагничивающей силы воздушного зазора. Тогда:

 = = 1,28

Следовательно:

F∑ = (А)

) Определяем длину катушки и высоту катушки hk.

Составим два уравнения.

Отсюда:

 =

 - удельное сопротивление меди при температуре окружающей среды 0° С

α- температурный коэффициент сопротивления меди

α = 0,00445

 - максимальная температура окружающей среды.

Следовательно:

 =  = 1,75 * [ 1 + 0,00445 * (75 + 25) ] * 102 =

=1,75 * [1 + 0,00445 * 100] * 10-2 = 1,75 * 1,44 * 10-2 = 2,52 * 10-2

Удельное электрическое сопротивление медного провода обмотки электромагнита при при максимальной рабочей температуре ( 75°С + 25°С = 100°С) составляет:

К = 1,13 * 10-3 ()

К определяем по кривым фигуры 1.14 По кривой хорошего теплового контакта между катушкой и магнитопроводом для θу=75 (°С).

fk =  - коэффициент заполнения окна катушки медью - сначала задаёмся, затем заполняем.

Определяем :

=

 = = =

 = 5,7 (см)

Определив  находим R2

 =>  = 5R2 - 5R1

 + 5R1 = 5R2

R2 = (см)

R2 - наружный радиус катушки.

) Определяем высоту катушки

hk = R2 - R1 = 2,59- 1,45= 1,14 (см)

) Определяем внешний радиус R3 исходя из равенства площади сечения стержня и корпуса.

R3 =  =  =  = 2,97 (см)

) Определяем диаметр провода обмотки

dr = 0,2* = 0,2 *  =

,2 *  = 0,2 *  = 0,2 *2,72=0,54

. Окончательный расчёт

) Уточнение окончательных размеров магнитопровода и диаметра провода обмотки (по таблице 1.4):

Площадь сечения провода

 = 0,24 (мм2) = 0,0024 (см2)

) Определение количества рядов обмотки; уточнение коэффициента заполнения катушки; сопротивление обмотки, намагничевающией силы катушки и установившейся температуры перегрева обмотки.

а) Определяем число обмотки:

N1 = ,

где D =  + b + c = 0,03 + 0,1 + 0,045 = 0,175

Здесь  = 0,02…0,03 - толщина стенки латунной трубки,

b = 0,1…0,2 (см) - толщина изоляции между катушкой, внутренней и внешней частями магнитопровода.

с = 0,03…0,05(см) - допуск.

 - диаметр провода с изоляцией

 = 0,0006…0,02 - толщина бумажной изоляции между рядами.

N1 = 13,2

Принимаем N1 = 13 рядов

б) Определяем число витков в одном ряду:

N2 =

Принимаем N2 = 86, где  = 0,2 - толщина щёк катушки

,95 - коэффициент плотности укладки

- потеря одного витка в конце каждого ряда.

в) Определяем общее число витков обмотки

 (витка)

 Определяем действительный коэффициент заполнения окна обмотки медью

fk =

д) Определяем сопротивление провода обмотки

τΘ =  ,

где  - общая длина или длина обмотки

Rср =  = 2,01

 = 2 *2,01 = 4,02

Следовательно,

τΘ =

е) Определяем ток обмотки при θу

IΘ =  = 3,1 (A)

ж) Определяем действительную намагничивающую силу катушки

 =  = 1118 * 3,1 = 3465,8 (A)

з) Определяем действительную температуру перегрева

Θуд =

=

) Расчёт размеров

 = 0,5 (см) - задаётся из конструктивных соображений

=

Gш=

=

. Расчёт магнитной цепи

По эскизу (фиг. 1.5) магнитной цепи определим длину средних силовых линий для каждого участка магнитопровода:

а) якорь и стоп:

L1 =

б) корпус:

2=

в) фиксированный зазор сердечник-фланец:

L3=

Определяем площадь поперечного сечения участков а) и б)

S =

Принимаем величину магнитной индукции в рабочем зазоре:

Определяем магнитный поток в рабочем зазоре при заданных величинах магнитной индукции:

)

Определяем магнитный поток на участках магнитопровода с учётом коэффициента рассеяния:

Определяем удельные намагничивающие силы для данного материала (сталь 10) по графику (фиг. 1.11)

а1=12(А/см), а2=17(А/см), а3=23(А/см)

Определяем падение намагничивающей силы на участках магнитопровода:

а) якорь и стоп:

б) корпус:

в) фиксированный зазор сердечник-фланец:

Определяем общую намагничивающую силу при заданных значениях магнитной индукции:

Полученные данные сводим в таблицу 3. По данным таблицы строим характеристику намагничивания:  (фиг.1.17).

Таблица 3

Определяем величину проводимости рабочего промежутка:

Определяем угол наклона рабочего луча.

С1 - рабочая точка электромагнита.

Фδн=8,5*10-4

Fδн =2735

По графику 1.17 определяем полезную работу (формула Максвелла)

Апол= Fδн* Фδн*  = * 2735 * 8,1 * 10-4 * =0,05*2735*0,00081*(кг * см)

Определяем начальную силу тяги эквивалентного электромагнита с плоским стопом.

пл =  =  = 43,11 (кг)

Определяем начальную тяговую силу действительного электромагнита с коническим стопом:

Qн = Qпл * cos2α = 43,11 * 0,5 = 21,55 (кг)

Расчет веса электромагнита и коэффициента весовой экономичности

а) Определяем вес меди:

меди = l0*qM*γM=*0,0024 *8,4= 297,2(г) = 0,29 (кг),

где γM = 8,4  - плотность меди

б) Определяем вес стали магнитопровода:

Gст=Vст*γст,

где γст - плотность стали 10, равная γ = 7,8

Vст = SM*LM=6,15*16,3=100,2(см3),

где LM=L1+L2=5,9+10,4=16,3(см)

Следовательно,

Gст= 100,2*7,8=781,5(г) = 0,78(кг)

в) Определяем вес латунной трубки.

тр=Vтр* γтр=1,7*8,3=14,11 (г) = 0,014 (кг), гдетр=π(2R1+ΔШ)* ΔШ*(lк+b5)= 3,14* (2*1,4 + 0,03)*0,03*(5,7 + 0,55)= 8,88*0,03*6,25=1,7 (см3)

γтр= 8,3  - плотность латуни

г) Вес изоляции и лака принимаем

Gиз=133(г)=0,133(кг)

д) Определяем общий вес электромагнита

Gэл. магн = Gмеди + Gст + Gтр + Gиз = 0,29+0,78+0,014+0,133=1,21 (кг)

е) Определяем коэффициент весовой экономичности.

Кэк =  =  = 0,1

. Определение максимальной температуры

) Определяем поверхность охлаждения.

Sох = Sц + Sт = 2*π*(R2+ΔШ+R1)*lк+2*π*[R22-(R1+ΔШ)2]=

=6,28*(2,6+0,03+1,4)*5,7+6,28*[6,76-(1,4+0,03)]= =6,28*4,03*5,7+6,28*5,33=177,7 (см2),

где Sц - боковая поверхность катушки

Sт - торцевая поверхность катушки

) Действующее значение теплоемкости.

β =  =  = 2,07 ,

где Cст = 0,472 - удельная теплоемкость стали

Соблюдается условие 1,25< β <4,65, следовательно:

ν = 100-50* = 100-50 = 88=0,88

) Определяем значение начальной теплоемкости электромагнита

Gн = Gмеди * Gмеди + Gиз * Gиз + Gст * 0,55 * ν + Gтр * Gтр * 0,55 * ν=297,2*0,39+133*1,5+781,5*0,472*0,55*0,88+14,11*0,362*0,55*0,88=496,

где Gмеди = 0,39 - удельная теплоемкость меди

Gиз=1,5 - удельная теплоемкость изоляции

Gтр = 0.362 - удельная теплоемкость латуни

,55 - величина теплоемкости стали и латуни от ее действительного значения

) Определяем установившуюся температуру при длительном включении электромагнита

Θуст.длит = =  = 744(єC),

где P==

К=1,13*10-3

) Определяем постоянную времени нагрева электромагнита

Tн =  =  = 2480 (сек)

Определяем время включения электромагнита до достижения заданной допустимой температуры

=342,2(сек)

) Определяем действительное значение τg

τg =  =  = 0,137

6. Конечные результаты

) Сила тяги Qн = 21,55 (кг)

) Напряжение катушки U = 48(В)

) Ток катушки IΘ = 3,1 (А)

) Мощность катушки P =  (Вт)

) Установившаяся температура перегрева τg = 0,137; Θу = 75єC

) Время включения tвкл=342,2 (с)

) Вес электромагнита Gэл.магн. = 1,21 (кг)

) Полезная работа Aпол =  (кг)

) Коэффициент весовой экономичности Кэк = 0,1

. Расчет контактов

Из конструкционных соображений и удобства производства используем контакты цилиндрической формы (см. фиг 4.36.)

Определяем диаметр контакта:

Dk=C1* ,

где C1=0,8(мм*А(-1/2)) - коэффициент диаметра

Dk=17,4 (мм)

Высоту hk = 2,2 (мм) принимаем, т.к. Ik>100A.

Сферическую часть принимаем h=0,2 (мм)

Определяем радиус сферической части контакта.

+

==

Определяем контактный зазор:

δк = δк0+С2*Ik

где δк0 = 1,2, при Ik = (50…600А)

С2 = 0,0023

δк = 1,2+0,0023 *475=2,29(мм)

Определяем контактное давление:

Qk = Pk*Ik (кг),

где Pk= (0,4….0,5)* 10-2  - контактное давление на единицу тока

Qk = 0,5*10-2*475=2,37 (кг)

Плотность тока в контакте:

==

. Расчет контактной пружины

Расчет контактной пружины ведется по известному значению контактного давления:

где

=(кг)

Расчетную величину максимальной силы сжатия контактной пружины  берут с запасом:

Для пружин коммутационных аппаратов принимается проволока ОВС (50ХФА - хромо - ванадиевая) с допустимым напряжением на скручивание τкр=50

Для расчета берем τрасч=0,9* τкр = 45

) Определяем диаметр проволоки

d= =  =1,32(мм) (мм)

Dср = 5….10

Условие  =(5………10), выполняется

) Определяем число витков

n= =  ==6,8 7(витков),

где G=7800  - модуль сдвига

Pk.max = 0,55  - максимальная жесткость пружины из таблицы 4

) Определяем максимальный прогиб одного витка

fmax= = = 0,8 (мм)

) Определяем шаг обратной пружины

HK= (fmax+d)*1,15=(0,8+1,4)*1,15=2,53 (мм)

) Длина пружины в свободном состоянии

Lк.св=HK*n+1,5*d=2,53*7+1,5*1,4=19,8 (мм)

) Длина пружины при начальном сжатии

Lтр=Lсв- =19,8 - =14,2 (мм)

) Размер окна под пружину

L=Lтр-δн= 14,2-0,52= 13,68 (мм)

. Расчет возвратной пружины

) Определяем максимальное усилие:

Так как =400(А),то по таблице 4 выбираем значение:

Следовательно,

=2,6

) Для пружин коммутационных аппаратов принимается проволока ОВС(50ХФА-хромо-ванадиевая) с допустимым напряжением на скручивание .

Для расчета берем =0,9

Модуль сдвига G=7800

) Определяем диаметр проволоки

Условие=(7…10)

d===1,2(мм)

) Определяем число витков

n===3,7витков

) Определяем max прогиб одного витка

==1,24 (мм)

) Определяем шаг обратной пружины.

) длина пружины в свободном состоянии:

) длина пружины при начальном сжатии:

) Размер окна под пружину:

L=

Список литературы

1. В.А. Балагуров, Ф.Ф. Галтеев, А.В. Гордон, А.Н. Ларионов «Проектирование электрических аппаратов авиационного оборудования. М.,1972г.»

. В.И. Ануриев. « Справочник конструктора машиностроителя, том 3

. Конспект лекций.