Проект коммутационного аппарата постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Исходные данные

2. Предварительный расчет

3. Окончательный расчет

4. Расчет магнитной цепи

5. Определение максимальной температуры

6. Конечные результаты

7. Расчет контактов

8. Расчет контактной пружины

9. 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:

1. Механическая долговечность.

2. Износоустойчивость контактов при включении тока.

3. Износоустойчивость контактов при отключении тока.

4. Стойкость контактов против сваривания.

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

6. Стабильность характеристик срабатывания.

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

8. 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)

2) Ход якоря: дн = 0,52 (см)

3) Установившаяся температура перегрева иу=75 (°С)

4) Температура окружающей среды: иокр.среды=25 (°С)

5) Напряжение катушки электромагнита: Uко=48 (В)

6) Коммутируемый ток: к =475 (А)

7) Режим работы ф=0,1

8) Количество цепей: n=3

2. Предварительный расчет

1) Величина полезной работы

Апол=н* дн= 23 * 0,52 =11,96 ( кг*см)

2) Величина конструктивного фактора

КФ=( )

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

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

Вд = 11000 (гс)

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

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

дпл = дн * cos2б =0,52 * cos245°=0,26(cм)

Qпл = = =46 (кг)

4) Определение радиуса сердечника

R1 = (см)

коммутационный пружина тяга якорь

5) Определение суммарной намагничивающей силы.

F? = ,

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)

6) Определяем длину катушки и высоту катушки hk.

Составим два уравнения.

Отсюда:

- удельное сопротивление меди при заданной температуре перегрева .

=

- удельное сопротивление меди при температуре окружающей среды 0° С

б- температурный коэффициент сопротивления меди

б = 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 иу=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.

8) Определяем высоту катушки

hk = R2 - R1 = 2,59- 1,45= 1,14 (см)

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

R3 = = = = 2,97 (см)

10) Определяем диаметр провода обмотки

dr = 0,2* = 0,2 * =

0,2 * = 0,2 * = 0,2 *2,72=0,54

3. Окончательный расчёт

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

Предварительные данные	Окончательные данные
R1 = 1,45 (см)	R1 = 1,4 (см)
R2 = (см)	R2 = 2,6 (см)
R3 = 2,97(см)	R3 = 3 (см)
= 5,7 (см)	= 5,7 (см)
hk = 1,14 (см)	hk = 1,1 (см)
dr = 0,54 (мм)	dr = 0,55(мм)
	dиз = 0,6 (мм)

Площадь сечения провода

= 0,24 (мм2) = 0,0024 (см2)

2) 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

0,95 - коэффициент плотности укладки

1 - 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

фИ = ,

где - общая длина или длина обмотки

= 2Rср

Rср = = 2,01

= 2 *2,01 = 4,02

Следовательно,

фИ =

е) Определяем ток обмотки при иу

IИ = = 3,1 (A)

ж) Определяем действительную намагничивающую силу катушки

= = 1118 * 3,1 = 3465,8 (A)

з) Определяем действительную температуру перегрева

Иуд =

=

3) Расчёт размеров

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

=

Gш=

=

4. 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:

L2=

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

Части магнитопровода	L, (см)	Sп (см)	Фд (Вб)	уФд (Вб)	Вд (Тл)	а (А/см)	F (А)
Якорь	5,9	6,15			1,3	12
Корпус	10,4	6,15			1,3	12
Зазор	0,03	-			-	12
Якорь	5,9	6,15			1,4	17
Корпус	10,4	6,15			1,4	17
Зазор	0,03	-			-	17
Якорь	5,9	6,15			1,5	23
Корпус	10,4	6,15			1,5	23
Зазор	0,03	-			-	23

Определяем величину проводимости рабочего промежутка:

Определяем угол наклона рабочего луча.

С1 - рабочая точка электромагнита.

Фдн=8,5*10-4

Fдн =2735

По графику 1.17 определяем полезную работу (формула Максвелла)

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

Определяем начальную силу тяги эквивалентного электромагнита с плоским стопом.

Qпл = = = 43,11 (кг)

Определяем начальную тяговую силу действительного электромагнита с коническим стопом:

Qн = Qпл * cos2б = 43,11 * 0,5 = 21,55 (кг)

Расчет веса электромагнита и коэффициента весовой экономичности

а) Определяем вес меди:

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

где гM = 8,4 - плотность меди

б) Определяем вес стали магнитопровода:

Gст=Vст*гст,

где гст - плотность стали 10, равная г = 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.

Gтр=Vтр* гтр=1,7*8,3=14,11 (г) = 0,014 (кг), где

Vтр=р(2R1+ДШ)* ДШ*(lк+b5)= 3,14* (2*1,4 + 0,03)*0,03*(5,7 + 0,55)= 8,88*0,03*6,25=1,7 (см3)

гтр= 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

5. Определение максимальной температуры

1) Определяем поверхность охлаждения.

Sох = Sц + Sт = 2*р*(R2+ДШ+R1)*lк+2*р*[R22-(R1+ДШ)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

2) Действующее значение теплоемкости.

в = = = 2,07 ,

где Cст = 0,472 - удельная теплоемкость стали

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

н = 100-50* = 100-50 = 88=0,88

3) Определяем значение начальной теплоемкости электромагнита

Gн = Gмеди * Gмеди + Gиз * Gиз + Gст * 0,55 * н + Gтр * Gтр * 0,55 * н=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

0,55 - величина теплоемкости стали и латуни от ее действительного значения

4) Определяем установившуюся температуру при длительном включении электромагнита

Иуст.длит = = = 744(єC),

где P==

К=1,13*10-3

5) Определяем постоянную времени нагрева электромагнита

Tн = = = 2480 (сек)

Определяем время включения электромагнита до достижения заданной допустимой температуры

=342,2(сек)

6) Определяем действительное значение фg

фg = = = 0,137

6. Конечные результаты

1) Сила тяги Qн = 21,55 (кг)

2) Ход якоря дн = 0,52 (см)

3) Напряжение катушки U = 48(В)

4) Ток катушки IИ = 3,1 (А)

5) Мощность катушки P = (Вт)

6) Установившаяся температура перегрева фg = 0,137; Иу = 75єC

7) Время включения tвкл=342,2 (с)

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

9) Полезная работа Aпол = (кг)

10) Коэффициент весовой экономичности Кэк = 0,1

7. 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:

дк = дк0+С2*Ik

где дк0 = 1,2, при Ik = (50…600А)

С2 = 0,0023

дк = 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:

==

8. 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 фкр=50

Для расчета берем фрасч=0,9* фкр = 45

3) Определяем диаметр проволоки

d= = =1,32(мм) (мм)

Dср = 5….10

Условие =(5………10), выполняется

4) Определяем число витков

n= = ==6,8 7(витков),

где G=7800 - модуль сдвига

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

5) Определяем максимальный прогиб одного витка

fmax= = = 0,8 (мм)

6) Определяем шаг обратной пружины

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

7) Длина пружины в свободном состоянии

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

8) Длина пружины при начальном сжатии

Lтр=Lсв- =19,8 - =14,2 (мм)

9) Размер окна под пружину

L=Lтр-дн= 14,2-0,52= 13,68 (мм)

9. Расчет возвратной пружины

1) Определяем максимальное усилие:

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

Величина (А)			(кг)
До 100	0,35	1,3	0,1…..0,13
До 200	0,7	1,5	0,14…..0,2
До 400	1,0	2,2	0,2…..0,5
До 600	1,3	2,6	0,5…..0,58

Следовательно,

=2,6

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

Для расчета берем =0,9

Модуль сдвига G=7800

3) Определяем диаметр проволоки

Условие=(7…10)

d===1,2(мм)

4) Определяем число витков

n===3,7витков

5) Определяем max прогиб одного витка

==1,24 (мм)

6) Определяем шаг обратной пружины.

7) длина пружины в свободном состоянии:

8) длина пружины при начальном сжатии:

9) 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.»

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

3. Конспект лекций.

Размещено на Allbest.ru