湖南工程学院应用技术学院
毕业设计论文
题 目： 交流接触器设计
专业班级： 电气工程及其自动化专业0782班 学生姓名： 周 帆 学 号： 200713010222 完成日期： 2011年06月11日
指导教师： 李靖 教授
评阅教师：
2011 年 6月
湖南工程学院应用技术学院毕业设计(论文) 诚 信 承 诺 书 本人慎重承诺和声明：所撰写的《交流接触器》是在指导老师的指导下自主完成，文中所有引文或引用数据、图表均已注解说明来源，本人愿意为由此引起的后果承担责任。 设计(论文)的研究成果归属学校所有。 学生(签名) 年 月 日 湖南工程学院应用技术学院
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目： 交流接触器设计 姓名 周 帆 专业 电气工程及其自动化 班级 0782 学号 200713010222 指导老师 李 靖 职称 教 授 教研室主任 谢卫才 一、基本任务及要求：
本课题要求设计适用于频繁起动、停止额定电压至380V、额定电流至250A的交流电机 该交流接触器采用直动式电磁系统、立体布置结构；主触头为直动式、双断点，灭弧室采取 删片灭弧 主要设计内容：1、触头系统设计，包括触头结构设计和触头材料选择、触头尺寸和参数计算、触头温升和动热稳定性验算；2、灭弧系统设计，包括灭弧系统的结构设计、材料选择、系统尺寸计算和灭弧性能验算；3、电磁系统设计，包括交流电磁铁结构形式选择、电磁系统的特性配合计算、电磁吸力计算等；交流电磁铁性能验算和经济指标评价。 二、进度安排及完成时间：
（1）3月01日至3月14日：查阅资料；撰写文献综述和开题报告；确定总体方案。 （2）3月15日至3月30日：毕业实习、撰写实习报告。 （3）3月31日至5月23日：毕业设计。 3月31日-4月20日 主触头设计 4月21日-5月03日 灭弧系统设计 5月04日-5月23日 交流电磁系统设计、性能验算和经济指标评价 （4）5月24日至6月03日：撰写毕业设计论文 （5）6月04日至6月07日：指导老师评阅、电子文档上传FTP。 （6）6月08日至6月11日：毕业设计答辩。 （7）6月12日至6月14日：毕业设计成绩评定 （8）6月15日至6月20日：毕业设计资料归档
目 录
摘 要 ............................................................................................................................................... I ABSTRACT ................................................................................................................................. ...Ⅱ 第1章 绪论 ............................................................................................................................... 1
1.1引言 ................................................................................................................................. 1 1.2 交流接触器的基本组成及工作原理 ..................................................................... 1 1.3 交流接触器的用途 ..................................................................................................... 2 第2章 触头系统设计 ............................................................................................................. 3
2.1确定触头的结构的设计 ............................................................................................. 3 2.2触头和主动触桥材料的选择 .................................................................................... 3 2.3触头的尺寸和参数选择 ............................................................................................. 4
2.3.1 触头触桥的截面尺寸 .................................................................................... 4 2.3.2 主静触头导电板截面尺寸的确定 ............................................................. 4 2.3.3 主触头尺寸的确定......................................................................................... 4 2.3.4 主触头参数的确定......................................................................................... 5 2.4 触头温升及动热稳定性验算 ................................................................................... 6
2.4.1 计算主触头接触电阻 .................................................................................... 6 2.4.2 验算主触头温升值......................................................................................... 6 2.4.3触桥的热稳定性 .............................................................................................. 7 2.4.4计算主动触头及触桥的质量与触头初压力的比值 ............................... 7 2.4.5触头的动稳定性 .............................................................................................. 8 2.5 辅助触头的设计与计算 ............................................................................................ 9
2.5.1触桥尺寸的确定 .............................................................................................. 9 2.5.2导电板尺寸的确定 .......................................................................................... 9 2.5.3计算辅助触头厚度 .......................................................................................... 9 2.5.4辅助触头参数确定 ........................................................................................ 10 2.5.5验算辅助触头温升及动热稳定性 ............................................................ 10 2.5.6 动稳定性的校核 ........................................................................................... 11 2.5.7 m/Fcc的计算 .............................................................................................. 12
i
第3章 灭弧系统设计 ........................................................................................................... 13
3.1 概述 .............................................................................................................................. 13 3.2 灭弧原理的研究 ........................................................................................................ 13 3.3 常用的灭弧装置 ........................................................................................................ 13 3.4 选择主触头灭弧系统的结构形式及尺寸 .......................................................... 14 3.5 辅助触头系统灭弧方法 .......................................................................................... 13 第4章 电磁系统设计 ........................................................................................................... 17
4.1 概述 .............................................................................................................................. 17 4.2 电磁系统的种类和典型结构形式 ........................................................................ 17 4.3 电磁系统的基本特性 .............................................................................................. 17 4.4 电磁系统设计 ............................................................................................................ 18 4.5电磁系统的结构形式的确定 .................................................................................. 19 4.6 电磁铁的设计和计算 .............................................................. 错误！未定义书签。 4.7 交流电磁铁反力特性计算 ..................................................................................... 21 4.8 电磁铁各位置反力计算 .......................................................................................... 22 4.9 衔铁各位置反力 ........................................................................................................ 23 4.10 确定电磁系统的设计点及设计点吸力和工作气隙值 ................................. 24 4.11 磁铁的初步设计 ..................................................................................................... 24 4.12 确定其他结构尺寸，并画出电磁铁草图 ........................................................ 24 4.13 性能验算 ................................................................................................................... 28 4.14主要判断 .................................................................................................................... 33 4.15计算电磁铁材料重量及经济重量 ....................................................................... 33 结束语 ........................................................................................................................................... 37 参考文献 ...................................................................................................................................... 38 致谢 ............................................................................................................................................... 39 附录 ............................................................................................................................................... 39
ii
交流接触器设计
摘 要：本次设计的是交流接触器，在分析样机的基础下，选取最优的设计方案进行设计。交流接触器从结构上看主要是由触头灭弧系统、电磁系统及灭弧系统三部分组成。设计的主要内容为:触头系统设计与计算，灭弧系统设计与计算和电磁系统设计与计算。给出了交流接触器的设计、工作原理、设计分析及结论。 关键词：交流接触器 电弧 触头 电磁铁
I
Design for Ac contactor
ABSTRACT: the design is ac contactor, on the analysis of the prototype basis, the selection of the optimum design scheme design. Ac contactor from the structure is mainly composed of contacts arcing system, electromagnetic system and arcing system of three parts. Design of the main content is: contacts system design and calculation, arcing system design and calculation and electromagnetic system design and calculation. Given the ac contactor design, working principle and design analysis and conclusions.
Keywords: ac contactor arc touch head electromagnet
II
第1章 绪 论
1.1 引言
我国经济建设在发展，电网容量在增大，电力传动技术在革新，对电器提
出的要求越来越高。例如，对低压控制电器，要继续提高使用寿命和操作频率，缩小产品体积和减轻重量。低压控制电器主要用于电力拖动系统中，对电动机的运行进行控制、调节与保护的电器。依靠人力操作的控制电器称为手动控制电器，根据信号能自动完成动作的称为自动控制电器。
接触器是在正常的工作条件下，主要作用频繁地接通和分断交、直流主电
路，并可以远距离控制的电器，其主要控制对象是电动机，也可以用于控制其他电力负载一种适用于远距离频繁地接通和分断交流主电路及大容量控制电路的电器。它主要作用控制交流感应电动机的启动、停止、反转、调速、并与热继电器或其他适当的保护装置组合，保护电动机可能发生的过载或断相，也可用于控制其他电力负载如热电器、照明、电焊机，电容组等。接触器的触头系统可以用电磁铁、压缩空气或液体压力驱动，因而可以分为电磁接触器、气动接触器和液压接触器等。近年来还出现了由晶闸管等组成的无触点接触器。
随着改革开放的进一步深化，国民经济上新台阶。农业机械话及工业自动话程度将不断提高，电器的使用范围日益广大，对品种、产量及质量的要求日益提高，电器制造业已成为国民经济建设中重要的一环。在开始按照要求预先选定两种不同形式的电磁铁，再根据一些给定的参数计算出主、辅助触头的参数，重点在解决触头材料的问题，使得设计的产品更加可靠。
1.2 交流接触器的基本组成及工作原理
交流接触器主要有四部分组成:(1) 电磁系统,包括吸引线圈、动铁芯和静铁芯；(2)触头系统,包括三组主触头和一至两组常开、常闭辅助触头,它和动铁芯是连在一起互相联动的；(3)灭弧装置,一般容量较大的交流接触器都设有灭弧装置,以便迅速切断电弧,免于烧坏主触头；(4)绝缘外壳及附件,各种弹簧、传动机构、短路环、接线柱等。
工作原理：当线圈通电时,静铁芯产生电磁吸力,将动铁芯吸合,由于触头系
1
统是与动铁芯联动的,因此动铁芯带动三条动触片同时运行,触点闭合,从而接通电源。当线圈断电时,吸力消失, 动铁芯联动部分依靠弹簧的反作用力而分离,使主触头断开,切断电源。
1.3 交流接触器的用途
交流接触器是一种适用于远距离频繁地接通和分断交流主电路及大容量控制电路的电器。它主要用作控制交流感应电动机的起动、停止、反转、调速，并与热继电器或其它适当的保护装置组合，保护电动机可能发生的过载或断相，也可用于控制其它电力负载如电热器、电照明、电焊机、电容器组等。
交流接触器用途广泛，品种繁多，按其结构和用途分类：按主触头级数分为单极、双极、三极和多极；按主触头的正常(即励磁线圈无电时)位置分为常分式和常合式；按吸引线圈种类分为交流励磁和直流励磁；按灭弧介质分为空气式和真空式；按有无灭弧室分为有灭弧室和无灭弧室。
2
第2章 触头系统设计
2.1 确定触头的结构的设计
根据任务书的基本任务要求，主触头采用直动式、双断点式机构。其优缺点主要为， 优点：1、具有两个有效的灭弧区域，灭弧效果好，通常小容量交流接触器，利用电流自然过零时两断口处的近阴极效应即可熄灭电弧；2、触头开距较小，结构较紧凑，体积又小，同时还不用软连接，故有利于提高接触器的机械寿命。
缺点：1、双断口触头参数调节不便，闭合时一般无滚滑运动，不能清除触头表面的氧化物，故触头需用银或银基合金材料，制造成本较高。2、与单断点相比，在同样的触头弹簧压力下，触点上的接触压力电动稳定性较低。
2.2 触头和主动触桥材料的选择
根据书上及网上资料联系所给课题要求，交流接触器采用的触头材料有纯银，银-氧化镉，银-氧化锡几种材料。随着触头品种的增加，制造工艺的改进，触头材料使用性能的提高，从节银方面考虑，逐渐淘汰了纯银触头。AgCdO触头材料自30年代问世以来，由于其耐磨损、抗熔焊性好、接触电阻小等，经过不断改进，在低压电器中得到了广泛的应用，但是它产生的有害金属蒸汽对环境的污染，对人们的健康的危害，已越来越引起重视。AgSnO2触头作为一种新型的银-氧化物触头材料，正逐步取代虽有很好的抗融焊性能但有极大毒性的AgCdO，有很强的耐电弧性能，这种材料的热稳定性比银氧化镉高得多，因此，选用AgSnO2触头材料取代AgCdO,可使材料体积减少25%，并能保持同样的寿命。，大量研究表明AgSnO2的性能完全可以与AgCdO媲美。虽然AgSnO2的温升比较高，但可以添加WO3、MoO3等来减少接触电阻，改善温升情况。
AgSnO2触头的制造工艺有内氧化法及粉末冶金法两种，内氧化法必须加入铟才能完成，但铟储量少，因此，世界上多数用粉末冶金法挤压而成新型的AgSnO2,但大多数含MeO。
用粉末烧结挤压技术制成AgSnO2+MeO材料具有：电阻率小，触头温升小；触头耐电弧烧损性能高，耐机械磨损性能高。了耐熔焊性，也就提高了电寿命。
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辅助触头采用纯银材料，它具有良好的导电、导热性，接触电阻低而稳定，电磨损小而均匀。
主静触头导电板选用导电性能好，抗拉强度较高的黄铜，并镀锡3-6μm。
因此，主触头选用AgSnO2材料，接触电阻低而稳定，热稳定性高，可使电弧弧根处熔池中熔融体的粘度提高，减少电弧灼烧时的喷溅损失可以大大简化灭弧系统的设计；高的热稳定性还使触头表面富集金属氧化物，从而保护了低沸点的银的蒸发并提高
2.3 触头的尺寸和参数选择
2.3.1 触头触桥的截面尺寸(按允许温升来确定)
查表得黄铜ρ0=7*10-6欧·厘米, 电阻温度系数aω=0.00151(1/0C );B级绝缘材料的允许温升η=900C，当介质温度取400C时，允许温度为1300C。取散热系数，对于扁平铜母线KT=(6-10)×10-4取KT=8×10-4(w/cm·0C)触桥为矩形截面，按公式
?0(1?a??)Ith2 ab(a+b)= (2-1)
2KT?7?10?6(1?0.0015?130)?1252 = ?42?8?100?90 =0.91cm3
式（2.1）中a为厚度、b为宽度、θ为允许温升。 取触桥厚度a=2mm 则由上公式：
?2?22?4?455 b==20.4mm 取b=20mm
2 触桥截面积：S=2×20=0.4cm2
2.3.2 主静触头导电板截面尺寸的确定（按电流密度来确定）
考虑主动、静触头配合，取导电板的宽度为20mm查表[1]取接触板的电流密度j2=2.5A/mm2则接触板的厚度为：
h=I/jb=100/(2.5×20)=2mm
2.3.3 主触头尺寸的确定
按主静触头导电板及主动触桥尺寸。初定主触头截面尺寸，再计算主触头电
4
磨损体积，来确定触头厚度由于触桥的宽度为20mm，便于焊接，取主动触头长a=18mm，宽b=18mm则其电磨损体积的计算公式如下
N?c?q0 Vc= （2-2）
ke?式中 N——触头电寿命次数300×104次
γ
c———
放电状态下，单位电量所消耗的金属量系数（g/c）查表取4×10-6
（g/c）
q0———在触头分段过程中，电路流过触头（c） ke——金属体积的利用系数，ke≈0.5 ρ——触头材料的密度（g/cm3）
对交流电路，q0≈
2?2?I0?n?（n电弧燃烧半波数，取1） （2-3）
≈
2?2?100?1
314 =0.9
查表银—氧化锡密度ρ=10.1g/cm3
300?104?4?10?6?0.9 Vc= （2-4）
0.5?10.1 =2.14cm3
参考同类产品，触头形状为正方体，长a=18mm ，宽b=18mm
一个触头的磨损厚度计算公式如
Vc hc= （2-5）
2ab2140 =
2?18?18 =3.3mm
一个触头的厚度 h=(1.6—2)hc 取h=1.6hc≈5.3mm
2.3.4 主触头参数的确定
查表可知
主触头超程： γ1=（2.4-4.5）mm 取γ1=3mm 主触头开距： β1=（4-11）mm 取β1=7mm
为保证长期工作的可靠性，触头的初压力取得比较大，对于接触器等控制电
5
器的触头为了减少触头磨损保证接触可靠，单位额定电流的初压力范围是：F/I=(0.04—0.1)N/A取F/I=0.08N/A，
即可得触头初压力: F0=IN(F/I)=100×0.08=8N
触头终压力按下式计算： FZ=(1.15—1.5)F0 取FZ=1.25F0=10N
2.4 触头温升及动热稳定性验算
2.4.1 计算主触头接触电阻
Rj?Kj(0.102P)m =
60?0.102?10?
=58.8μΩ
式中 Rj----接触电阻（μΩ）;
F ----接触压力（N） 取Fz m-----系数，面接触 取m=1;
Kj----系数查资料 取Kj=60
2.4.2 验算主触头温升值
触桥周长：P=2×(2+20)=4.4cm 极限允许温度：θ=1300C 触桥发热温升：
2 t1=
?0(1?a??)IKTPS 7?10?6?(1?0.0015?130)?1002=8?10?4?4.4?0.4 =59.40C<900C
符合绝缘耐热等级要求
主触头的截面积为：S=ab=12×10=1.2cm2 周长为：P=2(a+b)=2(12+10)=4.4cm
查表取导热系数λ=3.26w/cm0C，电阻系数ρ0=2.0×10-6Ω·cm 由触头接触电阻和电流线集中所引起的发热温升其计算公式如下： 6
2-6）2-7）（
（
t2=
RjI22??KTPS?Rj?I28??02 （2-8）
(58.8?10?6)2?1002 = ??6?42?3.26?8?10?4.4?1.28?3.26?2.0?10 =2.5+0.6639=3.16930C
触头接触处总温升计算公式如下
t= t1+ t2=59.4+3.1693 （2-9）
=62.57<900C
温升合格
58.8?10?6?10022.4.3 触桥的热稳定性
当主动触桥通过产品技术条件规定的短时过载电流时，其温度应不超过材料的短时允许发热温度，由JB245.5-1985 查得其热稳定电流 I=8IN=800A.
Uj=RjI
=58.8×800×10-6
=0.047V
查表得,开始融化时的电压降UJS=0.37V 因为 Uj 2.4.4 计算主动触头及触桥的质量与触头初压力的比值 主触头及触桥的质量与触头初压力的比值应小于或接近103kg/N，以减少触 头的震动。 主动触头体积计算公式: Vz=πr2h=3.14×R2×h=3.14×7.52×4=706.5mm3 （2-10） 主动触头质量计算公式: Mz=0.7065×10.1=7.14g （2-11） 其体积为：(暂取触桥长度为5cm,则取其一半为2.5cm) Vq=2.5×0.2×1.6=0.8cm3 （2-12） 查表取黄铜ρ=8.5g/cm3 7 固其质量为: m=8.5×0.8=6.8g 总质量为: M=7.14+6.8=13.94g 初压力为: F0=IN(F/I)=100×0.08=8N 得M/F比值: M/F=(13.94×10-3)/(2×8)=0.871kg/N <103kg/N 所以振动小，满足要求。 2.4.5 触头的动稳定性 查表得其压皱系数： ζy=500×102 N/cm2 触头压皱面积计算公式: S0=F0/ζy=8/(500×102)=1.6×10-4cm2 （2-13） 触头接触点的电动斥力计算公式： Fch=2I2×ln(S/So)×10-7 （2-14） 1.2?7?10 =2?(2?103)2?ln ?41.6?10 =7.14N 式中：动稳定电流I=20Ie=2×103A 作用在动触桥上尚有回路电动斥力，垂直布置导体电动力的计算公式： I1I2(hl?h?)?10?7r1r2 （2-15） S Fc=2× 100?100?10.25172?10.25217?10?7=2× =0.00006075N 式中取L为触桥长度取L=5cm, 则回路导体距离 s= 50?L?15=17mm 2 H=1.25+8+1=10.25;l1=h 8 总斥力计算公式如下： F=Fch+Fc （2-16） =7.14+0.00006075 =7.1406075 <10N=Fo 满足触头动稳定性的要求。 2.5 辅助触头的设计与计算 2动合、2动断、额定绝缘电压660V约定发热电流为10A，额定工作电流为10A，取辅助触头材料为纯银，触桥及导电板的材料仍取黄铜。 2.5.1 触桥尺寸的确定 ?0(1?a??)Ie2ab(a+b)= （2-17） 2kT?7?10?6?(1?0.0015?130)?102 = ?42?8?10?90 =0.00581cm3 取触桥厚度为a=1mm，触桥宽度为b=6mm 银触头选用圆柱形，直径r=4mm 2.5.2 导电板尺寸的确定 取导电板宽度为8mm,接触板电流密度为1.3A/mm 则其厚度 h`=I/jb=10/(1.3×8)≈1mm （2-18） 固可取导电板厚度为：1mm 2.5.3 计算辅助触头厚度 电磨损体积： Vc= N?c?q0 （2-19） ke?? 式中N——触头电寿命次数300×104次 γ c——— 放电状态下，单位电量所消耗的金属量系数查表 取γc =3.6×10-6（g/c） 9 q0———在触头分段过程中，电路流过触头（c） ke——金属体积的利用系数，ke≈0.5 ρ——触头材料的密度（g/cm3） 对交流电路，（n电弧燃烧半波数，取1） q0≈ 2?2?I0?n2?2?10?1=0.09 （2-20） = ?314 查表纯银密度ρ=10.5（g/ cm3） 300?104?3.6?10?6 Vc=?0.095?10.5=0.185cm3 0. 触头形状为圆柱体，直径d=4mm 一个触头的磨损厚度： hV4?0.185c=c2?S=2?3.14?0.4?0.4=0.74mm c由触头厚度计算公式 h=(1.6—2)hc 取辅助触头厚度h=1.6 hc =1.6×0.74≈1.18mm 2.5.4 辅助触头参数确定 (1)、初压力：单位电流的触头初压力Fd=0.1N/A 则一个触头的初压力Fcc=Ie×Fd=1.1N (2)、开距：查表16.9、取β2=3mm (3)、超程：查表16.9、取r2=2mm (4)、终压力：Fz=1.2Fcc=1.2×1.1=1.32N 2.5.5 验算辅助触头温升及动热稳定性 K Rj= j?(1?2?a??3)0.102?F (2-24) cc0.00006?(1?2?0.004?130 = 3)0.102?1.1 =72.01Ω 触桥周长：P=(0.1+0.6)×2=1.4cm 10 （2-21） （2-22） (2-23) 触桥发热温升： t1= ?0(1?a??)I2KTPS (2-25) 7?10?6?(1?0.0015?130)?102 = ?48?10?0.14?0.06 =80.240C<900C 符合绝缘耐热等级要求，级绝缘材料的允许温升η=900C 辅助触头的截面积为： S=3.14×(d/2)2=0.1256cm2 周长为： P=3.14×d=1.256cm 查表电阻系数ρ0=1.5×10-6Ω·cm，导热系数λ=4.2w/cm0C由触头接触电阻和电流线集中所引起的发热温升为： 2RjI2Rj?I2? T2= (2-26) 8??2??KTS0(72.01?10?5)2?102 = ??68?4.2?1.5?102?4.2?8?2.51?0.314 =0.6997+1.0288 =1.7285C 触头接触处总温升 t=t1+t2=80.24+1.7285=81.9685<900C （2-27） 辅助触头温升合格 0 72.01?10?5?1022.5.6 动稳定性的校核 查表查得银的压皱系数ζy=303×102N/cm2 触头压皱面积S0=F0/ζy=1.1/(303×102)=0.373×10-4cm2 动稳定电流为：30×Ie=30×10=3×10A 触头接触点的电动斥力： Fch=2I2?lnS?10?7 (2-28) S00.1256?7?10 ?40.373?102 =2?(3?102)2?ln=0.146N<1.1N 故动稳定性合格 11 作用在动触桥上尚有回路电动斥力，按垂直布置导体电动力的计算公式： I1I2(hl?h?)?10?7r1r2 (2-29) Fc= S10?10?4 =0.95?10?70.95 =0.0000432N 式中为触桥长度，取l=2.4cm, s=h`+h+a`=4mm 则回路导体距离 s=24?1?42=9.5mm H=0.5+3+0.5=4;l1=h 故总斥力: F=Fch+Fc=0.1627+0.0000432=0.1627432N<1.1N=Fo 满足触头动稳定性的要求。 2.5.7 m/Fcc的计算 取触桥长度为2.4cm, 截面积： S=0.1×0.8=0.08cm2 触桥质量：mq=ρsl=8.5×0.08×2.4=1.632g 辅助触头为纯银，比重ρAg=10.5g/cm3 厚度h=1.18cm 质量mc=ρAgsh=10.5×0.08×1.18=0.3978g 故辅助触头的总质量为：mz=mc+mq/2=0.7875+2.75/2=2.1625g 所以得m/Fcc= mz/(2×1.1)=0.9829×10-3kg/N<1×10-3kg/N 所以振动小，满足要求。 12 2-30） （ 第3章 灭弧系统设计 3.1 概述 在大气中开断电路时，如果电源电压超过12～20V，被开断的电流超过0.25～1A，在触头间隙（弧隙）中会产生一团温度极高、发出强光和能导电的近似于圆柱形的气体，称为电弧。电弧是一种气体放电的特殊形式，气体放电的形式很多，有电晕放电、辉光放电、火花放电和弧光放电等。 当开关电器的触头间发生电弧时，它烧损触头并危及绝缘，在最严重情况下甚至可能引起相间短路，或使开关电器爆炸，形成火灾，影响电力系统安全运行。因此，在电器学中研究电弧的目的，主要侧重于掌握电弧产生与熄灭的规律，探索采取适当措施以熄灭电弧。电弧发现于19世纪初期，那时人们还只懂得将电弧拉长以便熄灭。近数十年来，对电弧的研究发展较快，电弧的数学模型日益受到重视，利用电子计算机可以计算电弧的动态过程及有关参数。但由于电弧过程的复杂性，要正确地设计灭弧室，还必须进行大量的科学实验以及从生产实践中不断总结提高。 3.2 灭弧原理的研究 斯列宾理论： 在交流接触器中触头刚分开时在气隙间形成高电场场将电子从阴极表面拉出，导致气体游离，从而产生电弧。 由于本次设计的是交流接触器，因此弄清交流电弧的熄弧理论具有重要意义。斯列宾提出弧隙介质强度恢复理论，即在电流过零时刻开始，一方面弧隙上的电压从熄弧电压开始上升，要恢复到电源电压；另一方面在电流过零时弧隙有一定的介质强度，并随着去游离程度而不断上升。电弧的熄灭或重燃就决定于这两过程的“竞赛”结果。因此，交流电弧熄灭条件为：在交流电流过零后，弧隙中的实际介质恢复强度特性总是高于加到弧隙上的实际恢复电压特性。 3.3 常用的灭弧装置 常用的灭弧装置有：(1)绝缘材料灭弧罩；利用回路的电动力拉长电弧，使 [ 13 之与陶土灭弧罩或塑料灭弧罩接触，电弧被拉长和冷却熄灭。交流接触器也可以利用近阴极效应熄弧。这是一种最简单的灭弧装置，适用于容量较小的交流接触器，操作频率可以比较高。 (2)多纵逢灭弧室；电弧在回路电动力作用下被迅速拉长和进入纵逢中，电弧被分成多条细弧，并且迅速冷却而熄灭，用于操作频率比较高和额定电流较大的接触器中，灭弧能力比较强。 (3)栅片灭弧室；电弧在回路电动力及铁栅片的吸力作用下，进入栅片之间，被栅片分割成多个串联的短弧，由于直流电弧的近极压降或交流电弧的近阴极效应而熄灭电弧。这种灭弧室喷弧距离小，过电压低，常用于交流接触器，尤其适用于较高工作电压的交流接触器，例如CJ20—160/11及CJ20—630/11（额定工作电压为1140V）接触器就采用这种灭弧室。但是，栅片吸收电弧能量后温度上升很快，不适合于太高的操作频率。 (4)串联磁吹和绝缘材料灭弧室；串联磁吹线圈在弧区产生较强的磁场，电弧在磁场中受到较强的电动力作用，而被拉长和迅速进入绝缘灭弧室中，被灭弧室壁冷却而熄灭。灭弧室由陶土或耐弧塑料制成，有多纵缝、横隔板、窄缝和迷宫式等多种结构。这种灭弧室的热量易于散出，灭弧室的耐热性好，故可以用于较高的操作频率，直流接触器常用这种灭弧装置。但是，它的喷弧距离大，声光效应大，过电压较高和用铜量大，此外，用于交流接触器时，由于吹弧线圈的铁心和铁夹板（铁轭）中有铁损耗，使其磁通落后于电流一个相位差角，而产生使电弧反吹的电动力等缺点。因而交流接触器很少采用这种灭弧室。 (5)真空灭弧室；近年来国内已经研制成功真空、接触器。其灭弧装置为真空灭弧室。当交流电弧电流过零时，游离气体以极快的速度向弧区以外扩散，弧隙介质恢复强度迅速上升，从而使电弧熄灭。这种灭弧室的优点是具有很强的熄灭交流电弧的能力。灭弧室密封，电弧及游离气体不能逸出，使用安全。而且，触头电磨损小，点寿命高，但是价格比较高。 3.4 选择主触头灭弧系统的结构形式及尺寸 根据本次设计要求，为了灭弧系统的拆装方便，综合考虑以上几种灭弧室的特点，选择栅片纵缝灭弧室。它可以减少电弧电流的幅值，并可以减少平均电压的恢复速率，避免了过电压，灭弧的综合性能优良。 参考同类产品，采用缝数为4，缝宽3mm 14 验算主触头灭弧系统性能： 在不大于0.1s时间内可靠灭弧 采用多断口灭弧 (1)接触器的分断条件为： I=8×Ie=800A; U=1.1Ue=1.1×380=418V; cosΦo=0.35。 分断回路的固有振荡频率计算公式：fo=2000×I0.2×Ue-0.8 =2000×8000.2×380-0.8=65.6kHz (2)对于三相线路的回路系数取 Khv=1.5 (3)分断回路的电感按下式计算 X=ωL=ZsinΦ (3-1) = U?1?cos2?0I?? 418?1?0.3522 = 800?314 =0.00156H (4)系数KH的计算公式： KH=0.9?Khv?1?cos?0 (3-2) =0.9?1.5?1?0.35 =1.088 (5)弧运动速度计算公式: Vh≈2.12ih??1/2 (3-3) ≈2.12×800×0.5-1/2 ≈2398.5cm/s (6)电弧长度计算公式: 取触头分开速度80cm/s（根据同类型产品统计数据），熄灭时间为半个波t=0.01s lh0≈t?Vc?9Vh (3-4) =0.01?802?9?2398.52 =71.96cm （7）纵缝灭弧室中交流电弧的等值电阻计算公式： 14200 Rh≈0.015s+2 (3-5) I14200 =0.015s? 2800 15 22 =0.0372（Ω/cm） (8)当恢复电压为非周期过程时，电器必须的分断断口数ndu计算公式： 其中电源频率50Hz时，银触头的修正系数βc=2,查资料得系数M0=200×10-6H/us取Ujf0=80V;Kjf=1.6 ?c?KjfL?(1?lnKNU? ndv= KNUM0)?c?KjfL (3-6) Ujf0M0?0.34KNlhRh0I1.088?418?8?10?62?1.6?0.00156?(1?ln)2?1.6?0.001561.088?418??6200?10= 80?0.34?1.088?71.96?0.09?800=0.22 桥式触头为双断点，ndv =2，远大于要求，所以能可靠熄弧。 （9）检查恢复电压振荡过程转变为非周期过程的条件，其判断公式如下: M0ndv?106 f0≥ (3-7) 3.14L8?10?6?2?106 65600≥=2054.54Hz 3.14?0.00156满足上述条件，因而恢复电压为非周期过程。 3.5 辅助触头系统灭弧方法 由于辅助触头开断电流小，不需加特殊的灭弧装置，直接利用双断点触头 灭弧。 16 第4章 电磁系统设计 4.1 概述 电磁系统是由磁系统和线圈组成，用以进行电磁转换的电器组件或部件。电器的电磁系统主要是借线圈激磁使磁系统磁化，产生电磁吸力吸引衔铁，使之运动作机械功，从而达到某些预定目的。通过线圈从电源吸取能量，并借衔铁的运动输出机械功，是电磁系统进行能量转换的一个方面，通过线圈输入电磁信号，并借衔铁的机械运动输出指令，是电磁系统实行控制作用的又一个方面。 电磁系统的用途非常广泛:它既可以单独成为一类电器，诸如用作牵引电磁铁、制动电磁铁、起重电磁铁和电磁离合器及电磁吸盘等；它亦可作为电器的组件或部件，例如用作电磁接触器、电磁式继电器、电磁式脱扣器等的感测部件，以及电磁操作机构的执行部件。此外，从广义的角度来看，电磁传感器、电磁稳压器乃至磁放大器等，也可视为电磁系统。由此，设计之前需要了解电磁系统的种类、典型结构和基本特性： 4.2 电磁系统的种类和典型结构形式 电磁系统种类很多。按线圈激磁电流的种类区分有直流电磁系统、单相交流电磁系统、三相交流电磁系统、极化电磁系统以及交直流同时磁化的电磁系统。按线圈的连接方式区分有并激电磁系统和串激电磁系统。按衔铁与线圈的相对位置区分有衔铁穿入线圈内腔的内衔铁式电磁系统和衔铁在线圈外运动的外衔铁式电磁系统。按外观形状区分有E形电磁系统、螺管式电磁系统和拍合式电磁系统等。 电磁系统的结构从衔铁运动方式区分有直动式和转动式结构。总之，电磁系统的结构形式很多，且不同形式的具有不同的特性。所以在设计时要根据具体电器的反力特性及对吸力特性与反力特性配合的要求，确定电磁系统的结构形式。 4.3 电磁系统的基本特性 电磁系统的基本特性包括吸力特性、反力特性、输入-输出特征及时间特性， 17 下面就谈谈吸力特性和反力特性。 电磁系统既然是一种依靠电磁吸力使衔铁产生机械位移而输出机械功的电工装置，驱动衔铁运动的电磁吸力Fx和衔铁的机械行程δ自然就是它的基本参数，这两个参数在一定条件下呈现的关系Ff=f（δ）也就成了电磁系统的基本特征。这个特征表征了电磁系统带动负载的吸引能力，所以习惯上被称为吸力特性。上面是对直动式电磁系统而言，如果是转动式电磁系统，吸力特性就以M=f(a)表示，它是衔铁受到的电磁转矩与衔铁角位移之间的关系。 电磁系统的衔铁在运动过程中要克服机械负载的作用力做功。可以说，电磁系统的主要任务就是克服这种反作用力。因此，机械负载性质的反作用力Ff与衔铁行程δ之间的关系Ff=δ—反力特性，与吸力特性实质上是矛盾的统一。更何况对一般的电磁系统来说，衔铁的吸合主要靠电磁吸力，其释放和复合则主要靠反作用力。因此，将反力特性作为电磁系统的基本特性来处理，既有必要，也很恰当。 为了保证电磁系统能可靠地工作，在衔铁的吸合过程中，在动作电流或电压下的吸力特性通常应高于反力特性；反之，在衔铁的释放过程中，反力特性应高于在释放电流或电压下的吸力特性,或零电流及零电压下剩磁产生的吸力特性。 4.4 电磁系统设计 计算电磁系统反力： (1)按主触头参数确定衔铁释放位置的工作气隙值（衔铁行程）。 主触头系统 开距为：β1=7mm; 超程为：γ1=3mm 则主触头行程为：β1+γ1=7+3=10mm 即衔铁行程为： δ=10mm (2)确定衔铁释放位置的初始反力及释放弹簧力。 确定初始反力（按衔铁释放终了时，衔铁与停挡相碰撞的弹回距离，应小于接触器常闭辅助触头的超程（磨损后），来确定初始反力。 主触头弹簧初压力定为16N,终压力为20N,超程为δch =3mm，三对主触头 初压力产生的反力： Ffcc=3×16N=48N, 终压力产生的反力： Ffzc=3×20N=60N 确定辅助触头的超程为：2mm,初压力为：1.1×2=2.2N, 终压力为： F=1.32×2=2.64N 18 故Ffcb=2×2.2=4.4N Ffcb=2 ×2.64=5.28N 考虑常闭辅助触头磨损为0.74mm计及一定裕度，取允许弹回距离 δy=0.6mm,取弹性恢复系数e=0.14,初始反力计算公式如下： e2[(Ffcc?Ffzc)? Ffcb= ?ch??Ffzh?]2?y?y (4-1) ?1?e2??y310?5.28?]2?0.60.6 101?0.142?0.60.142?[(48?60)?= =13.8N 释放弹簧力： (a)释放位置弹簧力=初始反力+常闭触头终压力 Ffcs=FCS + Ffzb=13.8+5.28=19.08N （4-2） (b)吸合位置的弹簧力：参考现有产品，取释放弹簧钢度C=0.5N/mm FfxFfcs+c×δ=19.08+0.5×10=24.08N （4-3） (3)按主触头参数及衔铁释放位置的工作气隙值和初始反力等数据做反力 特性 曲线[Fff（Ff=f（Ff=f（δ））]如下; 吸合位置电磁铁反力:Fb=Ffx+ Ffzb=24.08+60=84.08N 释放位置电磁铁反力:Ff=Ffzs=19.08N 图4-1 反力特性曲线 Ff为反力特性; Ff1为释放弹簧反力特性; Ff2为主触头弹簧反力特性; Ff3为衔铁等运动部分的重力 4.5 电磁系统的结构形式的确定 19 电磁系统结构形式很多，可按不同方式来分类。按磁系统型式可分为U型、E型、盘式和螺管式等。按衔铁运动方式分为旋转式和直动式。等等。交流电磁系统的结构型式，对于小容量多采用直动式，直动式电磁系统 常用的可分为六类，分别为：单U型、双U型、单E型、双E型、T型、螺管式。从理论上讲，单U型比双E型的吸力特性陡峭，与反力特性的配合单U型好些，本次接触器设计要求容量不大，考虑结构力求简单经济性好等因素，选择单U型直动式电磁铁。 选择交流电磁铁结构形式，要按吸力特性与反力特性的配合关系来选择结构形式，此外，直动式电磁铁具有工艺简单的优点，转动式电磁铁具有杠杆比（电磁吸力力臂与反力力臂之比）可调的优点，装甲螺管式适用于卡行程，U形和E形直动式则适用于较短行程，当反力特性较平坦且衔铁打开位置的反力较大时，则应选用双U形或双E形或装甲螺管形。 (1)U型电磁铁： 优点：去磁气隙设在静铁心底部，不受极面磨损影响，使用寿命较长，体积小材料利用率高。 缺点：线圈固定不方便，去磁可靠性较差。 (2)E型电磁铁： 优点：线圈安装在中柱上，有利于固定和保护线圈，去磁气隙在中柱上，去磁可靠。 缺点：去磁气隙受极面影响，使用寿命不易提高，碰撞应力较大，不利于机械寿命提高。 (3)“双”（U或E）型电磁铁： 由于有附加螺管力，所以磁铁初始吸力较大，且吸力特性较平坦。 (4)“单”（U或E）型电磁铁： 无附加螺管，故吸力特性比较陡峭。 分析：由前所设计中绘制反力特性曲线较陡峭，故在本设计中采用单（U或E）型电磁铁，再由以上比较，U型更利于寿命提高，而E型会因极面磨损去磁气隙不断减小而影响，电磁铁的寿命。但U型固定不方便，故采用两个浅串联并固定成一整体式。E型可采用在中柱底部增加一个非磁性垫片，产生固定去磁气隙，从而使寿命不受极面磨损影响，单U或单E型都适于吸力特性较陡峭的情况，在本设计中通过计算机优化设计，比较单U及单E型电磁铁，考虑到本次接触器设计要求容量不大，结构力求简单经济性好等因素，选择单U型直动式电磁铁。 20 4.6 电磁铁的设计和计算 主要技术参数: 主触头参数: (1)开距 β1=7mm (2)超程 γ1=3mm (3)初压力 F01=8N (4)终压力 Fz1=10N (5)触头数 n1=6 辅助触头参数: (1)开距 β2=4mm (2)超程 γ2=2mm (3)初压力 F02=1.1N (4)终压力 Fz2=1.32N (5)触头数 常闭触头n2=4 ;常开触头n3=4 释放弹簧参数: (1)初始弹簧力 Fs0= Ffcs=19.08N (2)弹簧钢度 0.5N/mm 线圈电压及允许电压波动范围: (1)线圈额定电压 UN=220v (2)电压允许波动范围 0.85*UN=187v 线圈耐热等级和允许温升: (1)耐热等级 B级 (2)允许温升 70oC 工作制形式：长期工作制 4.7 交流电磁铁反力特性计算 电磁铁工作气隙值计算； (1)衔铁释放位置 δa=β1+γ1=3+7=10mm (2)常闭辅助触头刚分开位置 δb=δa-γ2=10-2=8mm (3)常开主触头刚接触位置 δc=γ1=3mm (4)常开辅助触头刚接触位置 δd=γ2=2mm 21 (5)衔铁闭合位置 δe=0.05(虚设值)。 4.8 电磁铁各位置反力计算 (1)衔铁释放位置: Ffd=Fs0-n2Fz2=19.08-4×1.32=14.8N （4-4） (2)常闭辅助触头刚分开位置: a:Ffb2=Fs0+c×(δa-δb)=19.08+0.5×(10-8)=20.08N （4-5） b:Ffb1=Ffb2-N2F02=20.08-4×1.1=15.68N c:Ffe=Fs0+C×δa +n1×Fz1+4×Fz2 =19.08+0.5×10+6×10+4×1.32 =89.36N (3)衔铁闭合位置： Ff1c= Fs0+C×(δa -δc)=19.08+0.5×(10-3)=22.58N Ff2c= Ffc1+n1F01=22.58+6×8=70.58 (4)常开辅助触头刚闭合位置: F(Ffd1=Fz1?F01)?(?c??d)s0?C?(?a??d)?n1F01?n1??c??e=19.08+0.5×(10-2)+6×8+6×(10?8)?(3?2)3?0.05 =75.15 Ffd2=Ffd1+n3F02=75.15+4×1.1=79.55N (5)释放弹簧反力Ff1 Ff1a=Fs0=19.08N Ff1e=Fs0+C×(δa -δc)=19.08+0.5×(10-3)=22.58N (6)常闭辅助触头的反力Ff2 Ff2a=-n3Fz2=-4×1.32=-5.28N Ff2b=-n3F02=-4×1.1=-4.4N (7)主触头的反力Ff3 Ff3c=n1F01=6×8=48N Ff3e=n1Fz1=6×10=60N (8)常开辅助触头反力Ff4 Ff4d=n2F02=4×1.1=4.4N 22 （4-6） （4-7） （4-8） （4-9） 4-10） 4-11） 4-12） 4-13） 4-14） 4-15） 4-16） 4-17） 4-18） （（（（（（（（（Ff4e=n2Fz2=4×1.32=5.28N （4-19） 4.9 衔铁各位置反力 Ffa1=Ff1a+Ff2a=19.08-5.28=13.8N （4-20） Ffb1= Ff1b+Ff2b =15.58-4.4=11.48N （4-21） Ffb2= Ff1b =15.58N （4-22） Ffc1= Ffc=18.08N （4-23） Ffc2= Ff1c+Ff3c =65.58N Ffd1= Ff3d+Ff1d =70.15 Ffd2= Ffd1+Ff1d =74.55N Ffc= Ff1e+Ff3e+Ff4e=19.08+60+5.28=84.36N 根据以上各值画出反力特性曲线： 图4-2 反力特性曲线 23 （4-24） （4-25） （4-26） （4-27） 4.10 确定电磁系统的设计点及设计点吸力和工作气隙值 设计点的确定与拟定功的大小有关。拟定功是指吸力特性上任一点的工作气隙?与吸力F的乘积，是一具有能量量纲的物理量。拟定功最大，意味着电磁铁的经济重量m最小，即电磁铁的重量最轻，同时起动时有效功为最大。: Ffa1×δa=13.8×10=138 Ffb2×δb=15.58×7=109.06 Ffc2×δc=65.58×3=196.74 Ffd2×δd=74.55×2=149.1 Ffe×δe=84.36×0.05=4.218 取F×δ的最大值，得吸力特性的设计点取主触头刚接触处的开距δ=3mm,吸力Ff0=65.58N，考虑裕度Ko=1.2，则设计点的电磁吸力为Ko=KoFo=1.2×65.58=78.696N 工作气隙值δ=3mm 4.11 磁铁的初步设计 确定铁心的尺寸 （1）确定铁心的截面积Sc 线圈电压下限时工作气隙磁通密度： UBK Bδm=1cmN (4-29) UN?0.85?220?1.3?0.95 = 220?1.35 =0.78 U1----线圈电压下限值（V）,一般U1=0.85×UN; Bcm-----额定电压时铁心磁通密度，1.1----1.7T取Bcm =1.3T KN------线圈反电动势E与UN的比值，设计点在主触头刚接触位置， 0.94--0.99,取KN =0.95 ζ=(1.1-2)设计点漏磁系数，设计点在主触头刚接触位置，取ζ=1.35 真空导磁率μ0=4π×10-7=1.257×10-6 (H/m) 铁心的截面积计算公式如下： Sc= 2F0??0B?m2 (4-30) 24 2?78.696?1.257?10?6 = 20.78 =3.25×10-4 m2 （2）确定铁心截面边长[：(取ε=a/b=1；叠片系数Kc=0.9--0.95) a= Sc （4-31） ??Kc3.25?10?4 =0.9≈19mm 取：a=19 mm 则：b=a=19 mm 计算线圈匝数 N N=0.98?UN4.44fBS (4-32) cmc = 0.98?2204.44?50?1.3?3.25?10?4 =2298.6匝 取2298匝 初算线圈磁势并确定线圈尺寸 (1) 线圈磁势 ：非工作气隙 δf=0.2×10-3 m IN=K15?BcmSc2??； K15=(1.65—2.5)取2 11??= ?+2? f??4 Λ=0Sc1.257?10?6?3.25?10??=.05?10?3 =8.17×10-6 δe0 25 ?0Sc1.257?10?6?3.25?10?4-6 Λf===2.04×10 ?3?f0.2?10 ∑Λ= ???f???2?f 8.17?10?6?2.04?10?6 = 8.17?10?6?2?2.04?10?6 =1.36×10-6 IN= K15?BcmSc2?? = 2?1.3?3.25?10?42?1.36?10?6 =439.4 (2) 线圈高度： 查资料线圈厚度比值n=0.5―0.8 取n=0.6得：线圈导线的电阻率ρ=2.37×10-8 Ω·m 线圈表面综合散热系数KT =10.99 W/m2·K ktc ---线圈填充系数，初步设计可取ktc = 0.5 查资料选D21-0.5曲线pc=3.8 W/kg Kc= pcεa2ρFe=3.8×1×0.0202×7.8×103=11.856 w/m 线圈高度计算公式[: 110℃ ??(2?2???n)(IN)2 h= (4-33) [KT??(2?2??2?n)?a?Kc]?ktcn2.37?10?8?(2?2?1?3.14?0.6)(439.4)2 = [10.99?70?(2?2?1?2?3.14?0.6)?0.020?11.856]?0.5?0.6 = 0.0269=28.86mm 32.298 取h=28mm (3) 线圈厚度计算公式： Δ=na=0.6×19=11.4mm (4-34) (4 线径计算公式： 26 4ktch? (4-35) ??N4?0.5?28?11.4 = 3.14?2298 d= =0.297mm 取d=0.31mm 4.12 确定其他结构尺寸，并画出电磁铁草图 （1）线圈的内孔尺寸A、B Δc1= (0.5--1)mm取0.7mm Δc2=Δc1+ t=0.7+2=2.7mm A1=a+2Δc1=20+2×0.7=21.4mm,B1=b+2Δc2=20+2×2.7=25.4mm （2）线圈外形尺寸 A2=A1+2Δ=21.4+2×12=45.4mm,B2=B1+2Δ=25.4+2×12=49.4mm (3) 衔铁截面积： Sx=Kxab=1×19×19=361mm2 Kc=(0.8--1) Ke≧1 (4) 铁轭截面积： Se=Keab=1×19×19=361mm2 (5) 铁芯长度： li=h+bk=28+1=29mm (6) 衔铁长度： l=2a+Δ+Δc2+Δc3=2×19+12+0.5+5=55.5mm (7) 电磁铁高度： h=2×19+28=66mm (8) 草图: 27 图4-3 电磁铁草图 4.13 性能验算 主要计算： 线圈冷电阻（200C） 查表铜ρ 020 C =1.75×10-8m 线圈的平均匝长： Lpj=2×(A1+B1)+πΔ=2×(21.4+25.4)+3.14×12=131.28mm 线圈冷电阻计算公式如下 ： 20C×l1.75?10?8 R0 ?131.28?10?3?2298200℃=（ρ铜pjN)/S=??0.312 (4-36) ?10?64 =69.98Ω 线圈热电阻（1100C） 线圈热电阻计算公式如下： R1100℃= R200℃ ρ1100℃/ρ200℃=69.98×2.37/1.75=94.77Ω (4-37) 衔铁闭合位置工作气隙磁通计算 E≈UN , 漏磁系数ζ≈1 Фδm=E/(4.44fζN) =220/(4.44×50×2298) 28 =4.3×10wb 衔铁闭合位置线圈电流计算 （1）工作气隙磁化电流Iδ ∧δ=μ0abkc/2δe （4-38） -4 1.257?10?6?19?19?0.93?10?6 =2?0.05?10?3 =4.22×10-6 I1/2δ=Фδm /(21/2N∧δ)δmδ)δm /(21/2N∧δ)m /(2N∧δ) =4.3×10-4/(1.414×2298×4.22×10-6) =0.031A （2）非工作气隙磁化电流If ∧f=μ0abkc/δf =(1.257×10-6×19×19×0.93×10-6)/(0.2×10-3) =2.11×10-6 I1/2f=Фδm /(2N∧f) =4.3×10-4/(1.414×2298×2.11×10-6) =0.0627A （3）导磁体磁化电流：Im=∑H l /N 衔铁磁压降H1 l 1 B1=Фδm /axbxkc =4.3×10-4/(19×19×10-6×0.93) =1.28 T 采用D23-0.5冷轧硅钢片： 查资料得：H1=786A/m 衔铁的磁压降：H1 l1 l 1=a+Δ+ΔC1+ΔC3=19+12+0.5+5=36.5mm 静铁心磁压降：H2 l 2 B2=B1, H2=H1 l 2= li=29mm 铁轭磁压降H3l 3 B3=B2=B1 ； H3=H2=H1=786A/m 29 4-39） 4-40） 4-41） （（（ l 3= l 1+ l i=55.5+29=84.5mm 总磁压降为： ∑Hl= H1l1+H2l2+H3l 3 （4-42） =786×(36.5+29+84.5) =95106 Im=∑H l /N=95106×10-3/2298=0.0414A （4）导磁体损耗规划电流IP V1=axbx(l 1+a)=19×19×(55.5+19)=26894.5 V2=abl 1+ aebe(l i+ l 1+a) =19×19×29+19×19×(29+55.5+19) =10469+37363.5 =47832.5 衔铁损耗计算公式：pC1=3.8 W/kg (4-44) PFe1= PC1γV1 =3.8×7800×2.69×10-5=0.797w 静铁心损耗： PFe2= Pc2γV2=3.8×7800×4.78×10-5=1.42w 则： Ip=∑PFe /UN=(0.797+1.42)/220=10.08×10-3A （5）分磁环规划电流Id Ed=4.44fNkФδmγ2 =4.44×50×1×4.3×10-4×0.8 =0.0764 v Id=2Ed2 /(UN×rk) =2×0.07642/(220×7.355×10-4) =0.072 A （6）计算线圈电流I 磁化电流： Ir=Iδ+If+Im =0.031+0.0627+0.0414 =0.1351 损耗电流： 30 4-43） 4-45） 4-46） 4-47） 4-48） （（（（（ Ia=Ip+Id=0.01+0.072=0.082A （4-49） 2 I=Ir?Ia=0.1351?0.0822=0.158A 22 Ψ1=arctg Ia0.082= arctg=31.260 Ir0.1351 U2=E2+I2R2+2E(IR)sinΨ1 2202=E2+0.1582×94.772+2×(0.158×94.77) ×0.519E 得：E2+15.54E-48624=0 （4-50） ?15.54?15.542?4?(?48624) E==212.88V 2E 4.44fN?212.88 ==3.1×10-4 4.44?50?2298?1.35 故Фδm1= ??m???m14.3?10?4?3.1?10?4 ε===2.79%<3% ?4??m4.3?10 （要求计算前后两次磁通近似值之差与前次磁通近似值之比，应小于给定误差 值3%）故满足条件 线圈发热功率P P=I2R1100℃=0.1582×94.77=2.366w （4-51） 线圈温升计算 线圈包围部分铁心损耗 PFe3 PC3=PC2=3.8w/kg PFe3=a×b×kc×h×ρFePC3 （4-52） =19×19×10-6×0.93×0.028×7800×3.8 =0.279w （2）线圈外表面散热面积S: S=(2A1+2B1+2piΔ) ×h （4-53） =(2×21.4+2×25.4+2×3.14×12 ) ×28 =4.73×10-3m2 （3）线圈稳定温升计算：ηw （长期工作制线圈的功率过载系数：kp2=1） ηw=(P+PFe3)/(kp2×KT×S) （4-54） 31 =(2.366+0.279)/(1×10.99×4.73×10-3 ) =50.880C<700C 温升合格 衔铁在设计点的气隙磁导计算： （1）工作气隙磁导∧δ （因δ0/a<0.2,/b<0.2,故用解析法计算） 一个磁极的磁导: ∧?δ=0abKc? 0-6-6 = 1.257?10?19?19?10?0.933?10-3 =1.401×10-7H （2）非工作气隙磁导∧f （因δ0/a<0.2,/b<0.2,故用解析法计算） ∧f=μ0aebeKcf =1.257?10-6?19?19?10-6?0.930.2?10-3 =2.11×10-6H （3）铁心对铁轭单位长度漏磁导λ： 将方形截面积等效为圆形半径r 由π×r2=ab r=ab/?=19?19/3.14=10.72mm λ= 2??0ln(k?k2 ?1) k=y2?2r2l2?2r236.52?2?10.2r2=7222r2=2?10.722=4.8 y为铁心与铁轭的中心距=55.5-19=36.5mm λ= 2?3.14?12.57?10?7ln(4.8?4.82 ?1) =78.94?10?72.25 =35.08×10-7H/m 32 4-55）4-56）4-57）4-58）（ （ （ （ （4）计算等效漏磁导： 11 ∧`ld=λLi=×35.08×10-7×29×10-3=0.339×10-7H （4-59） 33 计算线圈感抗XL： ?N2(????`ld)??f XL= （4-60） ` = = =266.5 计算线圈电流I： I= = =0.66A 计算反电动势E： E= = =176.23V 计算工作气隙磁通： = =2.564.14 主要判断 平均吸力判断： ????ld??f100?3.14?22982?(1.401?0.339)?21.1?10?14(1.401?0.339?21.1)?10?7 6087.8?10?722.84?10?7 Ω UR22 （4-61） 1100C?XL0.85?22094.772?266.52 U2?(IR1100C)2 （4-62） (0.85?220)2?(0.66?94.77)2 ФEδm= 4.44fN? （4-63） 176.234.44?50?2298?1.35 ×10-4 33 因能量平衡公式法计算两个极的总平均吸力Fpj Fpj=-d??1×(?m)2×? （4-64） d???2?0abkc2.5621 =-×()×（-） 221.5?01.257?10?6?19?19?0.93?10?61 = -2×2.9×（-32?10?6 =12×2.9×46.89=67.99N>65.58N 在衔铁闭合位置取最小吸力判断 （1）工作气隙磁通： Ф0.98?Uδm= 14.44fN = 0.98?0.85?2204.44?50?2298=3.59×10-4wb （2）计算分磁环内外相位差角： Sk=t×bk=2×1=2mm2 =ld?k2.58?10?8?67.08?10?3 rkS=?10?6 k2.64 =6.56×10-4Ω tgθ=2?f?0s2r k?2 =314?1.257?10?6?228?10?66.56?10?4?0.05?10?3 =2.74 因此θ=69.950 （3）求θ1m及θ2m ?10.?=05?10?3 Rδ1=10?6?57?10?6=6.98×105Ω 0s11.257? R?20.05?=?10?35 δ2=?6?6=1.74×10Ω0s21.257?10?228?10 Xwk=r=314.56?10?4=4.79×105Ω k6 θ 2 2δm =θ 1m+θ 22m+2θ1mθ2mcosθ 34 ） 4-65） 4-66） 4-67） （（（ (θ1mRδ1)2=(θ2mRδ2)2+(θ2mXk)2 →(θ1m×6.98)2=(θ2m×1.74)2+(θ2m×4.79)2 θ1m= ?2mR?22?Xk2R?1 →θ1m=0.73θ2m (3.59×10-4)2=(0.73θ2m)2+θ22m +2×0.73θ 22m×cos69.95 12.89×10-8 =2.99θ 2 2m θ-42m=2.08×10Wb θ-4 1m=1.52×10Wb （4）计算平均吸力Fpj1和Fpj1 ?21m(1.52?10?4)2Fpj1=4?=?6?6=80.6N 0s14?1.257?10?57?10?22Fpj2=2m(2.08?10?4)4?=?6?6=37.7N 0s24?1.257?10?228?10 （5）计算衔铁闭合位置最小吸力： （a）一个工作气隙的最小吸力： in`=F22Pj1+FPj2-FPj1?FPj2?2FPj1?FPj2cos2? =80.6+37.7-7917.65?4648.48 =118.3-57.18 =61.12 （b）两个工作气隙的最小吸力： Fmin=2 Fmin`=122.24>Ff0=78.696N 最小吸力合格 4.15 计算电磁铁材料重量及经济重量 （1）铜重： m?d21= 4lPj?N??Cu = ??(0.31?10?6)24?131.28?10-3?2298?8.9 35 4-68）4-69）4-70）4-71）4-72）（ （ （ （ （ =0.203kg （2）铁重： V1+V2+V3=55.5×192+(55.5×192+29×192)+29×192 （4-73） =6.1×10-5 m2=(V1+V2+V3)ρFe=6.1×10-5×7.8×103 =0.4758kg 因此 M= m1?m2 0.9Ff0??00.203?0.4758 0.9?65.58?2?10?3 = =0.57kg （3）经济重量计算： M，= M /0.9×(f0×δ0) =0.57/0.9×0.19674=3.22kg 符合要求 36 ] 结束语 本课题是对交流接触器设计。以这个课题作为毕业设计，首先使我灵活运用所查阅的资料，实现对电器设计方面的知识充分利用，对低压电器设计过程作更深度的理解，让我获得电气工程师的基本训练，提高了我分析、解决问题的能力，这次毕业设计对今后我的工作产生深远的影响。 研究内容主要有：触头系统的设计、灭弧系统的设计、电磁系统的设计。目前国内（外）的低压电器科研所和企业的研发中心在研制开发交流接触器时，主要以提高工作可靠性，寻求合理的通断能力，延长使用寿命，缩少产品的体积，提高三化水平为目标，同时在这些基础上进行改革和创新。 设计的步骤总结归纳如下： 总体方案的设计→触头系统的设计与计算→灭弧系统的设计与计算→确定反力特性曲线图→电磁系统设计与计算。这次毕业设计，是对我大学的所学知识的一次大检阅，使自己熟悉巩固了有关课程内容，不仅使自己在综合能力方面得到提高，还完善了自己在大学期间的知识体系。在设计过程中，查阅资料的同时也丰富了自己的知识面。另外，我在理论运用于实践方面有了一定的思路，使自己进行产品设计以及如何进行优化分析的能力得到了提高。产品设计的好坏，最终能达到什么样的效果，在一定程度上还与设计产品事后的优化分析有关。总之，要成为一名出色的产品设计者，需要付出更多的努力，在以后的工作中不断的去学习，总结。 在巩固各方面知识的同时，也提高自己分析问题解决问题的能力。但是在这次毕业设计中，由于自己水平有限，还存在着一些遗漏和错误之处 。还有很多具体的技术工作需要解决，还可以进一步把完善，恳请老师批评和指正。 37 参考文献 [1]赵毅君，李永坚.电器原理产品课程设计指导书[M].湖南工程学院，2001,1-12 [2]方鸿发.低压电器[M].北京：机械工业出版社，1982，47-97 [3]方鸿发.低压电器及其测试技术[M].北京：机械工业出版社，1982,34-44,73-106, [4]张冠生，丁道明.常用低压电器及其应用[M].北京：机械工业出版社，1992，158-202 [5]张冠生.电器理论基础[M].北京：机械工业出版社，1980，35-80 [6]李贵和. 电器及其控制[M].重庆：重庆大学出版社，1993,10-16 [7]马镜澄，王书成.低压电器[M].北京：兵器工业出版社，1993,44-52 [8]贺湘琰.电器学[M].北京：机械工业出版社，1985，65-84 [9]李建明.电器工艺与工装[M].北京：机械工业出版社，2000,35-70 [10]郑凤翼.低压电器及其应用[M].北京：人民邮电出版社，1999,1-30,211-264 [11]周茂祥.低压电器设计手册[M].北京：机械工业出版社，1992，536-603 [12]张贵元，刘玉明.实用节电技术与方法[J].北京：中国电力出版社，1997,211-214 [13]金哲.节电技术与节电工程[M].北京：中国电力出版社，1997,452-463 38 致谢 通过这次毕业设计，我不仅在综合能力方面得到提高，还使自己在大学期间的知识体系得到了充分的完善。而要成为一名合格的产品设计者，需要做到以下几个方面： （1）复杂的低压电器产品，其零部件很多，但不论结构复杂或简单，其设计过程都是一个多目标函数的优化过程，因此，作为一名设计者在从事某项产品开发设计之前，首先要把追求那些目标，这些目标相互之间的约束条件和有那些边界条件要调查了解清楚，同时在设计时，要把市场情况、用户要求、国内外的发展趋势先作些调查，以明确设计要追求的目标是那些，其中哪些是主要的，哪些是次要的，哪些是应该同时实现的，哪些是可以通过派生设计来实现的，这也就是人们常说的多目标多层次分析求解的问题。 （2）作为一名设计者，首先要充分了解他所设计的产品，其多目标加权评价体现的情况，对老产品作一定的评价，然后，再根据用户和市场信息，分析哪些指标，要加以提高，使新产品比老产品在综合评价时有明显的提高，从而使新开发的产品有较强的生命力和竞争力。 （3）设计者应该要掌握一种或多种科学的设计程序，这对保证设计水平和设计质量是至关重要的，有的人认为，设计就是进行电气和机械计算并制图，其实，这只是设计中的一个环节，特别是对于尚无完整计算公式的低压电器设计，大部分靠经验和试验分析来确定一些数据，因此，在设计前先拟定一个完整的设计程序图，对加速完成设计、减少弯路是有很大好处的。 （4）产品设计的好坏，在很大程度上还与设计者采用什么水平的加工工艺方法来制造这些有关，因此，设计者要充分注意新工艺和新工艺装备的发展情况，在设计中尽量考虑采用一些新的工艺，以提高质量、降低成本。 总之，要成为一名出色的产品设计者，需要付出更多的努力，需要在以后的工作中不断的去学习，去摸索，去总结。 最后，我要感谢我的指导老师李靖教授，他在百忙之中抽出时间指导我，他的谆谆教诲对我有很大的帮助，而且将使我受用一生， 39 附录 吸力-反力特性曲线 吸力-反力特性曲线图 40