CJ10-20交流接触器电磁系统设计（电器学课程设计内容）

1接触器的反力特性

1.1交流接触器的原理、选择和接法

交流接触器是广泛用作电力的开断和控制电路。它利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。交流接触器的接点，由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。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,包括三副主触头和两个常开、两个常闭辅助触头,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。交流接触器的选择： （1）持续运行的设备。接触器按67-75%算.即100A的交流接触器，只能控制最大额定电流是67-75A以下的设备。（2）间断运行的设备。接触器按80%算.即100A的交流接触器，只能控制最大额定电流是80A以下的设备。（3）反复短时工作的设备。接触器按116-120%算。即100A的交流接触器，只能控制最大额定电流是116-120A以下的设备。还要考虑工作环境和接触器的结构形式。[1]一般三相接触器一共有8个点，三路输入，三路输出，还有是控制点两个。输出和输入是对应的，很容易能看出来。如果要加自锁的话，则还需要从输出点的一个端子将线接到控制点上面。[2]其原理是用外界电源来加在线圈上，产生电磁场，加电吸合，断电后接触点就断开。

1.2简介

吸力特性和反力特性的合理配合可以提高接触器的寿命。接触器的动作电压为85%-110%Un。接触器电磁铁的反力特性是指反力F对电磁铁衔铁行程µ的关系。即F=f(µ),其中电磁铁的反力有释放弹簧力,触头弹簧力,以及运动的重力组成,又因为运动部分的重力与反力相比,相对比较小,可以忽略，忽略重力可使设计过程得到简化，而且不会影响到接触器的基本特性。

1.3触头参数

主触头的开距为5-7mm,取开距为6 mm,超程为1-2 mm,取为2 mm,所以住触头的行程为6+2=8 mm。

辅助触头开距为2-3 mm,取为2.5 mm,超程为0.5-1 mm,取为0.75 mm,所以辅助触头的总行程为2.5 mm +0.75 mm =3.25 mm。

1.4触头反力

(1)主触头反力:为了确定系统可靠吸合,取靠近上限的反力数值.

初压力为0.3-0.4Kg,取fcc=0.36Kg

终压力为0.6-0.8Kg,取fec=0.68Kg

主触头共有3根,其初压力为 Ffcc= 3fcc=3*0.35Kg=1.08 Kg,终压力为Ffec =3fec=3*0.68Kg=2.04 Kg

(2)辅助触头压力:在本次设计中,接触器采用了直动式电磁铁,因此,在确定反力特性时,辅助触头=常开=常闭,根据设计任务书可知:

Ffcb =2Fcb=2*0.06=0.12Kg

Ffeb =2Fzb=2*0.15=0.3Kg

其中Fcb和 Fzb分别为辅助触头的初压力和终压力,分别去其对应范围的下限; Ffcb和 Ffcb分别为辅助触头的两相的初压力和终压力.

1.5释放弹簧的的反力

释放弹簧的压缩距离为X=0.75mm,当其闭合时,释放弹簧的处压力和终压力

P1=0.2Kg

P2=P1+K*X=0.3125Kg

弹性刚度K=0.015Kg/mm

释放弹簧的初压力和终压力为：

Ffcs=P1=0.2Kg

Ffes=P2=0.3125kg

在忽略重力引起的反作用后，可以将以上几个反力叠加，从而求得交流接触器的反力特性曲线，如图1所示：

2 计算线圈的结构参数

2.1 初始设计点的选择

开始设计时，吸力特性还不知道，所有要选择一个设计点。对于交流接触器使用的电磁铁，由于主触头刚到接触处。反力特性上有一个突跳点。在这一点上，电磁铁工作最繁重，所以将设计点选在对应于行程超程的B点，进行反力计算，B点对应的气隙。

=+=1.17+(0.2+0.015)=1.3925kg

为确保可靠吸合，吸力应大于反力。引入一个安全系数（对于接触器和磁力启动器，），取。则B点的吸力为：

1.4=1.9495(kg)=19.495(N)

2.2 确定铁心面积

开始计算时铁心截面不知，所以首先初选和值（）。待求出以后再加以休正。

现取额定电压时铁心磁通密度，气隙为时的漏磁系数（贴心打开时位置时。铁心磁通与气隙磁通之比），考虑衔铁打开位置线圈反电势为0.95及(代表衔铁打开位置，线圈电势E与电源额定电压的比值一般在0.75~0.96之间)则在电源电压降到0.85时的工作气隙，磁通密度为=0.85（1.3）。

则铁心面积为=4

铁心厚度b与其宽度a之比为比值系数即为了使衔铁在吸合位置时机械上较稳定=1.5~2现取。

铁心碟片占空系数=0.9~0.95现取=0.94，则

a=

b=

铁心视在面积

计算，由，，查得及值与原估计值接近。

2.3 衔铁吸合时的线圈磁势的计算

把去磁间隙置于工作气隙，取剩余气隙为，则衔铁闭合时的工作气隙磁导

=

假定线圈总磁势IN为工作气隙压降的2倍，考虑到电源电压升到1.1，得线圈总磁势IN为：

IN=2

2.4 计算线圈匝数

额定电压时，衔铁（动铁心）吸合后的铁心磁通密度

则线圈匝数

N=

初步设计，故取E=0.98U

即N=匝

取N=3550匝

2.5 其他尺寸的设计

按其他部分与铁心部分的磁通密度相同的原则，铁心两边柱宽度为a/2=1.6/2=0.8cm。对短行程的螺管电磁铁选择档铁高度比值系数，则档铁高度为

=

2.6 确定线圈尺寸

当电压为1.05时，铁心中磁通密度=1.05，铁心材料采用厚度为0.5mm的硅钢片，查损耗曲线，得；常数

取n=0.6，n为线圈宽度对铁心边长a的比值系数，即n=，n=0.5~0.8。取线圈填充系数，由于线圈的绝缘等级要求为A级，即接触器的最高允许温度为105，设计中要求接触器的工作环境温度为-30~40，现取为40。则该接触器线圈最高允许温升为105~40=65。现取温升由线圈温升为50，查表得线圈综合散热系数，查表得发热温度为90时的铜地电阻率则线圈高度h为：

h=

=

=

线圈宽度

确定线圈导线的线径及电阻。

导线线径d=

根据标准规定的铜线标称直径取d=0.20mm

则线圈平均长度：

线圈在热态下电阻R

R=

3 分磁环的设计

因为交流电磁铁的吸力是按两倍电源频率而变化，衔铁在吸合位置时为了防止发生振动，而在铁心磁极端面装设分磁短路环。

分磁环的设计主要是确定其材料尺寸，并对吸力是否满足要求进行验算。

3.1 分磁环尺寸计算

取非工作气隙为1mm，分磁环装于铁心边柱两端，磁极宽度为1cm，放置分磁环的槽宽位1.5mm，则磁极面积A=（1+0.15）4=4.6c比值系数

本设计中取=0.80

=

=(1-

分磁环电阻可以由下式求得:

==

其中为综合参数，其范围是0.2~0.4，取=0.3，表示衔铁闭合时的工作气隙范围为0.004～0.005cm 取δp=0.005cm

取分磁环宽度由于槽宽ad=1.5cm，则分磁环长度ld：

ld=2×（A2/b+b）+ad×π=2×（3.68/4+4）+0.15×3.14=10.311

ρ=ρO[1+aw (τ+θO)]=7×10-8[1+0.015×(40+50)]=2.24×10-8Ω·m

分磁环用铜制作，设工作温度为90℃（介质温度θO=40℃，最高温升τ=50℃

其中ρ=ρO[1+aw(τ+θO)] ，ρO为0℃时的电阻率ρO=7×10-8Ω/m

ρ为线圈发热温升为τ铜的电阻率

θO为介质温度为40℃

a w为铜导体电阻温度系数aw =0.015 1/℃ 温升τ=50℃

则分磁环截面积Ad：

Ad=（ρ·ld）/Rd=（2.24×10-8×10.311×10-2）/1.089×10-2m2=2.12mm2

分磁环厚度bd= Ad/ad=2.12/1.5mm=1.41mm

3.2验算

主要验算0.8UN情况下，铁心能否可靠吸合。

Фcm=0.8UN/4044fN=(0.8×380)/(4.44×50×3550)=0.386×10-3wb

Фδm=Фcm=0.386×10-3wb

取δ1=δ2=0.05mm

则Rδ1=δ1/(μOA1)=（0.05×10-3）/（4π×10-7×1.15×10-4）=34.95×104Ω

tanФ=γ2/Rd=0.75/0.3=2.5 所以Ф=68.2o

即Фm1与Фm2的相角差Ф=68.2 o

由此可求Λ1﹑Λ2及Λ=Λ1+Λ2

作出等效磁路如图3-1所示:

Ｚm1= 1=34.59×104(1/H)

Ｚm2= Rδ2+jX2= Rδ2+j Rδ2tanΦ=(11.53×j11.53×2.5)×104=(11.53+28.83j)104(1/H)

式中Rδ2=δ2/μ0A2=0.05×10-3/4л×10-7×3.45×10-4=11.53×104(1/H)

Ｚm2=31.05×104(1/H)

令Ｚm=Λ1+Λ2=46.12 ×104+28.83×104 j

|Λ|=54.39(1/H)

Φδ1m=|Ｚm2|/|Ｚm|•Φδm=31.05/54.39×0.368×10-3=0.22×10-3wb

Φδ1=|Ｚm1|/|Ｚm|•Φδm=31.05/54.39×0.368×10-3=0.25×10-3wb

所以Fpδ1=Φ2δ1m/4μ0A1=(0.22×10-3)2/4×1.257×10-6×1.15×10-4=83.71(N)

Fpδ2=Φ2δ1m/4μ0A2=(0.22×10-3)2/4×1.257×10-6×1.15×10-4=36.03(N)

Fmin= Fpδ1+ Fpδ2-Fpδ12+ Fpδ22+2 Fpδ1Fpδ2cos2Φ

=83.71+36.06-83.712+36.032+2×83.71×36.03×cos(2×68.020)

=57(N)

Ffmax=Ffzc+Ffzb+Ffzs=(2.25+0.2+0.315)×10=27.652N

因为Fmin＞Ffmax 所以合格

即当U=0.8Ue时,电磁铁仍能可靠吸合.

4 电磁系统的结构尺寸草图

铁心宽a=1.6cm铁心厚b=3.8cm线圈平均长l

分磁环厚度b分磁环截面A线圈匝数N=3550匝

静铁心两边柱宽剩余气隙线圈高度h=2.1cm

磁极宽1cm线圈厚度分磁槽宽1.5mm

分磁环宽1.5cm导线线径d=0.20mm分磁环长度l

因此，设计电磁系统的结构图。

图4-3分磁环结构尺寸

5 特性计算

5.1磁导计算

5.1.1铁心中防剩磁气隙磁导的计算

为了防止在电磁铁断电是由于铁心柱中剩磁使衔铁不能释放，在磁路中应有防剩磁气隙，一般取气隙为铁心截面积为s=ab=1.6则防剩磁气隙磁导为

Gb=

5.1.2计算气隙磁导

采用磁场分割法计算气隙磁导：就是按气隙磁场分布情况和磁通的可能路径将整个磁场分成若干几何形状规则化的磁通管，然后以解析方法求出它们的磁导，并按它们的串并联关系求出整个磁导。

本电磁铁的气隙磁导共有的5部分组成，中间的六面体，前后左右四个半圆柱体，（其中前后两个等效成圆柱体，圆柱体半径取平均气息长度），前后左右四个半圆筒，（前后两个等效成一个圆筒）四个边上有4个1/4球体和4个1/4球壳。分别表示如下：

五个部分： 磁导表达式：

1． 平行直六面体 G=

2． 半圆柱体 G =0.26

3． 半圆筒 G

4． 1/4球体 G

5． 1/4球壳 G

总气隙磁导为以上个部分之和，

G=2.计算参数

数平行直六面体截面积s=ab=1.6

（1） 半圆柱体长度l l

（2） 半圆筒长度l l

（4） 半圆筒厚度

m4为散磁延伸到铁芯侧面的假设距离一般取m4=（1-2），本设计中取m4=。

（5） 1/4球体的= 1/4球壳中m5=。

则G=G+2（G21+ G22+ G31+ G32）＋4（G4+G5）则

对于不同的值可分别求出对应的及值。列表如下：

表5-1不同的值对应的及值

5.2计算线圈启动电流及核验反电势

在衔铁打开位置，有工作气隙磁导和漏磁导分成等值磁导

=6.97H

非工作气隙磁导

H

忽略动铁尾部和装置分磁极环极面间的气隙磁导。并忽略导磁体磁阻，则磁系统的总磁导。

启动电流为

I===0.19A

线圈反电动势

E==V=375.66V

反电动势E与电源电压之比=0.99与初步设计时假定的0.98比较接近

5.3计算电磁吸力

5.3.1以电压为1.1U，主触头开距为为例计算电磁吸力F。

忽略漏磁通的影响，此对称支磁路中磁通Ø对称，故先按一半磁路计算。其等效磁路如图5-1所示：

其中，Rm——线圈铁心段的磁组 Rm1——非线圈铁心段的磁组

R—— 铁心磁阻

查气隙钢片磁化曲线得：Hm=50A/cm，Hm1=50A/cm，Hm2=2.8A/cm。

图5-1等效磁路图

气隙磁导：

磁路长度分别为：

=790.8 (安匝)

则此时吸力

=1/2×1/2××9652.1×=150.9(N)

同理，在电压为Ue，0.85Ue时对应于 =0.375、1.5、3、4.5、6、7.5mm时的吸力F的数值分别计算，整理成下表：

表5-2 不同电压不同气隙大小时的吸力值（单位：N）

5.3.2画电磁铁的吸力特性曲线

由表5-2可以画出电磁铁的吸力特性曲线如图1所示

6 温升的校验

温升校验的目的是为了确定所设计参数是否能够达到所要求的基本特性标准，若不能达到要求标准，即实际温升超过最高温升，则参数不能满足要求。前面已经求得1.1Ue条件()时线圈的总磁势为:

IN=790.8安匝,则线圈的激磁电流=790.8/3550=0.223A

忽略线圈电流的损耗分量,激磁电流即为线圈电流,则线圈电阻损耗为

按重复短时工作制校验设计。

已知操作频率为60次/每小时，通电持续率为=40﹪

则每个周期的通电时间s s

故=30s

所以等效发热电阻电流

= =0.24A

铁心的损耗pch:

Pch=pcεa2r2L=5.1×1 ×1.62×10-4×7.8×103×2.1×10-2=2.1w

所以线圈温升 t=(I2 R+Pch)/KT(2a+2b+2П )h

=(0.2232×278.9+2.1)/[10.9(2×1.6+2×2.4+2×3.14×0.96)×2.1×10-4]=35.8oC<50 oC

所以合格

7 结论

在设计的过程中关于电磁机构各部分几何尺寸的计算经常遇到取近似值的情况，这也是设计产生误差的主要原因。但是通过修正等各项措施力求使设计误差最小，基本条件应当保证电磁铁机构能够满足交流接触器的各项特性要求，而且要安全可靠。

参考文献

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本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/5eb664ee551810a6f52486b9.html