Проектирование бесконтактного магнитного реле
2.2. Выбор материала магнитопровода
Материал магнитопровода: 79HM
2.2.1. Толщина ленты магнитопровода:
(2)
0.096
2.2.2. Из промышленного ряда толщин выбираем = 0.05 мм.
По табл. 7.1 [2] задаемся способом изготовления сердечника: ленточный торроидальный из железоникелевых сплавов; вид изоляции – накатывание.
Коэффициент заполнения стали: kc =0.85
2.2.3. По динамической кривой размагничивания (приложение1) определяем координаты точек M и N.
2.2.4. Амплитудное значение магнитной индукции:
0.66 (3)
2.2.5 Коэффициент, учитывающий неполное насыщение сердечников в номинальном режиме:
(4)
0.871
2.3. Определение размеров сердечника и предварительный расчет обмоток
2.3.1 Задаемся необходимыми параметрами и определяем Г1.
= 60
р = 0.85 0.9 — относительная площадь рабочей обмотки
р = 1 — относительная длина витков рабочей обмотки.
кmp = 0.30.4 — коэффициент заполнения по меди рабочей обмотки.
кт = 10 Вт/(м * 0С) - коэффициент теплоотдачи катушки;
кс = 0.85 - коэффициент заполнения по стали;
=1 - коэффициент полезного действия рабочей цепи.
Кфр =1.11 – коэффициент формы рабочего тока
(5)
Т. к. для данной частоты (400 Гц) Г1>0.4 то расчет ведем следующим образом:
2.3.2. Уточняем параметры kт и .
(6)
Вт/(м * 0С)
(7)
2.3.3. Рассчитываем второе приближение фактора Г1.
(8)
2.3.4.Предварительный расчет показал, что для размещения обмоток требуется сердечник с Г1 = 4.51.
d = 28 mm - внутренний диаметр тора;
D = 40 mm - внешний диаметр тора;
b = 10 mm - высота тора;
s = 0.6 cm2 - поперечное сечение магнитопровода;
lc = 10.7 cm - средняя длина магнитной линии;
lМ = 5.28 cm - средняя длина всей обмотки.
2.3.5. Пересчитываем и kт.
Вт/(м * 0С)
Определение неизвестных из ряда электрических параметров нагрузки:
(9)
В
(10)
В
(11)
В
(12)
А
2.5. Расчет параметров рабочей цепи БМР
2.5.1. Число витков рабочей обмотки:
(13)
(витков)
Выбираем вентиль рабочей цепи по среднему значению тока вентилей:
Iвср = IHN / 2 = 0.183 / 2 = 0.091 A (14)
Uвобр = Em = E / 2 = 174.617 / 2 = 274 B (15)
Диод 2Д254Г. Параметры:
Iпр.max = 0.1 А; Iобр.max = 0.5 мкА;
Uпр = 1 В; Uобр = 300 B.
Rво = Uво /Iво = 300/(0.510-6) = 6108 (Ом) (16)
Rвпр = Uвпр /Iвпр = 1/ 0.1 = 10 (Ом) (17)
Hво = Iво Wp /lc = 0.510-63000/(10.710-2) = 0.015 (A/м) (18)
Проверяем выполнение условия:
(HN - HM) >> Hво (19)
(3.2-1.42) >> 0.015; 1.78 >> 0.015
2.6. Расчет коэффициента внешней ОС
2.6.1. Определяем критический коэффициент обратной связи, при котором работа усилителя переходит в релейный режим:
(20)
Ом
Наибольший наклон ДКР на линейном участке:
=0.494
(21)
где Sc = kc*S =
2477Гн
(22)
2.6.2. Задаемся превышением над : n = 3
2.6.3. Определяем коэффициент внешней ОС:
2.7. Расчет параметров цепи ОС
Способ осуществления ОС – по напряжению. Исходя из этого, коэффициент, учитывающий влияние цепочки из ограничивающего и подстроечного резисторов на ток обратной связи, = 0.01 0.001. Зададимся = 0.001.
(23)
410 (витков)
Для обеспечения регулирования глубины ОС витки берутся с запасом = 1.5 (2476 витков).
Выполняются отпайки от витков, которым соответствуют = 1, = 1/1.5, т.е. от 2476-го и 1465-го витков соответственно.
2.8. Расчет параметров цепи входного сигнала
2.8.1. Определяем число витков входной обмотки.
(24)
A
(25)
= 1905 (витков)
2.8.2. Реальное число витков берется с запасом = 1.3 (2476 виток).
Выполняются отпайки от витков, которым соответствуют = 1,
= 1/1.3, т.е. от 1905-го и 1465-го витков соответственно.
2.9. Расчет обмотки смещения
2.9.1. Определяем напряженность переключения.
(26)
= 3.56 А/м
2.9.2. Напряженность срабатывания реле:
(27)
= 7.12А/м
Т.к.КВ1 ,то БМР с нормально отключенными контактами (НО), Hвх.сраб0.
Учтем влияние ОС.
(28)
= 14.288 В
(29)
А
(30)
0.7131 А/м (31)
2.9.4. Определяем напряженность смещения.
(32)
–11.051 А/м
2.9.5. Задаемся током смещения: Iсм = 4
2.9.5 Число витков обмотки смещения
(33)
= –296 ( витка )
2.9.5 Входное сопротивление:
(34)
= 2500 Ом
2.9.5 Полное сопротивление цепи смещения:
(35)
6020 Ом
2.10. Расчет диаметров проводов обмоток
2.10.1 Задаем внутренний диаметр тора после помещения сердечника в каркас, намотки всех обмоток, внешней изоляции и пропитки.
d0 = (0.3 0.5)d = 0.50.028 = 0.014 ( м )
2.10.2. Площадь обмоточного окна:
(36)
2.10.3. Внешний диаметр сердечника с обмотками:
(37)
= 0.047
Т.к. основная площадь обмоточного окна занята рабочей обмоткой, то коэффициент заполнения по меди
kм = kмр = 0.4
S0 = 4.4 d lm = 4.4 0.028 0.053 = 0.006505 ( м 2 )
2.10.5. Допустимая плотность тока в обмотках:
(38)
2.10.6. Рассчитываем площади сечений проводов для каждой из обмоток БМР:
2.10.7. Выбираем провода марки ПЭВ-2. Данные проводов для каждой обмотки приведены в табл. 1.
Данные выбранных проводов
Таблица 1
Обмотка |
I, A |
|||||
рабочая |
0.203 |
0.03973 |
0.05627 |
0.27 |
0.32 |
|
входная |
0.00196 |
0.05 |
0.07 |
|||
обратной связи |
0.00196 |
0.05 |
0.07 |
|||
смещения |
0.004 |
0.00196 |
0.05 |
0.07 |
2.11. Конструктивный расчет БМР
2.11.1. Рассчитываем геометрические параметры каркаса.
Т.к. d = 36 мм 20 мм то “толщина” каркаса: k = 110 -3 м
dk = d - 2k = 0.028 – 0.002 = 0.026 ( м ) (39)
Dk = D + 2k = 0.040 + 0.002 = 0.042 ( м ) (40)
bk = b + 2k = 0.001+ 0.002 = 0.003 ( м ) (41)
Площадь окна, занимаемого каркасом:
(42)
Выбор изоляции.
Изоляция для катушки и между обмотками: пленка из фторопласта-4
(толщина 0.04 мм, пробивное напряжение – 4000 В)
Наружная изоляция:
– Стеклоткань ЛСК-7 (толщина 0.11 мм, пробивное напряжение– 1800 В)
2.11.3. Расчет обмоточного пространства, занимаемого в катушке каждой обмоткой.
Коэффициент намотки:
(43)
ky = 0.8 – коэффициент укладки;
dм – диаметр провода для изоляции;
dи – диаметр провода с изоляцией.
Для рабочей обмотки:
Для остальных обмоток:
Обмоточное пространство, занимаемое в катушке каждой обмоткой:
(44)
2.11.4. Расчет диаметров после намотки каждой обмотки.
Рассчитываем внутренние диаметры после намотки каждой обмотки. Первой наматывается рабочая обмотка, затем входная, обратной связи и смещения в указанном порядке.
(45)
где (i-1) - индекс обмотки, предшествующей данной, обозначенной (i); для первой рабочей обмотки размеру с индексом (i-1) соответствует
2.11.5. Определяем внешние диаметры после намотки каждой обмотки:
(46)
Подсчитываем высоту каждой из обмоток bi.
Рабочие обмотки наматываются отдельно на каждый тор.
(47)
0.02183 м
Остальные обмотки наматываются совместно, т.е. на два сердечника.
Высота входной обмотки:
(48)
0.04413 м
Высоты обмоток обратной связи и смещения.
(49)
= 0.044297 м
= 0.04458 м
Полученные значения и являются истинными :
2.11.7 Определяем среднюю длину витка каждой обмотки.
Средняя длина витка для рабочей обмотки:
(50)
= 0.05966 м
Средняя длина витка для входной обмотки:
(51)
= 0.12392 м
Средние длины витков обмоток обратной связи и смещения:
(52)
= 0.12519 м
= 0.126091 м
2.11.8 Определяем поверхность охлаждения устройства:
(53)
Уточняем диаметр провода входной обмотки.
(54)
Сечение выбранного провода больше уточненного сечения
Выбираем намоточные станки.
Данные выбранных станков
Таблица 2
-
b, мм
d, мм
Станок
21.8 12.2 0.32 CНТ-10 44.1 11.57 0.07 СНТ-8 44.2 11.3 0.07 СНТ-8 44.5 11.03 0.07 СНТ-8
2.12. Температурный расчет БМР
2.12.1. Определяем потери в стали.
(55)
где (56)
Вт
Определяем потери в меди.
Для этого находим сопротивления обмоток.
(57)
Суммарные потери в меди:
(58)
Iimax - максимальный ток в i-ой обмотке.
3.1
2.12.3. Запас по температуре перегрева:
зап = доп - пер (59)
где пер = ( Рм + Рс ) / ( kтS0 ) (60)
пер = (3.1+0.002 ) / (14.7*0.01) = 20.8
зап = 60 – 20.8 = 39.182
2.13. Уточнение параметров БМР
2.13.1. Уточняем :
(61)
2.13.2. Уточняем ЭДС питания:
(62)
174.617 В
Ток холостого хода:
(63)
А
2.14. Построение характеристики управления БМР
2.14.1. ДКР, записанная в координатах В=В( Н ) переводится в координаты Uн=Uн( Н ) c помощью выражения:
(64)
Полученные данные приведены в табл. 3.
Таблица 3
-
H, A/м
B, Тл
Uн, В
–3 1.230 23.46 –2.72 1 38.1 –2.5 0.883 52.02 –2.2 0.7 73.82 –2 0.57 89.29 –1.68 0.4 109.5 –1.5 0.337 117.0 –1.25 0.278 124.06 –1 0.24 128.58 –0.672 0.207 132.5 0 0.17 136.9
Строится характеристика обратной связи:
( 65 )
где
A/м
По полученным кривым и известной напряженности смещения строим зависимость Uн = Uн(Нвх), где Нвх определяется:
( 66 )
2.14.3. Осуществляется переход на оси абсцисс от переменной Hвх к переменной Iвх по формуле:
( 67 )
2.15. Определение параметров БМР.
2.15.1. Уточняем токи срабатывания и отпускания.
Ток срабатывания Iвх.ср=0.4 ( mА )
Ток отпускания Iвх.отп=0.2 ( mA )
Минимальное и номинальное напряжения на нагрузке:
UHN = 136.9 В; UHM = 14.28 В;
2.15.3. Коэффициент возврата:
( 68 )
Iвхn= | Iвх.ср – Iвх.отп | = 0.4-0.2 = 0.2 ( mA ) ( 69 )
Pвх.ср=I 2вх.срRвх=( 0.0004 )2 2500 = ( Вт)
Pвх.отп = I 2вх.отпRвх=( 0.0002 )2 2500 = ( Вт)
Pвх.п = I 2вх.пRвх=( 0.0002 )2 2500 = ( Вт)
PHN = UHN 2 /RH = 136.9 2 / 750 = 25 ( Вт )
2.15.4. Временные параметры реле БМР с НО:
( 73 )
где Kз = 1.5;
Bm = Bm/2 = 1.247 / 2 = 0.623 Тл;
Bs = Bmax/2 = 1.32 / 2 = 0.66 Тл;
=Bm / Bs = 1.3/1.4 = 0.9;
;
= 0.152 c