CJ124003交流接触器电磁系统设计要点.docx
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CJ124003交流接触器电磁系统设计要点
1概述
接触器是一种通用性很强的自动式开关电器，是电力拖动和自动控制系统中一种重要的低压电器。
它可以频繁地接通和断开交、直流主电路和大容量控制电路。
它具有欠压释放保护和零压保护接触器按通过其触点的电流种类不同可分为交流接触器和直流接触器。
当交流接触器的电磁线圈接通电源时，线圈电流产生磁场，使静铁心产生足以克服弹簧反作用力的吸力，将动铁心向下吸合，使常开主触头和常开辅助触头闭合，常闭辅助触头断开。
主触头将主电路接通，辅助触头则接通或分断与之相联的控制电路。
当接触器线圈断电时，静铁心吸力消失，动铁心在反作用弹簧力的作用下复位，各触头也随之复位•
交流接触器的铁心和衔铁由U型硅钢片叠压而成，防止涡流和过热，铁心上还装有短路环防止震动和噪音。
接触器的触点分主触点和辅助触点，主触点通常有三对，用于通断主电路，辅助触点通常有两开两闭，用在控制电路中起电气自锁和互锁等作用。
当接触器的动静触点分开时，会产生空气放电，即“电弧”，由于电弧的温度高达3000C或更高，
会导致触点被严重烧灼，缩短了电器的寿命，给电气设备的运行安全和人身安全等都造成了极大的威胁，因此，我们必须采取有效方法，尽可能消灭电弧。
CJ12-400/3系列交流接触器主要用于冶金。
轧钢等企业及起重机等电气设备中。
它使用于交流50Hz=额定工作电压至380V。
电流至600A的电力系统中,供远距离接通和分断电路之用，并适宜于频繁地起动。
分断交流电动机之用。
使用环境条件：
安装地点的海拔不超过2000m周围空气温度：
-5C-+40C,24小
时的平均值不超过+35C。
大气相对湿度在周围空气温度为+40E时不超过50%,在较低的温度下可允许有较高相对湿度；安装类别为：
川类。
污染等级：
3级。
安装条件：
安装
面与垂直面倾斜度不大于土5°:
冲击振动：
产品应安装和使用在无显著摇动、冲击和振动的地方。
结构特点：
CJ12系统交流接触器为开启式，其结构为条架平面布置电磁系统居右，主触头居中，辅助触头居左，并装有可转动的停档，整个布置便于监视和维修。
接触器的磁系统由“U'型动静铁心及线圈组成，动静铁心均装有缓冲装置，从而提高了产品寿命。
2产品的反力特性
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%N。
接触器电磁铁的反力特性是指反力F对电磁铁衔铁行程卩的关系。
即F=f（卩）,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。
2.1选取触头参数
主触头的开距为13~16mm,取开距为12mm，超程为7.5~9mm，取为8mm，所以主触头的行程为X=12+8=20mm。
辅助触头开距为7~12mm，取为9mm，超程为3~4.8mm，取为4mm，所以辅助触头的总行程为9+4=13mm。
2.2主触头的反力
为了出头系统吸合可靠，取靠近上线的反力数值
初压力为（5.4~7.5）kg,取FC1=7kg
终压力为（8.1~10）kk，Fc2=9kg
主触头为三级，主触头初压力为Ffcc终压力为Ffzc,所以
Ffcc=3汗C1=21kg，Ffzc=3>Fzc=27kg
2.3辅助触头的反力
此反力和主触头反力存在在杠杆比，需要归算到终接触线处，杠杆比：
K=f/d=0.385
Ffcd=3KFc^0.231kg
Ffzb=3Fzb二0.347kg
其中Fcb,Fzb分别取辅助触头处压力和终压力范围下限Ffcb=0.2,Ffzb=0.3。
2.4释放弹簧的反力
因为反力和触头反力存在杠杆比，归算杠杆比：
K=e/d=0.346
释放弹簧的收缩距离：
X=主触头的总行程Xk=kxx=6.92
闭合后，释放弹簧的终压力
P2二P1KdX=3.67
式中P1=3.2kg.Kd=0.068kg/mm
已知数据：
卩険=R沃K=1.107kg,Ffzs=P2江K=1.27kg
上式中Ffcs，Ffzs为释放弹簧的初反力，终反力。
由以上数据做设计的交流接触器反力特性曲线如下所示：
图2-1交流接触器反力特性曲线
3线圈参数的确定
3.1气隙磁导的计算
3.1.1采用磁导分割法求气隙磁导
采用电磁场分割法可以把一对磁极的磁导分割为5部分，用平均磁导求出，这5部分
的磁导表示为：
（1）平行直角六面体：
Gi・'心
6
（2）半圆柱体：
G2=0.26%I
（3）半空心圆柱体：
g3二％2L（m°
h6
1
（4）—球体：
G4=0.077%：
4
1
（5）丄球：
G5=0.25%m
4
本电磁体的气隙共分为17部分，即中间的六面体、左右前后四个半圆柱体（前后两
1
个等效如前）四个丄球壳在四个边上，则总气隙磁导为17个部分后，即：
4
G"=G14G2G31G32■2G412G422G512G52
3.1.2计算电磁体对磁极的气隙
214n
-2'a=1.10a=49.92
214
214-n
2、a=0.9a=40.61214
m为散磁延伸到铁心侧面的假设距离，一般取m=（1~2）「•本设计中取
=g=ma1=a1=49.92mm
由于衔铁内侧高度为m•g-b=60•44-85=19mm：
：
：
匕2，所以ma2二19mm，
ma1ma2小小
ma
—一=34.46mm
2
以上分析为-6mm，大气隙的情况，当「•小时可忽略。
2、由此求出
3.1.3各对磁极的总磁导
1、总磁导的计算
2、气隙磁导的计算
--1.5029780
对于不同的L值，分别求出对应的AGB及其磁导数值，列表如下:
表3-1不同的L值时的磁导数值
L
22
18
13.5
8
3.57
0.05
GWA<10^
2.30
2.213275
2.465697
3.04140
4.191905
238.044
GWBXOJ
2.43995
2.472962
2.780431
4.01839
6.701812
390.5465
DG送A口
工10十
15.29788
22.986431
40.14832
107.41703
489.7683
229642.39
DG瓦B二
沁10斗dd
40.98830
58.891962
102.95752
274.27669
1288.4254
6230013.8
3、铁心中防剩磁气隙磁导的计算:
设计用去磁间隙■■:
=2mm,铁心截面积SC
防剩磁气隙磁导为:
3.2设计点的选择
Ff0=B/2X22.5/15=17.25
为确保可靠吸合，吸力应大于反力，取安全系数K=1.1，吸力值
F0=KFf0=1.1X17.25=18.975kg
3.3比设计点的选择
由于磁铁是转动式的，故在衔铁吸合释放时，两个气隙大小的距离不同，因而折算的
kTg：
）2i齐1k2
2F0dG
'广Ga2d、AK1"b-2x_dG_£xK2=1.213X10°dg
最大值m1.21310’、2=1.71510；
3.4线圈匝数的确定
由以上知：
Sc=A2KCq=d/N=1（d=N）KC=0.93a=44mm
SC=0.9310.044^1.8110-3（cm）
磁密：
Bm=—二於啤779一1更胡逊心二1.6996
Sc1.8"01.74323X0
G二GaGB=3.213.81=1,743pt
6Ga+Gb3.21+3.81
Bcm=Bm'=0.791.6996=1.35
N』981砲-583匝，「一4
4.44fBcmSc血xd
取匝数N=600。
由于该接触器的导磁体尺寸已知，而且采用原线圈框架厚度为4mm左右，上下间隙
为2mm左右，则线圈的高度：
h=60~（2>4+2M）=48mm
取线圈厚度初步设计值厶二na
N=（0.5~0.8），取n=0.6贝U
."■：
二na=1.644二26.4
（4KtcxhxA=1.159
其中心"5取线圈标准直径1.16mm线圈的平均长度.=2a，2b•厶二=258.8910”,取.=50C，贝U90C时为嘉0c=2.2410启
故R90：
H3门
4分磁环尺寸的确定以及有关参数计算
加装它可以防止衔铁在吸合位置处发生震动，设计师主要是确定尺寸材料，从而对吸力是否满要求进行验算。
4.1尺寸计算
取槽宽t=1.5mm,则磁极面积S=S1+S2=a（b~2<1.6）=1795.2,比值系数r2表示分磁环内面积与总面积之比：
r2=S2/（S1+S2）=（0.7~0.85本设计取0.8，所以
S2=r2s=0.8K084=1436.2mm2s1=s~s2=359mm2
分磁环电阻可以求出：
RdW（s1s2）%
和
式中Rd=0.3为综合参数，其最佳范围为0.2~0.4,Sp=0.04~0.05mm衔铁闭合时候的工作气隙，这里取0.05mm，取分磁环宽ad=1.5mmad分磁环平均匝长为
ld=2（a鱼）二ad=2（441436.2）1.53.14=157.99mm
a44
分磁环截面积
rd
式中八‘0[1比能（如]=50C,=710”,/m）,A.广0.015（1/C）
二P=7><10」x（1+0.015X90）=7.945^10」
分磁环厚度为bd瓷二鲁静皿亦由此可取槽深为2.5mm
4.2验算
主要是验算在0.82情况下，铁心能够可靠的吸合即Fmin>Fmax，即可
0.8380
4.4450600
=2.28210'（wb）m二cm=2.28210"
73=11.09x10°
4二10口35910
rd4.2510’
=7.3910*
『爲二挣2.7—C
为爲1和'm2的相角差，由此和求
乙，Z2及Z二Z「Z2,做出等效电路图:
1
RS2
RS1
JL
ICLm2
图4-2等效电路图
4
乙二R」=11.09104
7.510
Z2二R、2jx2二R.2jR-2tg'「=2.77104
Z=Z1Z2=13.86104J7.5104
_32
=357.45
（1.606汉10）
4"0S2
44二10^1436.210亠
Fmin二F〕.1F〕.2-F：
.12F〕.222F〕.1F].2COS2-=421.46（N）
将此力折算到触头接触处:
Fmin1=214Fmin/104=214421.46/104=867.24
Fmax=Ffzb=Ffzc=Ffzs=（32.10.4691.713）9.8=337.91
Fmin1-Fmax，合格，即当U=0.85ue时能可靠的吸合。
5产品电磁系统的结构草图
此交流接触器采用双U型铁心
a
图5-2铁心柱截面
y=2.5
其中：
a=148b=85c=0.2d=44c=40h=128g=44m=60n=44x=1.5z=1.97p=26.4
（单位：
mm）
6验算设计的合理性
6.1电磁吸力和吸力特性的计算
1、以电压为0.85ue,主触头开距
=8mm为例计算。
取Ke=0.99
cm
FV
KeUe0.85
4.44fN
cm
0.99380叽2.42310；
4.4450600
竺土十2610」
1.6996
1.42610’
1.414「.008汩
GV戶A©I
dGA
1‘、丫
2'Gb
dGb
d、b
K2二276.4（N）
276.4=1.19>K=1.1
Ff023.699.8
满足吸力要求。
2、验算Ke的取值是否正确对磁路进行分段计算，将磁路分为相等的三段，每段长为
41/3mm,设
其中为前面所求的值,
普“41。
33105
求各段磁路的磁压降：
其中L1为41/310^m磁路图如下
图6-1磁路图
_4
i=i+,i=1.00810’2.3610=1.24410’
B1
3
1.24410
2-6
442106
-0.643,
H1=234（A/m）由磁化曲线查得
2X234X41x14
2H1L16.396
3
5汉41
Umcd=Umad2H』1-fmL1=5805.796.396-1.41=3884.741
310-
.r3884.74汇29.75"0-6汉41汉10-3
=Umad'L2
=1.58810
-4
2二1.2-1.24410-31.58810-4=1.40210-3
亠竿士=0.724
S4410-
2H2L2:
3
22774110-c
7.58
3
2
53
3884.747.58-1.4103104110
Umef=Umcd2H2L2-FmL2=-
3
=1964.839
■6・3
1964.8392.975104110
=7.99110
3=23=1.48210-3
3
1.48210
2〒二0.765
4410-
3
229941何=8.187
H3=299（A/m），查磁化曲线得2H3L
HCLC=H3LC=2998410-3=25,16
IN=HxLx+2H1L1+2H2L2+2H3L3+HcLc+5853.11
g6
IN与IN1的相对误差为
EffU2-（IR）2=£3802-（9.7553.467）^378.55（V）
E378.55
KE10.996
U380
由以上计算可知KE1与所选KE=0.99误差不大，满足要求，对不同气隙时的磁路可
以通过以上类似的方法，求得：
即：
根据一1烤，求出不同气隙时对应的他再由
0^.血w
m=4和求出不同气隙时所对应的二值，然后带入吸力公式
九<2
表6-1不同气隙时的吸力值
5（mm）
22
18
13.5
8
3.57
0.05
F（0.85Ue）
90.83
106.13
167.93
323.64
894.27
2707.15
F（Ue）
125.72
146.89
P232.43
447.94
1237.74
3804.29
F（1.1Ue）
125.12
177.74
281.25
542.01
1497.67
4600.77
6.2温升校验
线圈温升再1.1Ue下进行，因此温度要求在其他电压下也能满足要求。
1、在打开位置时，已知GJA，GJB,G：
，Ggr和Gz
L二N2Gz二6002
GzGgr（1.176E-7）（1.2196E-7）（2.3957E-7）（H）
（2.3957E-7）=8.624E-2
由此可知Z=R•jX1=3.467-j27.093
Z=27.315
启动电流
lg=1.1Ue/Z=1.1x380/27.315=15.303（A）
2、在衔铁闭合时
忽略漏磁，但计较磁阻和分磁环磁阻，确保保护电路的计算用温升等值电路如下:
Sen邑s匸日個nohl
SeriesRLC目佔门oh2
SeriesRLCBranch?
da
图6-1计算用温升等值电路
此时cm=1.1UeKe/4.44Fn=1.13800.99/4.4450600=3.107E-3（Wd）
考虑衔铁打开位置时，线圈反电动势E与电源额定电压Un的比值Kn=0.75~0.96
此时Kn=0.95，
Bcm=cm/Sc=0.95（3.107E-3）/Sc=1.525（T）
因而可查磁化曲线得Hcm=1700（A/m）
Bxm二cm/'x=（3.107E-3）/2E-3=1.554（T）
所以Hxm=1800（A/m）
由此可求出：
IN=1/.2HmL=1/,2（HcLcH丄x）
=1/..2（17002101800147）（1E-3）
-625（安匝）
总磁阻Rm二.2（IN）/—cm2625/（3.107^3）=2.85E5（1/H）
工作气隙磁阻/%S=（0・2E—3）/[4二*（1E—7）442（1E-6）]=8.225E4
八（1/H）
分磁环等效磁阻为
Z1仁Z1XZ2/（Z1+Z2）=5.066E+4（1/H）
故总的等效磁阻为
Z二RmR）R.Z11=4.85E-5（1/H）
其中R=1/G、.=（GAGB）/GAGB=6.76E4（1/H）
故可求
（IN）二cmZ/.2=1066.63（安匝）
3、计算温升
按重复短时工作制校验温升，已知操作频率60次/小时，通电持续率40%每个周期的
通电时间T1=3600X40%/60X2=12（s）,T2=1~TD%/TD%T1=18（S）
故
T=t1+t2=30（s）
启动电流Iq与保护电流Io之比K1=lq/I°=15.303/1.78=8.597
等效发热电阻率
IR=1。
..[1/3to（KC2KC-2）t1]/T=1.78.[1/30.1（8.528.5-2）T2]/30
-1.24（A）
Bc=Bcm/2=1.525/、2=1.08（T）
Pc=2.81W/Kg（单位铁损，查得）
FCh=FCa2rcL=2.8110.04427.810341（1E-3）/3=1.74（W）
式中.-1re=7.8103kg/m
线圈散热面积S
S（2a2b2-）h=（277277222）41（1E-6）=0.01546m2
取•=50C，贝U散热系数为
KT=9.3（10.0059）=9.3（10.005950）=12.00
线圈温升
.（IR2RPdl）/KTS=（1.2423.4671.74）/120.01546=38.12C
亍」】[Ham（.g）]=1.62（1E一8）[10.00425（22.4740）]=2.159（1E-8）（门/m）其中“=40C
r40c^4；?
lpjN/~d-（42.159（1E-8）245.12（1E-3）600）/31.162（1E-6）=3.618（"）
KT=9.3（10.005938.12）=11.392
则1（TR2RPdl）/KTS二[（1.24）23.6181.74]/11.3920.01546=47.467
因而满足温升技术指标合格。
7结论
通过已知的铁芯参数等计算并画出该接触器的反力特性，并据此确定设计点。
分析磁路，通过等效磁路计算电磁机构的磁导，进一步计算线圈匝数、厚度。
继而计算出分磁环的尺寸并进行验算。
由此可得出系统的结构草图。
最后验算设计的合理性，计算吸力特性并校验温升，通过反复验算，修改参数，最终设计出符合电气设备要求的接触器。
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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