Автоматизированное проектирование передаточного механизма
Не вызывает сомнения актуальность решения задач обоснованного выбора кинематических схем и алгоритмизация расчета механических характеристик при автоматизированном проектировании ЭА. Анализ конструкций существующих в настоящее время ЭА позволяет систематизировать их кинематические схемы, выявить характеризующие их параметры и критерии, назначить весовые коэффициенты по каждой схеме и каждому параметру/критерию.
Выбор кинематической схемы
Большое количество типов коммутационных аппаратов с электромагнитным приводом (ЭМА), их отличие по роду и величине тока, числу и виду коммутирующих контактов, по условиям эксплуатации определяет использование различных кинематических схем при проектировании.
Правильный выбор кинематической схемы во многом определяет высокую надежность, малые габариты и стоимость, простоту обслуживания, возможность создания различных исполнений и другие важнейшие показатели и характеристики ЭМА.
Анализ литературных данных [43,44,94,152,232,250,251,256,278,282] позволяет следующим образом классифицировать используемые в настоящее время кинематические схемы ЭМА:
1.Механизмы с жесткой связью якоря с подвижными контактами (рис.9.1)
1.1. Механизмы с поворотными звеньями (см.рис.9.1 поз.1-5).
1.1.1. Односторонние двухзвенные (см.рис.9.1 поз.1-3).
1.1.2. Двухсторонние двухзвенные (см.рис.9.1 поз.4,5):
а) неуравновешенные (см.рис.9.1 поз.4);
б) уравновешенные (см.рис.9.1 поз.5).
1.2. Механизмы с прямоходовыми звеньями (см.рис.9.1 поз.6-11).
1.2.1. Горизонтального движения (см.рис.9.1 поз.6,7):
а) с внутренним якорем (см.рис.9.1 поз.6);
б) с внешним якорем (см.рис.9.1 поз.7).
1.2.2. Вертикального движения (см.рис.9.1 поз.8-11):
а) с внутренним якорем (см.рис.9.1 поз.8,9);
б) с внешним якорем (см.рис.9.1 поз.10,11).
2.Механизмы без жесткой связи якоря с подвижными контактами (см. рис.9.1)
2.1. Горизонтально движущиеся контакты и якорь, соединенные поворотным рычагом (см.рис.9.1 поз.12).
2.2. Горизонтально движущиеся контакты и вертикально движущийся якорь, соединенные поворотным рычагом (см.рис.9.1 поз.13).
2.3. Горизонтально движущиеся контакты и движущийся в вертикальной плоскости поворотный якорь (см.рис.9.1 поз.14).
2.4. Вертикально движущиеся контакты и движущийся в горизонтальной плоскости поворотный якорь (см.рис.9.1 поз.15).
2.5. Вертикально движущиеся контакты и горизонтально движущийся якорь, соединенные поворотным рычагом (см.рис.9.1 поз.16).
2.6. Вертикально движущиеся контакты и движущийся в вертикальной плоскости поворотный якорь (см.рис.9.1 поз.17).
2.7. Пальцевые поворотные контакты, движущиеся в вертикальной плоскости и горизонтально движущийся якорь (см.рис.9.1 поз.18).
Выбор типа кинематической схемы определяется в основном назначением (типом) аппарата и его электромагнитного привода, долговечностью, величиной занимаемой площади на панели или щите, габаритами и стоимостью аппарата, простотой его обслуживания и регулировки, возможностью создания типоисполнений, износом рабочих поверхностей якоря и сердечника, наличием или отсутствием вибрации контактов при включении [232].
Простые жесткие связи якоря с подвижными контактами (см.рис.9.1 поз. 1-11) обеспечивают малые габариты, простоту конструкции и низкую стоимость аппарата, однако не всегда обеспечивают заданный срок службы [282]. Простые связи осуществимы при однородном движении якоря и подвижных контактов, например, при прямоходовом (см.рис.9.1 поз.6-11), если сердечник электромагнита и неподвижные контакты расположены в параллельных плоскостях или пресекающихся по оси вращения подвижной системы (см.рис.9.1 поз.1-5). Во всех других случаях, когда сочетается прямоходовое движение с поворотным и плоскости сердечника и неподвижных контактов не лежат в параллельных плоскостях или не пересекаются по оси вращения, связь между якорем и подвижными контактами должна осуществляться через дополнительное звено или группу звеньев. Имеется несколько вариантов исполнения контакторов с прямоходовой подвижной системой (см.рис.9.1 поз.8-11):
между неподвижными контактами и сердечником расположен якорь, а связанные с ним жестко узлы подвижных контактов находятся с внешней стороны (см.рис.4.3 поз.8). Если в рабочем положении плоскость А (см.рис.9.1 поз. 8) вертикальна, а подвижные контакты каждого полюса находятся один над другим, то ход подвижной системы будет горизонтальным; при этом можно обеспечить легкий доступ к контактам, требующим наблюдения и замены при эксплуатации, широкое применение пластмассы в качестве конструкционного и изоляционного материала и надежное закрытие изоляцией токоведущих деталей, малую монтажную площадь, вертикальное расположение торцов магнитопровода и плоскостей контактов.
Недостатками схемы (рис.9.1 поз.8) являются: 1) недопустимость применения во влажных и запыленных помещениях (сложный рельеф пластмассовых деталей); 2) ограниченная возможность создания различных исполнений и модификаций; 3) трудность проектирования на большие токи, так как сила веса подвижной системы, направленная на одну из сторон направляющих, приводит к недопустимо большому износу опоры; 4) сложность обеспечения высокой электрической износостойкости и стойкости против сваривания (особенно на большие токи); 5) трудность регулировки раствора и провала.
В схеме (рис.9.1 поз.9) связь подвижного контакта с якорем осуществляется через контактную пружину, имеющую предварительное сжатие, превышающее вес контакта, и нарушается после того как при движении на включение подвижные контакты соприкоснутся с неподвижными. Преимущество такой связи в том, что ни контакту, ни его пружине не передаются колебания якоря относительно сердечника при включении.
Большое количество аппаратов с прямоходовым движением и жесткой связью подвижных контактов с якорем электромагнита имеет внешне расположенный якорь с подвижными контактами, расположенными между сердечником и неподвижными контактами, схема (см.рис.9.1 поз.10) [250]. При этом обычно плоскости соприкосновения якоря с сердечником и полюсов контактов горизонтальны, ход подвижной системы вертикален, а неподвижные контакты каждого полюса расположены один перед другим. При такой компоновке легко обеспечить осмотр конструкции, быструю сборку и разборку, свободный доступ к катушке, магнитопроводу и передним контактам. Кроме того в таких аппаратах легко осуществить комбинирование замыкающих и размыкающих контактов и жесткую связь с якорем размыкающих контактов, нарушаемую после соприкосновения контактов, как в схеме (см.рис.9.1 поз.9). Схема (см.рис.9.1 поз.10) обеспечивает высокую механическую износостойкость, если в местах трения применять паря металл-пластмасса. Так как сила веса подвижной системы совпадает с направлением ее движения, износ направляющих движения незначителен, что позволяет делать аппараты на большие токи с большой массой подвижной системы.
Аппараты с подвижной системой поворотного типа с жесткой связью якоря с электромагнитом через вал с подвижными контактами (см.рис.9.1 поз. 1-5) допускают применение медных контактов рычажного типа с однократным разрывом и надежных дугогасительных систем, рассчитанных на гашение дуги большой мощности [43,94,252,256]. При поворотном движении легко обеспечить высокую механическую износостойкость трущихся частей, применяя подшипники скольжения или призмы, а также подвижную систему, у которой реакция удара не передается на ось Возможность размещения на разных расстояниях от оси вращения контактов и электромагнита может быть использована для снижения вибрации контактов или снижения расклепа торцов магнитопровода при включении, а также для согласования характеристик.
Аппарат, в котором полюса главной цепи и электромагнит расположены вдоль оси вращения, дает возможность монтировать его на плите или рейке, применять блочную сборку с вариациями исполнений и модификаций по числу полюсов главной цепи, числу замыкающих и размыкающих главных и блокировочных контактов, применению различных защитных устройств, спаренных полюсов и электромагнитов, различных дугогасительных систем [278]. Поворотное движение одинаково применимо к аппаратам на малые и большие токи, так как позволяет значительно снизить влияние веса подвижной системы на характеристику моментов сопротивления за счет размещения центра тяжести на небольшом расстоянии от оси вращения [251]. Возможность регулировки раствора, провала и нажатия контактов позволяет уменьшить разброс характеристик моментов сопротивления и снизить запас избыточного движущего момента, может увеличить износостойкость аппарата и сократить габариты электромагнита
Однако, при поворотном движении якоря электромагнита трудно обеспечить совпадение плоскостей торцов якоря и сердечника, соударяющихся при включении [44]. Наличие перекосов, неизбежных в производстве, приводит к местному износу кромок торцов якоря и сердечника в результате чего увеличивается фактический зазор между якорем и сердечником во включенном положении, появляется гудение магнитной системы, уменьшается сила электромагнитного притяжения. Случаи перекоса в электромагните, стержни которого установлены на разных расстояниях от оси вращения, особенно опасны и приводят к предварительному соприкосновению наиболее удаленных от оси вращения стержней. При этом скорость соударения и местный износ наибольшие. Для устранения этих недостатков в аппаратах наряду с применением амортизаторов на сердечнике или якоре используют устройства, устраняющие эти перекосы [282]. Большое число способов, уменьшающих местный расклеп торцов магнитопровода, можно свести к трем основным: обеспечение плоскостного касания при регулировке аппарата на заводе-изготовителе, самоустановка плоскостного касания при каждом включении аппарата, самоустановка после первого включения аппарата. Предпочтение следует отдавать первому и третьему способам. Недостатками подобной компановки являются большие габариты аппарата, которые можно сократить, если электромагнит разместить в плоскости вращения главных контактов. При такой компановке теряется возможность изменения линейной скорости движения контактов или подбора оптимальной характеристики электромагнита путем изменения соотношения плеч от оси вращения до контактов и электромагнита.
Аппараты без жесткой связи между узлами подвижного контакта и якоря применяются в тех случаях, когда характеристики аппарата или его габариты не обеспечиваются при жестких связях:
1. Для снижения первичной вибрации контактов при включении в аппаратах с прямоходовой системой вводят дополнительное звено (см.рис.9.1 поз.16), позволяющее снизить скорость включения контактов уменьшением плеча контактного рычага t2 относительно плеча рычага электромагнита t1. Дополнительное звено позволяет размещать контакты под любым углом к плоскости касания якоря и сердечника. Размещение плоскости касания контактов перпендикулярно плоскости касания якоря с сердечником позволяет устранить вторичную вибрацию контактов, так как удары якоря в этом случае вызывают реакции, направленные на притирание контактов, а не на их отброс. Для этих же целей в контакторах с поворотной подвижной системой применяют прямоходовые подвижные контакты мостикового типа, соединяя их с якоре через шарнир, (см.рис.9.1 поз.15).
2. При необходимости обеспечения надежной коммутационной способности и при трудностях, связанных с обеспечением соплоскостности якоря и сердечника при поворотном движении, применяют контакты с поворотным движением подвижного контакта и электромагнит с прямоходовым движением якоря, соединяя их через шарнирное звено (см.рис.9.1 поз.18).
3. Аппараты малых габаритов могут быть созданы путем применения сложной кинематической связи подвижных контактов с якорем электромагнита, позволяющей путем введения звена или нескольких звеньев наиболее компактно размещать электромагнит относительно контактов, контакторы “Эроу Харт” имеют схему (см.рис.9.1 поз.17) [282].
4. В некоторых случаях аппаратам необходимо придавать специальные свойства, которые могут быть обеспечены применением определенной кинематической схемы. “Шплиндлер Дайслер” Германия выпускает серию контакто-ров DSL, которые могут быть легко разобраны, собраны и отремонтированы. Здесь применяются винтовые соединения только для создания неподвижного электрического контакта [282].
В контакторах с вакуумными дугогасительными камерами кинематическая связь подвижных контактов с якорем электромагнита отличается от связей в воздушных контакторах тем, что включенное положение контакта обеспечивается атмосферным давлением, а отключенное – пружиной [278]. Якорь передающий давление пружины на контакт в отключенном положении, при включении сжимает пружину, освобождая путь подвижному контакту на включение. Ход якоря превышает ход контакта на провал, который обычно выбирается равным не более раствора контактов. Благодаря высоким диэлектрическим свойствам вакуума раствор контактов при напряжении 660 В может быть равен 0,127 мм [10]. Поэтому ход якоря электромагнита в вакуумном контакторе всегда существенно меньше хода якоря электромагнита в воздушном контакторе, что говорит об экономичности применения электромагнитов постоянного тока.
Вакуумная дугогасительная камера имеет контакт прямоходового типа, поэтому рекомендуется [278] для нее применение электромагнита с прямоходовым движением якоря. Для устранения вредных последствий от крутильных колебаний рейки возможно, например, применение конструкции электромагнита с расположением рейки между скобой и катушкой (см.рис.4.3 поз.19). Плечо В действия удара на рейку уменьшено, кроме этого уменьшены потоки рассеяния за счет увеличения размера А.
Приведенные выше результаты исследований позволяют сформировать таблицу 9.1, в которой в качестве столбцов представлены типы кинематических схем, с нумерацией, соответствующей схемам (см.рис.9.1), а в качестве строк – параметры, определяющие выбор той или иной схемы. Способ заполнения клеток таблицы такой же как и предыдущих аналогичных таблиц.
В качестве примера рассмотрим задачу выбора схемы магнитного пускателя, имеющего электромагнит с внедряющимся прямоходовым якорем и обладающего высокой надежностью, минимальными габаритами и стоимостью, возможностью создания различных исполнений. В результате поиска рекомендуется схема (см.рис.9.1 поз.12) с горизонтально движущимися контактами, соединенными поворотным рычагом.
Рис. 9.1. Кинематические схемы ЭМА