Герконовое реле

Герконовое реле

Герконовое реле

1.      Введение: Общие сведения о герконах и реле на герконах

Контакты обычных электромагнитных реле, находясь в окружающей среде, подвергаются ее вредному воздействию. Они загрязняются пылью, парами металлов, окисляются, подвергаются воздействию агрессивных газов, вредных паров и т.д. Это приводит к снижению надежности и износостойкости контактов. Для решения этой проблемы можно применять бесконтактные аппараты, но они имеют большие габариты и большую стоимость, плохо контактируют.

Недостатки контактов существенно уменьшаются, если их герметизировать.

Рисунок 1. Герметизированный контакт

На рисунке 1 изображен герметизированный контакт. Простейший геркон - стеклянный баллон(1), заполненный инертным газом (например, азотом) или находящийся в вакууме. В баллон впаяны токоведущие пружинящие ферромагнитные пластины (2).

При протекании магнитного потока в рабочем воздушном зазоре создается электромагнитная сила, под действием которой пластины притягиваются друг к другу. Когда замыкаются пластины, замыкается контакт. При снятии сигнала с катушки за счет упругих сил пластины размыкаются, и разрывается электрическая цепь. Ферромагнитные пластины выполняются, как правило, из пермаллоя, снижение переходного сопротивления достигается покрытием концов пластин хорошим электропроводным материалом.

Геркон является самостоятельным электромагнитным коммутирующим устройством, причем зазор между пластинами одновременно является и контактным зазором и рабочим магнитным зазором, а ферромагнитные пластины выполняют одновременно роль токопровода, магнитопровода и контактных пружин.

На рисунке 2 представлены различные виды язычковых герметизированных контактов:

На базе герконов выполняются герконовые (язычковые) реле. Простейшее герконовое реле представляет собой геркон, расположенный внутри цилиндрической катушки. Основные преимущества герконовых реле:

·        большая износостойкость контактов (10⁸ - 10¹² циклов),

·        небольшое и относительно стабильное сопротивление контактов (0,05 - 0,2 Ом),

·        малое время срабатывания и отпускания (0,5 - 2 с),

·        более высокая стабильность электрических и механических параметров,

·        высокая чувствительность и малая МДС срабатывания

(10 - 200 А),

·        более простая конструкция и меньшая стоимость (в 3 - 5 раз),

Преимущества реле на основе герконов ставят их в разряд релейных элементов, заполняющих пробел между обычными реле и бесконтактными релейными элементами.

 

2.      Описание конструкции реле

Герконные реле часто называют реле с магнитоуправляемыми контактами, язычковыми или безъякорными. В герконных реле чаще всего применяются наиболее простые и технологичные симметричные замыкающие герконы. Такие реле выполняют с внутренним или внешним расположением герконов. при большом количестве герконов (более 7) внутреннее расположение их нецелесообразно, так как увеличение диаметра и массы обмотки не приводит к увеличению ее МДС. Поэтому многогерконные реле, как правило, выполняются с внешним расположением герконов. Герконные реле в большинстве случаев снабжаются ферромагнитным экраном, являющимся элементом магнитной цепи.

Простейшая конструкция одногерконного нейтрального реле с внутренним расположением геркона (рисунок 3 а) не имеет магнитопровода. симметричный замыкающий геркон 1 расположен внутри катушки 2 с обмоткой 3. Катушка с торцевых сторон закрыта крышками 4 из диэлектрика. с внешней стороны катушка изолирована лакотканью 5. Во многих случаях реле опрессовывается пластмассой.

На рисунке 3 б показана конструкция одногерконного реле с магнитопроводом. Геркон 1 также расположен внутри катушки 2. Магнитопровод состоит из магнитных экранов 3 и ярма 4 (кожуха). Такое конструктивное решение значительно уменьшает магнитное сопротивление паразитного зазора, преодолеваемее потоком Ф_у, что обуславливает повышение чувствительности реле. Кроме того, с помощью ярма 4 геркон экранируется от воздействия внешних магнитных полей. ярмо 4 должно иметь продольную, а экраны 3 - радиальные прорези. В противном случае ярмо и экраны будут представлять собой короткозамкнутые витки, существенно понижающие быстродействие геркона.

 

Внешнее расположение герконов может быть пакетным (рисунок 3 в) или кольцевым (рисунок 3 г). Магнитопровод в этом случае образуется сердечником 1 с фланцами 2, в отверстия которых проходят изолированные выводы герконов 3, расположенных вокруг обмотки 4. Для разрыва короткозамкнутых витков, возникающих вокруг герконов, необходимы радиальные прорези 6. Недостатком такой конструкции является значительное магнитное сопротивление паразитных зазоров 5 ввиду их малого поперечного сечения. Значительное увеличение поперечного сечения паразитного зазора при некотором увеличении его длины достигается установкой магнитных экранов 1 (рисунок 3 д). При этом достигается более высокая чувствительность. Еще большая чувствительность достигается установкой внутренних 1 и внешних 2 магнитных экранов (рисунок 3 е), что объясняется значительным сокращением магнитного сопротивления паразитных зазоров. Следует отметить, что подобное конструктивное решение отличается большей сложностью и увеличением габаритных размеров.

Существенное повышение надежности герконового реле достигается герметизацией его обмотки. Одна из возможных конструкций такого реле показана на рисунке 4.

Внутри герметичного стеклянного баллона 1 впаяна трубка 2 с обмоткой 3, выполненной обмоточным проводом или напылением. Внутри трубки размещена подвижная контакт - деталь круглого сечения с плоским участком 5 на одном конце и выводом 6 на другом. Неподвижная контакт - деталь 7 установлена на торцевой металлической стенке 8, спаянной с выводом 9. Между контакт - деталями задан рабочий зазор 10. Обмотка 3 имеет выводы 11. Для повышения чувствительности и помехоустойчивости баллон покрыт ферромагнитным материалом 12. Пространство баллона разбито на две отдельные герметичные камеры. В одной камере размещена обмотка, а в другой - контакты. Такая конструкция не позволяет проникать на контактирующие площадки продуктам испарения изоляционных материалов обмотки и замедляет процесс старения изоляции.

 

. Расчет магнитных проводимостей

Упрощенная схема замещения магнитной цепи герконового реле представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схема замещения магнитной цепи герконового реле.

Эта схема содержит:

F - МДС обмотки управления,

Л_д - магнитную проводимость рабочего зазора геркона,

Л_вш - магнитную проводимость внешней (по отношению к рабочему зазору) магнитной цепи реле,

Л_кс - магнитную проводимость КС геркона.

Значение Л_кс определяется геометрией КС, характером распределения магнитного потока по длине КС и магнитными свойствами материала КС, на практике при анализе ненасыщенной магнитной системы принимается равным бесконечности. С учетом этого полная проводимость магнитной цепи реле [1]:

(3.1)

Внешняя проводимость Л_вш практически не зависит от рабочего зазора геркона д и для реле без внешнего магнитопровода может быть рассчитана по формуле, полученной на основе обработки экспериментальных данных [1]:

(3.2),

где z - расстояние вдоль продольной оси геркона от центра обмотки управления до середины перекрытия КС,

м₀=4р*10^-7 г/м - магнитная постоянная,

Р_с - наружный периметр поперечного сечения КС,

l_ср - средняя длина витков обмотки управления.

При проектном расчете длина обмотки управления l₀ принимается, как правило, равной или близкой длине баллона геркона, а ее внутренний диаметр d_в определяется диаметром баллона. Толщина обмотки задается исходя из соотношений h₀/l₀=1/6 - 1/15.

В нашем случае z=0, отношение h₀/l₀ примем равным 7. То есть h₀=2,85 мм.

Наружный диаметр поперечного сечения КС:

P_c=2(b+h),

подставив исходные данные получим P_c=2(0,8+0,36)=2,32 мм².

Средняя длина витков обмотки управления находится по формуле:

,

где d₀=d_в=d_г .

Получим

мм.

Подставив полученные результаты и исходные данные в формулу (3.1) внешняя проводимость будет равна:

=1,75∙10^-8 Гн.

Для расчета магнитной проводимости Л_д также можно воспользоваться методом вероятных путей магнитного потока. Однако расчет по данному методу приводит к громоздким выражениям, что затрудняет расчет и исследования. Поэтому на практике пользуются приближенными выражениями, основанными на обработке экспериментальных данных [1]:

(3.3),

где .

Приведем расчет для начального зазора д_Н=0,06 мм.

Подставив в формулу (3.3) исходные данные получим:

Гн

По формуле (3.1):

Гн.

Результаты расчетов Л_д и соответствующих им значений Л для различных значений зазора д сведем в таблицу:

Таблица 1

д, мм	Лд *10-8, Гн	Л *10-8, Гн
0,005	7,347	1,415
0,01	5,322	1,322
0,015	4,171	1,234
0,02	3,54	1,172
0,025	3,117	1,122
0,03	2,812	1,08
0,035	2,581	1,044
0,04	2,399	1,01
0,045	2,252	0,98
0,05	2,131	0,96
0,055	2.028	0,94
0,06	1,94	0,92

При расчете МДС срабатывания геркона можно воспользоваться выражением:

,(3.4)

а для расчета МДС возврата более приемлема эмпирическая формула:

(3.5).

 

4. Расчет противодействующей характеристики

Противодействующая характеристика геркона - это зависимость противодействующего усилия от зазора. Согласно [1] эта зависимость имеет линейный характер и определяется жесткостью КС:

, (4.1)

где  - приведенная жесткость КС,

с₁, с₂ - жесткости отдельных КС геркона.

Задачей расчета является определение с₁ и с₂ отдельных КС и приведенной жесткости .

Жесткость отдельного КС как консольной балки, состоящей из n участков различных форм и сечений, может быть посчитана по формуле:

,(4.2)

где c_i - жесткость i-го отдельно взятого участка КС,

,

где E - модуль упругости материала КС, для 47Н, Е=1,37*10¹¹ Н/м²,

J_i - момент инерции поперечного сечения рассматриваемого участка,_д,i , l_бл,i - соответственно расстояния от свободного конца консоли, к которому приложена изгибающая сила Р, до более удаленного и наиболее приближенного к этому месту концов рассматриваемого i-го участка КС. Если КС изготовлен из одного материала, то

.

В нашем случае КС имеет следующую форму:

Рисунок 6 - К расчету жесткости КС

тогда получим:

,(4.3)

Где

 м⁴,l₁=3 мм,

 м⁴,l₂ =6,5 мм,

 м⁴,l₃ =7,2 мм.

Подставив полученные результаты в формулу (4.3) получим:

_i=1/с=1,726∙10³, тогда согласно формуле (4.2) приведенная жесткость c=c_i/2=862,8

Для построения противодействующей характеристики достаточно двух точек.

Для зазора д_Н=0,06 мм получим:

Н,

Для зазора д_К=0,005 мм:

Н.

Противодействующая характеристика будет иметь следующий вид:

Рисунок 7 - Противодействующая характеристика

5.Расчет МДС срабатывания, возврата и МДС обмотки управления

МДС возврата геркона определяется по уравнению [1]:

_э(д_к)= P_пр(д_к)

Для P_э чаще всего используется выражение:

P_э (5.1),

имеющее большую точность при малых зазорах. Приравнивая (4.1) и (5.1), при д= д_к находим МДС возврата геркона:

(5.2),

где Л_д,к - проводимость рабочего зазора при д= д_к , определяемая по (3.5):

Гн

Подставляя исходные данные в (5.2) получим:

 

МДС срабатывания геркона находится из условия равенства противодействующей и электромагнитной сил, а также их производных по зазору в точке срабатывания:

_пр(д_ср)= P_э(д_ср, F_ср)(5.3),

(5.4).

совместное решение уравнений (5.3) и (5.4) с учетом (4.1) и тяговой характеристики геркона по формуле:

_э

для случая Л_вш ≤ Л_д дает выражение для зазора срабатывания:

мм

Это значение зазора используется как первое приближение.

Применяя для тяговой характеристики выражение:

P_э ,(5.5)

имеющее большую точность при расчете МДС срабатывания, из системы уравнений (5.3) и (5.4) можно получить следующее соотношение для зазора срабатывания:

(5.6),

где Л_д,ср - магнитная проводимость рабочего зазора геркона при д= д_ср :

Гн.

Подставляя в (5.6) найденное значение Л_д,ср при зазоре д= д_ср,1,

находим второе приближение зазора срабатывания:

(5.7),

где .

Получим м.

Подставляя выражения (4.1) и (5.5) при д= д_ср,2 в уравнение (5.3), определяем МДС срабатывания геркона:

,(5.8),

где  Гн,

Гн.

Подставив в формулу (5.8) исходные данные получим:

 

Для многоконтактных реле МДС обмотки управления находится по формуле:

,

где k_з - коэффициент запаса,

n - количество герконов в реле.

В нашем случае для одного геркона получим:

Расчет тяговых характеристик при F=F_ном, F=F_ср, F=F_в

Формулы для расчета элетромагнитного усилия приведены в [1]:

При F=F_в :

P_э .

При F=F_ср :

_э .

При F=F_ном :

_э .

Приведем расчет для начального зазора д_Н=0,06 мм.

При F=F_в :

Гн._э  Н.

При F=F_ср :

_э Н.

При F=F_ном :

_э Н.

Полученные значения сводим в таблицу:

Таблица 2.

д, мм	Pэ, Н при F=Fв	Pэ, Н при F=Fср	Pэ, Н при F=Fном
0,005	0,047	0,153	0,212
0,01	0,012	0,077	0,157
0,015	0,00527	0,051	0,122
0,02	0,00296	0,038	0,099
0,025	0,00189	0,031	0,081
0,03	0,00131	0,026	0,069
0,035	0,000968	0,022	0,059
0,04	0,000741	0,019	0,051
0,045	0,000585	0,017	0,045
0,05	0,000474	0,015	0,04
0,055	0,000392	0,014	0,036
0,06	0,000329	0,013	0,033

По данным таблицы 2 построим графики:

противодействующая характеристика,

тяговая характеристика при F=F_ср.,

тяговая характеристика при F=F_в.,

тяговая характеристика при F=F_н.,

Рисунок 8 - противодействующая и тяговые характеристики герконового реле при различных МДМ обмотки управления.

6.Расчет обмотки реле

Рисунок 9 - Обмотка реле

Толщина обмотки определяется по выражению [2]:

,

где  - удельное сопротивление провода в нагретом состоянии, для меди r₀=1,62×10^-8 Ом×м, a=0,0043 1/град.

Тогда r_гор=1,62×10^-8(1+0,0043×105)=2,35×10^-8 Ом×м.

Колебания напряжения

U_max=1,05×12=13,2 В

U_min=0,85×12=10,2 В.

Допустимое превышение температуры

t_доп=Q_доп - Q₀ = 105 - 40 =65°С.

Коэффициент перегрузки по мощности n_p=1.

Получим:

.

Данное значение меньше принятого нами ранее, поэтому оставляем h₀=2,85 мм.

Определим обмоточные данные:

Чтобы изготовить катушку, необходимо знать диаметр провода (d) и   число витков (W).

Диаметр провода

В соответствии с (1.46) [2] диаметр провода

.

Средняя длина витка цилиндрической обмотки по (1.4) [2]

мм.

Тогда

м.

По данным табл. 1 из прил. к [2], принимаем

провод ПЭВ-2, d=0,05×10^-3м, d_и=0,08×10^-3м, ¦₀=0,25.

Число витков

Число витков обмотки по (1.47)

,

витков.

Так как число витков должно быть целым числом, принимаем

W=7277 витков.

Проверка:

,

где  - сопротивление нагретой катушки

 Ом

 А>41А.

Погрешность полученной МДС меньше 10%.

Ориентировочное значение температуры перегрева может быть найдено по формуле Ньютона [2]

,

где a_S - коэффициент, учитывающий теплоотдачу с внутренней и торцевой поверхностей катушки, для катушки на изоляционном каркасе a_S = 0.

Потребляемая мощность

 Вт.

Наружная поверхность охлаждения

.

Внутренняя поверхность охлаждения

.

Полная поверхность охлаждения

.

Так как 10^-2 >S>10^-4 м², то коэффициент теплоотдачи может быть найден по выражению [2]:

.

Температура перегрева

°С.

Температура нагрева

°С.

 

. Расчет времени срабатывания

Время срабатывания герконового реле находится из равенства энергии:

,

Рисунок 10 - К расчету времени срабатывания

Разбиваем весь путь от д_н к д_к на 12 отрезков по 0,005 мм. На каждом i-м участке скорость движения будет равна:

,

где m - приведенная масса КС, которая находится по формуле:

,

где m₁ и m₂ - масса 1й и 2й частей балки соответственно, k_п1 и k_п2 - коэффициенты приведения.

Масса каждой части балки находится по формуле:

,

где - плотность стали, -объем части балки, равный площади ее поперечного сечения на длину участка.

Коэффициенты приведения находятся по следующим формулам:

,

где ,

, .

Подставив исходные данные получим:

,

,

,

,

,

Тогда

m=3,83*10^-6 кг, с учетом того, что КС у нас два окончательно получим m=2*3,83*10^-6 =7,67*10^-6 кг.

Конечная скорость на каждом i-м участке равна:

,

тогда время движения на каждом участке:

,

где  - длина i-го участка, -средняя скорость движения на участке,

.

Рассмотрим 1й участок от д_Н=0,06 мм до д=0,055 мм:

м/с,

м/с,

 с.

Аналогично рассчитываем время движения на других участках.

Таблица 3

Рэi, Н	Рпрi, Н	Vнi	Vкi	Vср.	tдвi,*10-5, c
0,027	0	0	0,188	0,0937	5,33
0,03	0,005	0,188	0,464	0,232	2,156
0,034	0,009	0,464	0,588	0,526	0,96
0,038	0,014	0,588	0,657	0,526	0,803
0,044	0,018	0,657	0,702	0,679	0,736
0,051	0,023	0,702	0,734	0,718	0,696
0,061	0,027	0,734	0,758	0,748	0,67
0,074	0,032	0,758	0,778	0,768	0,65
0,092	0,037	0,778	0,797	0,788	0,63
0,12	0,041	0,797	0,814	0,805	0,621
0,164	0,046	0,814	0,831	0,822	0,608
0,245	0,05	0,831	0,849	0,84	0,595

Получим суммарное время срабатывания t_ср=91,24 мкс=0,091 мс.

 

8. Расчет серии реле на различное число контактов и U_пит.

Проведем расчет серии реле для одного, двух и трех герконов для значения напряжения питания 12, 15 и 24 В. Результаты расчетов сводим в таблицу:

Таблица 5

n	1	1	1	2	2	2	3	3	3
Uном, В	12	15	24	12	15	24	12	15	24
Fраб., А	45	45	45	57,6	57,6	57,6	66	66	66
d0, мм	3	3	3	6	6	6	6,93	6,93	6,93
h0, мм	2,85	2,85	2,85	2,85	2,85	2,85	2,85	2,85	2,85
l0, мм	20	20	20	20	20	20	20	20	20
lср, мм	18	18	18	27	27	27	30	30	30
dпр, мм	0,05	0,05	0,05	0,071	0,063	0,05	0,08	0,071	0,063
dи, мм	0,08	0,08	0,08	0,1	0,09	0,08	0,11	0,1	0,09
f0	0,25	0,25	0,25	0,34	0,29	0,25	0,38	0,34	0,29
W	7277	7277	7277	4734	5129	7019	4168	4734	5129
Q, єC	44,42	47,6	54,25	46,36	47,5	48,5	47,5	48,69	56,4

где n - число герконов,_ном. - напряжение питания,_раб. - МДС обмотки управления,

d_0, h_0, l_0, l_ср, d_пр, d_и, f_0, W, Q - параметры обмотки управления.

Список использованных источников

реле геркон магнитный

1.   Софронов Ю.В., свинцов Г.П., Николаев Н.Н. Проектирование электромеханических аппаратов автоматики: Учеб. пособие - Чебоксары: Изд. Чуваш. ун-та, 1986. - 88с.

2.     Тепловой расчет катушек электрических аппаратов постоянного тока: Руководство по выполнению курсовых и дипломных проектов / Сост. Ю.В.Софронов, Н.В.Руссова. Чуваш. ун-т, Чебоксары, 2005. 48 с.

3.        Харазов К.И. Устройства автоматики с магнитоуправляемыми контактами. - М.:Энергоатомиздат, 1990. - 256 с.

.          Никандрова М.М., Свинцов Г.П., Софронов Ю.В. Электрические аппараты: Курсовое и дипломное проектирование

5.   Электромеханические аппараты автоматики: Учеб. для вузов по спец. «Электрич. аппараты»/Б.К.Буль, О.Б.Буль, В.А.Азанов, В.Н.Шоффа. - М. Высш.шк, 1988. - 303 с.

6.     Шоффа В.Н. Герконы и герконовые аппараты: Справочник. - М.:Изд-во МЭИ, 1993.

7.        Софронов Ю.В. Электромеханические аппараты автоматики - Чебоксары: Изд. Чуваш. Ун-та, 1982.