§ 17.3. Электромагнитные реле постоянного тока

Устройство электромагнитных реле постоянного тока показано на рис. 17.4: а —с поворотным якорем, б —с втяжным яко-

рем. Основные детали и узлы реле имеют следующие обозначения: / — катушка на каркасе; 2 — ярмо; 3 — сердечник; 4 — якорь;

5 — штифт отлипания (немагнитная прокладка); б — возвратная пружина; 7— подвижные контакты; 8 — неподвижные контакты.

Магпитопровод электромагнитного механизма реле состоит из неподвижной и подвижной частей. Подвижная часть называется якорем. Неподвижная часть состоит из сердечника, который находится внутри катушки, и ярма — той части магпитопроиода, которая охватывает катушку.

В реле с поворотным якорем (рис. 17.4, а) электромагнитный механизм и контактный узел закреплены на общем изоляционном основании 9. При протекании тока по обмотке катушки / якорь 4 притягивается к сердечнику 3 и совершает поворот относительно точки опоры А. При этом якорь перемещает подвижный контакт 7, который размыкается с неподвижным контактом 8' и замыкается с неподвижным контактом 8". Контакты закреплены на плоских пружинах 10, которые служат и для подсоединения к внешней цепи. Когда ток через обмотку реле прекращается, якорь поворачивается в исходное положение.

В некоторых реле это происходит под действием силы тяжести якоря, в некоторых — под действием контактных пружин или специальной возвратной пружины 6. Для того чтобы якорь при обссточивапии обмотки не прилипал к сердечнику из-за остаточного намагничивания магпитопровода, па якоре устанавливается штифт отлипания 5 — пластинка из немагнитного материала, обеспечивающая зазор примерно в 0,1 мм между якорем и сердечником при срабатывании реле. Обычно сердечник имеет полюсный наконечник 11 для уменьшения магнитного сопротивления рабочего воздушного зазора.

В электромагнитном реле с втяжным якорем (рис. 17.4, б) при протекании тока по обмотке катушки 1 якорь 4 втягивается внутрь ее до упора в сердечник 3. При этом подвижные мостиковые контакты 7 размыкаются с неподвижными контактами 8' и замыкаются с неподвижными контактами 8". Возврат якоря 4 в исходное положение при обесточивании реле происходит под действием возвратной пружины 6. Как и в реле с поворотным якорем, для исключения залипания якоря служит штифт 5. Для возврата якоря в исходное положение может использоваться и сила тяжести якоря.

§ 17.4. Последовательность работы электромагнитного реле

Рассмотрим последовательность работы электромагнитного реле с момента подачи напряжения на обмотку реле до момента снятия напряжения с обмотки и возвращения якоря в исходное положение. Поскольку обмотка реле имеет индуктивное сопротивление, ток в ней не может измениться скачком. Изменение тока щадь Оbф на рис. 17.6, а), и энергии, распределенной в стальных частях магнитопровода (заштрихованная площадь Оаb на рис. 17.6, а). Магнитопровод реле обычно не насыщен, т. е. работа реле происходит на прямолинейном участке кривой намагничивания.

П оскольку воздушный зазор имеет сравнительно большую величину, можно пренебречь второй частью энергии (площадью Oab). Магнитную энергию, запасенную в воздушном зазоре, приближенно определяем как площадь всего треугольника ОаФ:

W_b=Iw Ф/2. (17.4)

Теперь рассмотрим процесс, изменения энергии магнитного поля при перемещении якоря, полагая ток в обмотке реле неизт мепным: I = const. При перемещении якоря уменьшается зазор, а магнитный поток увеличивается от Ф₁ до Ф₂. Следовательно, изменение энергии AW можно при-

ближенно определить как площадь прямоугольника Ф,аbф₂ на рис. 17.6, б:

До начала движения якоря энергия поля определялась площадью треугольника ОаФ₁, после перемещения якоря на б энергия поля определялась площадью треугольника ОbФ₂. Разница этих площадей и даст нам изменение магнитной энергии в воздушном зазоре:

Изменение энергии AW по уравнению (17.5) произошло за счет поступления энергии из сети. Половина ее, как видно из уравнения (17.6), пошла на изменение энергии в воздушном зазоре. Куда же была израсходована вторая половина энергии AW, численно примерно равная AW_b?

Эта вторая половина энергии (на рис. 17.6, б она соответствует площади треугольника Oab) расходуется на создание механической работы A_мех при перемещении якоря под действием электромагнитной силы F_a:

Подставляя в (17.7) выражение (17.6), получим

Магнитный поток в воздушном зазоре создается за счет магнитодвижущей силы (МДС) (/w) в и пропорционален магнитной проводимости зазора Ge.

Так как мы приняли /=const, то и МДС (/w) = const, а изменение потока Ф = Ф₂—Ф1 происходит за счет изменения проводимости воздушного зазора G _:

Для воздушного зазора длиной б между двумя плоскостями, площадь сечения которых s , магнитная проводимость определяется по формуле

Подставляя (17.11) и значение ₀ в (17.10), получим электромагнитную силу при изменении зазора от до нуля:

Эту формулу можно преобразовать, учитывая что

Из (17.12) следует, что электромагнитное тяговое усилие прямо пропорционально квадрату МДС, т. е. не зависит от направления тока в обмотке реле. Эта сила тяги обратно пропорциональна квадрату длины б воздушного зазора. Тяговая характеристика F_a—f( ) показана на рис. 17.7. В зоне малых зазоров реальная тяговая характеристика отличается от теоретической, построенной по (17.12), — штриховая кривая на рис. 17.7. Напомним, что мы выводили уравнение силы тяги, приняв некоторые допущения. При малых зазорах необходимо учитывать магнитное сопротивление стальных участков магнитопровода, которыми мы пренебрегли.

Р ассмотрим теперь механическую характеристику реле. Перемещению якоря реле в направлении сердечника противодействуют силы упругих элементов. Такими упругими элементами являются возвратная и контактная пружины.

Подвижный контакт реле обычно размещается на плоской пружине, представляющей собой упругую металлическую пластину, один конец которой жестко закреплен, а другой может перемещаться (см., например, контакт 6 на рис. 17.2). Противодействующая сила, развиваемая плоской пружиной, определяется по формуле

где E —модуль упругости материала пружины; I=bh³/12 — момент инерции пружины; b — ширина; h — толщина пружины; I — расстояние от места закрепления пружины до точки приложения силы; х — перемещение пружины в точке приложения силы.

В исходном состоянии пружина не деформирована, сила равна нулю. Перемещение пружины х при срабатывании реле будет происходить в направлении уменьшения зазора, поэтому зависимость F_ь{ ) имеет вид

(17.15)

В качестве возвратных обычно используются, витые пружины. Зависимость усилия, развиваемого винтовой пружиной, от перемещения имеет вид, аналогичный уравнению (17.15):

(17.16)

где G — модуль упругости при сдвиге; J — момент инерции при кручении; г — радиус витка пружины; n —число витков; F_nar— сила предварительного натяга пружины.

Графики зависимости противодействующих сил пружин имеют вид прямых линий, поскольку эти силы пропорциональны деформации (перемещению) пружины.

Рассмотрим построение механической характеристики реле на примере контактной группы, показанной на рис. 17.8, а. При срабатывании реле якорь 1 сначала преодолевает натяжение винтовой пружины 4, затем, когда конец рычага доходит до контактной пластины 2, добавляется усилие от ее деформации, а когда контакт пластины 2 замыкается с контактом пластины 3, добавляется и усилие от деформации этой пластины 3. Механическая характеристика Fм=f( ) показана на рис. 17.8,6. В исходном состоянии на якорь действует лишь начальное усилие Fнач — предварительный натяг пружины 4.

При изменении зазора о на 6i будет холостой ход рычага якоря до соприкосновения с пластиной 2, противодействующая сила возрастает пропорционально деформации винтовой пружины 4 (участок ab).

Затем наклон прямой резко возрастает, поскольку началась деформация пластины 2 (участок be). Такой наклон сохраняется приизменении зазора на ₂ — холостой ход пластины 2 до соприкосновения с пластиной 3. Затем наклон прямой еще возрастает, поскольку началась деформация пластины 3 (участок cd). Рост противодействующего усилия прекращается, когда якорь полностью притянется к сердечнику. Величина зазора при этом равна толщине штифта отлипания о- Из построения видно, что механическая характеристика имеет вид ломаной линии, где каждый отрезок характеризует работу какой-либо группы пружин.

В том случае, когда все пружины, создающие противодействующее усилие в контактной группе реле, имеют начальное натяжение, переход с одного от-резка на другой происходит скачком (в точках b и с на рис. 17.8, в).

Д ля работы реле необходимо, чтобы тяговая и механическая характеристики были согласованы. Для срабатывания реле необходимо, чтобы тяговая характеристика, соответствующая току срабатывания, везде находилась выше механической характеристики. При начальном зазоре эти характеристики имеют общую точку (точка А па рис. 19.9). Для отпускания реле необходимо, чтобы тяговая характеристика, соответствующая току отпускания, везде находилась ниже механической характеристики. При минимальном зазоре эти характеристики могут иметь общую точку (точка Б на рис. 17.9).