УЧЕТ ПАРАМЕТРОВ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ РЕЛЕ

ACCOUNTING THE PARAMETERS OF MAGNETIC FIELDS WHEN DESIGNING ELECTROMECHANICAL RELAYS

Aik Arutyunyan

postgraduate of «Tula State University»,

Russia, Tula

АННОТАЦИЯ

В работе проводится анализ влияния параметров магнитных полей на эксплуатационные характеристики электромеханических реле постоянного тока. Используются методы расчета магнитных полей.

ABSTRACT

This paper analyzes the influence of magnetic field parameters on the operational characteristics of electromechanical dc relays. Used methods for calculating magnetic fields.

Ключевые слова: электромеханическое реле, магнитное поле, электрические цепи.

Keywords: electromechanical relay, a magnetic field, electrical circuits.

При проектировании электромеханических реле одной из основных задач является расчет магнитных полей, параметры которых оказывают существенное влияние на их эксплуатационные характеристики: время срабатывания и отпускания реле.

Рассмотрим общую информацию о компьютерной программе FEMM. Приводится последовательность действий пользователя при создании новой модели. Анализируются расчеты с использованием FEMM полей и МС электрических аппаратов: расчет удельной проводимости вихревого магнитного поля, моделирование плоскопараллельных полей МС с одним зазором и разомкнутых МС. Проводится исследование влияния формы внешней границы модели броневого электромагнита и условий на ней на параметры электромагнита. Определяется индуктивность и взаимоиндуктивность осесимметричных обмоток.

Программа Finite Element Method Magnetics (Магнитные расчеты методом конечных элементов) (далее FEMM, или femm) (версия 4.0) позволяет на персональном компьютере в операционной системе Windows 98/NT/ 2000/Ме/ХР/Vista/7/10 создать модель для расчета плоско параллельного или плоскомеридианного (осесимметричного) стационарного и квазистационарного магнитного и стационарного электростатического полей, построить их картины и определить полевые и цепные параметры.

При учете полей рассеяния в зоне зазора и обмотки реле существенно изменяются параметры их магнитных и электрических цепей. Покажем это на примере расчетных зависимостей, используемых при проектировании электромеханических реле, на этапе поверочных расчетов при допущении: проводимости магнитной цепи определяется проводимостью рабочих зазоров и путей потоков рассеяния. Допущение корректно т.к. техническим заданием определяется значение электромагнитной силы при начальном положении якоря реле, когда длина зазора максимальна (), что позволяет пренебречь сопротивлением магнитного материала [1].

а                                                                        б       

Рисунок 1. Конструктивные схемы электромеханических реле постоянного тока: а – с клиновидным зазором. б – с плоскими зазорами.

Как показывает анализ картин поля электромеханических реле, за счет полей рассеяния в зоне зазора эквивалентное сопротивление зазора может уменьшатся в 1,2-1,4 раза в зависимости от величины и формы зазора реле (рис. 1) [1, 2]. На рис. 1б в качестве примера показана картина поля электромагнитного реле с тремя воздушными зазорами и магнитопроводом симметричным относительно показанной оси [2].

Обозначим коэффициент рассеяния в зоне воздушного зазора . Тогда эквивалентное сопротивление зазора запишется в виде:

 где  ,                                          (1)

где:  – сечение зазора, ,  - проводимости зазора и рассеяния в зоне воздушного зазора.

Учет приводит к изменению электромагнитного момента

, 

                                                             (2)

За счет потоков рассеяния  в зоне расположения обмотки с проводимостью путей  изменяется ее индуктивность,

,                                          (3)

где: ,

Значения  могут составлять так же 1,2-1,4. Зависимости (2, 3) показывают, что значение электромагнитного момента и индуктивности могут увеличиваться за счет потоков рассеяния в 1,2-1,4 раза.

Увеличение индуктивности за счет потоков рассеяния приведет к увеличению электрической постоянной времени обмотки . Тогда, пренебрегая полями рассеяния обмотки, будем получать время срабатывания  меньше, чем реальное значение проектируемого реле. В этом случае не будет обеспечено заданное техническим заданием время срабатывания и отпускания реле.

Пренебрегая полями рассеяния вблизи рабочего зазора, получим значение электромагнитного момента ниже его реального значения, что потребует введения максимального значения коэффициента запаса по моменту при проектировании реле.

Таким образом, учет полей рассеяния электромеханических реле при поверочном расчете их эксплуатационных характеристик является необходимым. Анализ методов расчета картин магнитных полей показывает, что целесообразным является использование комплексного подхода на базе компьютерных программ моделирования плоскопараллельных полей и метода суммирования проводимостей частичных объемных фигур для учета трехмерности поля. Достаточно простой и общедоступной программой для расчета картин плоскопараллельных полей в операционной системе Windows является программа Finite Element Method Magnetics (Магнитные расчеты методом конечных элементов, FEMM 4.2). Работа с программой FEMM и расчетные зависимости для определения магнитных проводимостей простых объемных фигур подробно рассмотрены в [2]. Программу FEMM можно использовать для уточнения координат зон потоков рассеяния вблизи рабочего зазора и обмотки реле, что позволяет более точно определить параметры простых объемных фигур трехмерного магнитного поля.

Использование данного подхода при поверочных расчетах электромеханических реле постоянного тока позволило с минимальными затратами времени и достаточной точностью рассчитать проводимости магнитных цепей реле и их эксплуатационные характеристики: электромагнитный момент, электрическую постоянную времени обмотки реле.

Список литературы:

1. Электромеханические системы / Г.П. Елецкая, Н.С. Илюхина, А.П. Панков. – Тула: Издательство ТулГУ, 2009. – 214 с.
2. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов: Магнитные цепи, поля и программа FEMM: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Олег Болеславович Буль. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 336 с.