2. Розрахунок механічної характеристики електричного апарата

2.1. Загальні відомості

Механічною характеристикою електричного апарата називається залежність усіх механічних сил чи моментів, приведених, звичайно, до осі дії привода апарата (до осі дії тягової сили), від величини ходу l чи від кута повороту привода , тобто

Р_мех =f(l); М_мех=f() (2.1)

В електричних апаратах з електромагнітним приводом за величину ходу зазвичай приймається величина робочого повітряного зазору магнітної системи, в апаратах із пневматичним приводом — хід поршня привода, в апаратах з ручним приводом — кут повороту рукоятки чи педалі.

Основними розрахунковими рівняннями при побудові механічної характеристики будуть статичні рівняння рівноваги механізму, а саме:

1) сума проекцій усіх сил на координатні осі дорівнює нулю;

2) сума моментів усіх сил щодо якої-небудь точки системи (зазвичай береться вісь обертання рухливої деталі) дорівнює нулю:

M_мех =0; Р_мех =0; Р_мех =0 (2.2)

Сумарна сила опору складається з протидіючих сил відмикаючих і контактних пружин, ваги рухливої системи і сил тертя в підшипниках і шарнірах між рухливими деталями. При цьому протидіючі сили пружин і сили ваги завжди спрямовані в одну сторону незалежно від напрямку переміщення якоря, сили тертя змінюють свій напрямок у залежності від напрямку руху якоря. Характеристики зазвичай будуються: для прямохідних рухливих систем в осях “протидіюча сила Р_отр - робочий зазор  “, для поворотних магнітних систем в осях “протидіючий момент М_отр - кут повороту  “, де Р_отр і М_отр - відповідно відривне зусилля і момент.

Метод розрахунку механічної характеристики — графоаналітичний і може проводитися двома способами.

Перший спосіб - графічний - є найбільш загальним способом розрахунку механічної характеристики. При цьому способі весь хід чи кут повороту рухливих частин поділяється на ряд проміжних положень, причому обов'язково враховуються положення, при яких відбувається стрибкоподібна зміна механічних сил (наприклад, торкання чи початок розбіжності контактів). Для кожного з проміжних положень визначаються значення механічних сил, їхні плечі та складаються рівняння рівноваги, на підставі яких визначається результуюча (приведена до осі дії привода) механічна сила чи момент. Необхідно відзначити, що в більшості випадків величини плеч реальних механічних сил не залежать від ходу чи кута повороту рухливих деталей і залишаються постійними, а самі механічні сили змінюються за лінійною залежністю від ходу чи кута повороту, оскільки вони, звичайно, створюються пружинами, а характеристики більшості пружин прямолінійні.

У цьому випадку, звичайно, користуються другим способом - аналітичним – менш трудомістким, який не потребує точного креслення кінематики всього механізму для кожного проміжного положення. При другому способі приводиться до осі дії привода кожна окрема механічна сила, а оскільки характеристика приведеної сили залишається прямолінійною, то для її побудови досить розрахувати тільки дві точки без точного попереднього креслення кінематики механізму. Потім характеристики окремих приведених сил графічно чи аналітично підсумовуються; їхня сума і буде механічною характеристикою всього апарата.

Рис. 2.1. Механічна характеристика контактора:

а) - при вмиканні, б) - при вимиканні

При вмиканні

Р_отр = Р_пруж  G + P_тр , (2.3)

і відповідно

М_отр = М_пруж  М_G + M_тр (2.4)

При вимиканні

Р_отр = Р_пруж  G - P_тр , (2.5)

і відповідно

М_отр = М_пруж  М_G - M_тр, (2.5)

де Р_пруж - зусилля, що створюються вимикаючими і контактними пружинами; G - вага рухливої системи, у залежності від конструкції вага може протидіяти (+) чи допомагати (-) включенню; Р_тр - сили тертя.

У загальному випадку механічна характеристика являє собою ламану лінію (рис. 2.1). Як приклад розглянемо побудову механічної характеристики електромагнітного контактора при вмиканні і вимиканні. У точці ₁ діють вага рухливої системи (крива 1), сила пружини, що вимикає, (крива 2) і сили тертя (крива 3). При русі якоря Р_отр зростає за рахунок додаткового стиску пружини, що вимикає. У точці ₂ відбувається зіткнення контактів, при цьому Р_отр зростає стрибкоподібно за рахунок початкового натискання (крива 4), а потім плавно за рахунок додаткового стиску контактних пружин. Крива 5 являє собою суму кривих 1-4 і є механічною характеристикою розглянутого апарата.

Тягова характеристика Р (крива 6) являє собою залежність сили притягання електромагніту від зазору (відповідно залежність моменту притягання від кута повороту якоря). Рух якоря почнеться, коли електромагнітна сила притягання при  = ₁ стане більше протидіючої. Для забезпечення чіткого і надійного вмикання апарата тягова характеристика повинна лежати вище механічної і відповідати їй. У залежності від конструкції і роду струму електромагніта можуть бути отримані різного роду статичні тягові характеристики.

Розташування котушки в магнітній системі відносно робочого зазору в значній мірі визначає потік розсіювання. Таким чином, при даній МРС значення сили притягання електромагніту також залежить від розташування котушки в магнітній системі. Велика сила притягання виходить тоді, коли робочий зазор розташований усередині котушки. При цьому котушка повинна бути зміщена убік якоря.