Тяговые и механические характеристики электромагнитного реле

 

Электромагнитное тяговое усилие — сила притяжения якоря к катушке реле прямо пропорциональна квадрату тока в катушке, обратно пропорциональна квадрату длины δ воздушного зазора и не зависит от направления тока в управляющей обмотке.

В процессе срабатывания реле изменяется длина воздушного зазора, а следовательно, изменяется электромагнитное усилие на якоре. Зависимость электромагнитного усилия от величины воздушного зазора между якорем и сердечником F₃ = f(δ) называется тяговой характеристикой электромагнитного реле (рис. 11.4).

При достаточно больших значениях величины воздушного зазора δ электромагнитное усилие достигает минимального значения F_3min, а магнитное сопротивление воздушного зазора становится значительно больше магнитного сопротивления стальных элементов магнитопровода (R_мб >> R_м.ст); однако при малых значениях зазора δ сопротивление R_м.ст резко уменьшается и становится сравнимым с R_м.ст, т.е. электромагнитное усилие не может быть бесконечно большим. Практически оно достигает некоторого значения F_max.

 

Так как после отключения обмотки реле части магнитопровода сохраняют некоторую намагниченность, обусловленную коэрцитивной силой, то при δ → 0 возможно «залипание» притянутого якоря под действием остаточной намагниченности стали. Для уменьшения этого притяжения, т.е. исключения «залипания», применяют немагнитный штифт (наклепки или прокладки), который закрепляется на вертикальной части якоря против оси сердечника (см. рис. 11.2, а, б). С помощью штифта, толщина которого δ₀ = 0,1 мм, при притянутом якоре обеспечивается некоторый минимальный воздушный зазор δ ≥ δ₀, что облегчает отход якоря при выключении тока. При этом создается достаточное магнитное сопротивление, которое уменьшает остаточный магнитный поток до минимального значения. Работа электромагнитного реле сводится к замыканию и размыканию контактных пружин, число которых в разных конструкциях реле колеблется в пределах 2... 16.

Перемещению якоря по направлению к сердечнику в процессе притяжения противодействуют силы упругих элементов реле — возвратной пружины и контактных пружин. При разных положениях якоря эти силы различны, т.е. противодействующие силы зависят от величины воздушного зазора 8. Зависимость механических (противодействующих) сил от величины зазора между якорем и сердечником называется механической характеристикой реле F_m = f(δ). Силы, преодолеваемые якорем реле при его перемещении, изображаются, как правило, в виде ломаных линий.

В качестве примера рассмотрим построение механической характеристики реле с контактной группой, действующей на замыкание (рис. 11.5). В процессе работы реле якорь 3 сначала преодолевает натяжение спиральной пружины П, а затем его мостик т после подъема на расстояние δ₁ являющееся холостым ходом, производит подъем контактных пружин 1 и 2.

На горизонтальной оси механической характеристики в виде отрезка 0a отложим расстояние δ_н(0) — между торцом сердечника и якорем в нерабочем состоянии реле, равное сумме холостого хода якоря δ₁ его рабочего хода δ₂ + δ₃, отрезков ef и dc и длине штифта отлипания δ₀. На оси ординат отложим силу, которую преодолевает якорь при перемещении. В отпущенном положении якорь испытывает лишь натяжение возвратной спиральной пружины (точка b), а контактные пружины удерживаются колодкой 4 и прижимаются к нему силой предварительного натяжения, что устраняет вибрацию контактов при обратном ходе якоря. Ордината ab характеризует усилие F₀, действующее на якорь в его исходном положении (для того чтобы сдвинуть якорь из начального положения).

 

 

На протяжении холостого хода якоря (участок δ₁) происходит растяжение пружины П, причем нагрузка якоря равномерно растет по ординате bc. Угол наклона α₁ характеризуется упругими свойствами пружины П. При соприкосновении упора, имеющегося на мостике m, с нижней контактной пружиной 2 якорь преодолевает первоначальное натяжение этой пружины, несколько изгибая ее (участок cd). В точке d нижняя контактная пружина отходит от колодки и якорь на участке de преодолевает совместное сопротивление двух пружин (возвратной спиральной и нижней контактной). Угол наклона участка de равен сумме углов α₁ + α₂, где угол α₂ зависит от упругих свойств нижней контактной пружины. Перемещение якоря на этом участке характеризуется абсциссой δ₂.

С момента снятия нижней пружины с колодки происходит ее подъем до замыкания контакта между пружинами 1 и 2. После замыкания контакта (точка е) якорь начинает преодолевать предварительное натяжение верхней контактной пружины — участок ef. В точке f верхняя пружина снимается с колодки и на участке fg якорь преодолевает противодействие трех пружин (двух контактных и одной спиральной). Угол наклона участка fg определяется суммой трех углов α₁ + α₂ + α₃, где угол α₃ характеризуется упругими свойствами верхней контактной пружины. Для надежности замыкания контактов, которое теоретически произойдет уже в точке/, якорь должен дополнительно переместиться на расстояние δ₃ (чтобы обеспечить необходимое контактное усилие 2,6... 5,1 Н). От последней построенной точки g проведем горизонтальную прямую gh, которая определит длину штифта отлипания δ₀.

Из построения нетрудно понять, что отрезки ломаной линии характеризуют отдельные этапы работы пружин. Для притяжения якоря реле необходимо, чтобы электромагнитное усилие F₃ на всем пути движения якоря было больше сил, противодействующих его движению. Для обеспечения этого условия тяговая характеристика реле (кривая 1) должна располагаться выше его механической характеристики. Однако слишком большое превышение электромагнитного усилия над противодействующими нежелательно, так как это может привести к сильным ударам якоря о сердечник и вибрации контактов. Кроме того, в этом случае ток в обмотке реле был бы чрезмерно большим, что привело бы к недопустимому увеличению сечения проводов. Поэтому при расчете принимают расположение тяговой характеристики над механической с касанием ее хотя бы в одной точке f (кривая 2). Координаты точки f(F_k и δ_k) называются критическими. Электромагнитное усилие F₃, обеспечивающее указанное расположение характеристики и пропорциональное току срабатывания, рассчитывается по значениям критического усилия F_k и критического зазора δ_k.

На рис. 11.6 изображено согласование тяговой и механической характеристик реле. Для правильного согласования необходимо, чтобы тяговые характеристики при токах срабатывания I_ср и отпускания I_от, проходя соответственно через точки механической характеристики 1 и 2, не пересекались с ней в зоне зазоров δ (δ₀ < δ < δ_н(0)), иначе якорь может остановиться в промежуточных точках 3 и 4 характеристик, как это показано на рис. 11.6, б.

 

 

Ток срабатывания I_ср — ток в обмотке реле, при котором электромагнитное усилие становится больше механического и якорь реле притягивается к сердечнику при зазоре δ_н(0). Ток отпускания I_от — ток при зазоре δ₀, когда якорь возвращается в исходное положение (т.е. ток не в состоянии создать электромагнитное усилие, удерживающее якорь).