1. Принцип действия электромагнитных реле с поперечным движением якоря

Устройство электромагнитных реле основано на взаимодействии магнитного поля обмотки, по которой проходит ток, с подвижным стальным якорем.

Вреле РТ40 и РН50 использована одна из разновидностей электромагнитных систем, называемаясистемой с поперечным движением якоря (рис. 1). Конструкция состоит из сердечника / с двумя обмотками 2, расположенными на его верхнем и нижнем полюсах. Перед полюсами помещен жестко укрепленный на оси 10 легкий Г-образный стальной якорь 3. На оси якоря укреплены также возвратная (противодействующая) пружина 4 и изолированный от оси контактный мостик 5.Начальное положение якоря, отведенного от полюсов сердечника возвратной пружиной, ограничивается левым упором 6, конечное положение повернутого к полюсам сердечника — правым упором 7.

Рис. 1. Электромагнитная система с поперечным движением якоря, применяемая в конструкции реле РТ40 и РН50

1 — сердечник; 2 — обмотка; 3 — якорь; 4 — противодействующая пружина; 5 — подвижный контактный мостик; 6 — левый упор; 7 — правый упор; 8 — неподвижные размыкающие контакты; 9 — неподвижные замыкающие контакты; 10 — ось якоря.

В обесточенном состоянии мостик замыкает правую пару неподвижных размыкающих контактов 8, при перемещении якоря в сторону полюсов мостик замыкает левую пару неподвижных замыкающих контактов 9.

При прохождении по обмотке реле тока I создается магнитный поток Ф, замыкающийся через сердечник и якорь. Поток, пронизывая якорь, намагничивает его. На рис. 1 видно, что силовые линии выходят из верхнего (северного) полюса сердечника и входят в верхнюю часть полки Г-образного якоря и соответственно выходят из нижней части полки якоря и входят в нижний (южный) полюс сердечника. Таким образом, сердечник и якорь оказываются обращенными друг к другу разноименными полюсами. Возникающая в результате этого электромагнитная сила Fэл- притягивает якорь к полюсам сердечника.

Направление электромагнитной силы притяжения не зависит от направления тока в обмотке и якорь, притягиваясь к полюсам сердечника, будет поворачиваться вокруг оси в направлении, указанном стрелкой, независимо от того, какой ток проходит по обмотке — постоянный или переменный.

Таким образом, электромагнитные реле могут быть использованы как на постоянном, так и на переменном токе.

Электромагнитная сила, с которой якорь притягивается к сердечнику, пропорциональна квадрату магнитного потока Ф:

(1)

Поток Ф и создающий его ток I находятся в следующей зависимости:

(2)

где ω - число витков обмотки; l - расстояние от якоря до сердечника или магнитное сопротивление пути, по которому замыкается Ф.

Заменив Ф в формуле (1) на его выражение (2), получим:

(3)

Электромагнитная сила образует относительно оси якоря вращающий момент:

М_эл = k₄∙l_p∙F_эл,

(4)

где k1 – k4 – коэффициенты пропорциональности; l_p = g ∙ cos α, g – радиус якоря, т.е. расстояние от оси вращения до якоря.

Из физического смысла выражений (1) – (4), следуют практические выводы.

1. Электромагнитная сила притяжения якоря F_эл возрастает с увеличением тока I, причем нарастание силы F_эл происходит прямо пропорциональна квадрату тока.

2. При неизменном значении тока I увеличение числа витков ω обмотки приводит к возрастанию, а уменьшение числа витков ω – к снижению электромагнитной силы, то есть Fэл прямо пропорциональна квадрату числа витков ω.

3. Величина электромагнитной силыFэл обратно пропорциональна квадрату расстояния l между сердечником и якорем (l – воздушный зазор). Это означает, что при увеличении воздушного зазора сила притяжения якоря уменьшается, и, наоборот, при уменьшении воздушного зазора сила притяжения возрастает. С уменьшением воздушного зазора l уменьшается магнитное сопротивление системы, увеличивается поток Ф и, следовательно, возрастает электромагнитная сила Fэл.

Принятая для реле тока и напряжения конструкция с поперечным движением якоря

Рис.2. Изменения зазора между якорем и полюсами при срабатывании реле.

l нач – длина воздушного зазора при начальном выдвижении якоря, l кон - длина воздушного зазора при конечном выдвижении якоря, Lp – плечо электромагнитного момента

имеет Г-образный профиль якоря, при котором размер воздушного зазора в различных положениях якоря изменяется сравнительно мало (рис. 2).

Под действием электромагнитного момента, якорь встанет в одной плоскости с полюсами сердечника, займет положение, соответствующее наибольшему значению потока Ф в воздушном зазоре. На рис. 2 оно отмечено углом α ≈ 90°. При этом электромагнитный момент равен нулю.

Необходимое нажатие на контакты реле должно осуществляться в определенных пределах углов поворота якоря. Эти пределы устанавливаются упорами 6 и 7.

Вращательному движению якоря, стремящегося под действием Мэл притянуться к полюсам, противодействует возвратная пружина 4 (см. рис. 1). Пружина создает противодействующий механический момент Мэл. При отсутствии тока в обмотке реле, а значит, и при отсутствии Мэл противодействующий момент имеет некоторое значение, определяемое начальной затяжкой пружины. За счет начального противодействующего момента Мпр. нач контактный мостик 5 с достаточным усилием замыкает правую пару неподвижных контактов (размыкающий контакт реле). Левый упор 6 фиксирует начальное положение якоря реле и жестко связанного с ним подвижного контактного мостика. Если теперь плавно от нуля увеличивать ток в обмотке реле, будет постепенно нарастать электромагнитный момент, по направлению противоположный моменту противодействующей пружины.

Условие, когда электромагнитный момент при увеличении тока окажется равным противодействующему механическому моменту и подвижная система реле – якорь с контактным мостиком – начнет свое, вращение в направлении полюсов сердечника, определяется равенством

Мэл = Мпр (5)

Это соответствует условию срабатывания реле.

Наименьший ток, при котором реле срабатывает, называется током срабатывания – обозначается Iс.р.

При превышенииМэл над Мпр подвижная система реле начинает движение к полюсам сердечника. Теперь к противодействующему усилию пружины прибавляется сила трения осей в подшипниках реле. По мере вращения подвижной системы в сторону полюсов сердечника механический момент пружины возрастает пропорционально углу закручивания пружины. Чтобы подвижная система при подаче в обмотку реле тока срабатывания не остановилась в промежуточном положении, электромагнитный момент должен при повороте якоря нарастать быстрее механического противодействующего момента.

Рис.3. Зависимость электромагнитного и механического моментов, воздействующих на подвижную систему реле РТ40 и РН50, от угла поворота якоря.

a – начальное положение якоря относительно магнитопровода, б – характеристики зависимости электромагнитного и механического моментов реле от угла поворота якоря.

В рассматриваемой конструкции реле преимущественное нарастание Мэл по сравнению с Мпр при движении якоря к полюсам сердечника достигается специальным согласованием момента пружины (сечение пружины, количество и диаметры витков, жёсткость стали) с электромагнитным моментом реле. Характер изменения Мэл и Мпр от угла поворота якоря показан на рис. 3. В нарастании Мэл по сравнению с Мпр существенную роль играет уменьшение воздушного зазора при движении якоря к сердечнику.

Избыточный момент

Мизб = Мэл – Мпр

(на графике – отрезки б – в или б' – в') должен преодолеть нарастание момента пружины, возникающее за счет ее закручивания, а также преодолеть трение в подшипниках реле. В конце хода якоря избыточный момент обеспечивает необходимое для надежного замыкания цепи давление контактного мостика на левую пару неподвижных контактов.

Возврат якоря в первоначальное положение происходит под действием противодействующей пружины. Для этого избыточный момент сводится к нулю снижением тока в обмотках. На рис. 3 условию возврата соответствует точка в или в'. При возврате снижаются оба момента – электромагнитный и противодействующий.

Снижение электромагнитного момента происходит интенсивнее по сравнению со снижением противодействующего момента.

Наибольший ток в реле, при котором подвижная система реле возвращается в исходное положение, называется током возврата Iв.

Отношение тока возврата к току срабатывания Iв / Icp называется коэффициентом возврата и обозначается kв.

Чем больше разница между током возврата и током срабатывания, тем меньше коэффициент возврата реле. Следовательно, чрезмерно большой избыточный момент, хотя и увеличивает давление на контакты, приводит к нежелательному снижению коэффициента возврата.

При этом соотношение между Мэл и Мпр должно быть таким, чтобы обеспечивалось необходимое нажатие на контакты. Пределы углов поворота якоря устанавливаются упорами.