lời nói đầu
Hiện nay với sự phát triển không ngừng của các nghành công nghiệp – nông nghiệp,
việc sử dụng các sản phẩm của khoa học kĩ thuật là rất quan trọng. Chính nhờ sự ứng dụng đó
mà thúc đẩy nền kinh tế cho mỗi quốc gia và trên toàn thế giới, đồng thời chúng góp một
phần không nhỏ vào việc tăng năng xuất lao động, phục vụ đời sống, sinh hoạt hàng ngày của
con người, không những thế chúng còn thay thế và làm việc ở những môi trường không có lợi
cho con người và làm việc với tính chính xác cao.
Để dảm bảo an toàn cho tính mạng con người, bảo vệ các thiết bị điện và tránh tổn
thất kinh tế, cộng với sự phát triển như vũ bão của nền công nghiệp thì khí cụ điện ngày càng
được đòi hỏi nhiều hơn, chất lượng luôn đi theo sự phát triển của công nghệ.
Ngày nay các khí cụ điện hiện đại được sản suất ra phải đảm bảo tính năng an toàn và
tự động hóa cao, trong đó công tắc tơ không nằm ngoài khả năng an toàn và tự động hóa, điều
khiển các quy trình sản suất. Chính vì vậy vai trò cần thiết của sự nghiên cứu, thiết kế công
tắc tơ là đặc biệt quan trọng nhằm nâng cao tính năng tự động hóa an toàn khi vận hành và
tuổi thọ của chúng không ngừng được cải thiện hơn.
Được sự giúp đỡ và hướng dẫn của các thầy trong nhóm khí cụ điện. Đặc biệt là sự
hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Văn Đức, em đã hoàn thành đượcbài tập dài, với đề tài
thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha.Do kiến thức, kinh nghiệm thực tế và thời gian hạn chế
nên bản thiết kế không tránh khỏi những sai sót nhất định. Vì vậy em rất mong được sự chỉ
bảo và góp ý của các thầy. Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội 09/6/2007
Sinh viên:
1
Sơ lược về công tắc tơ xoay chiều
1. Khái quát và công dụng.
Công tắc tơ xoay chiều là một loại khí cụ điện dùng để đóng cắt từ xa hoặc bằng nút
ấn các mạch điện lực có phụ tải.
Công tắc tơ xoay chiều dùng để đổi nối các mạch điện xoay chiều, nam châm điện của
nó là nam châm điện xoay chiều, nhưng cũng có trường hợp nam châm điện là nam châm
điện một chiều.
Theo nguyên tắc truyền động, ta có công tắc tơ kiểu hơi ép, kiểu thủy lực nhưng phần

- Có hình dánh và kết cấu phù hợp , đẹp.
- Vốn đầu tư cho chế tạo và lắp giáp ít.
3. Nguyên lý làm việc và kết cấu trung của công tắc tơ xoay chiều
Cơ cấu điện từ gồm hai bộ phận: cuộn dây và mạch từ và được phân thành nhiều loại
như công tắc tơ kiểu điện từ hút chập, công tắc tơ kiểu điện từ kiểu hút ống dây và công tắc tơ
kiểu hút ống thẳng.
Tất cả các công tắc tơ trên đều làm việc theo nguyên lý điện từ gồm mạch từ dùng để
dẫn từ nó là những lá thép kĩ thuật điện được dập thành chữ E hoặc chữ U và được ghép lại
với nhau. Mạch từ được chia làm hai phần: một phần được kẹp chặt cố định, phần còn lại là
nắp được nối với hệ thống tiếp điểm qua hệ thống tay đòn.Cuộn dây hút có điện trở và điện
kháng rất bé.
Khi ta đặt điện áp váo hai đầu cuộn dây của nam châm điện sẽ có dòng điện chạy
trong cuộn dây, cuộn dây sẽ sinh ra từ thông khép mạch qua lõi sắt và khe hở không khí δ tạo
lực hút điện từ kéo nắp (phần ứng) về phía lõi. Khi cắt điện áp (dòng điện ) trong cuộn dây thì
lực hút điện từ không còn nữa và nắp bị nhả ra.
yêu cầu thiết kế
Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha
- Tiếp điểm chính : I
đm
= 100 A ; U
đm
= 400V
- Số lượng : 3 tiếp điểm thường mở
- Tiếp điểm phụ : I
đm
= 5 A ; U
đm
= 220V
- Số lượng : 2 thường mở; 2 thường đóng
- Nam châm điện : U

100.000 lần, đóng cắt bằng điện = 1.000.000 lần. Nên các tiếp điểm phải có độ mài mòn về
điện và cơ. Qua phân tích và khảo sát các loại tiếp điểm (như tiếp điểm kiểu ngón, tiếp điểm
lưỡi, tiếp điểm kiểu tấm phẳng...) chọn tiếp điểm kiểu cầu phù hợp với NCĐ kiểu hút thẳng
với dòng điện đi qua tiếp điểm chính I
đm
= 100A.
4
Tiếp điểm cầu có hai chỗ ngắt có ưu điểm là khả năng ngắt lớn không cần dây nối
mềm, có khả năng làm xạch nơi tiếp xúc, chiếm ít không gian. Ngoài ra việc dập hồ quang
được đảm bảo.
1.3. Lựa chọn sơ bộ hệ thống dập hồ quang.
Chọn kiểu dập hồ quang là kiểu dàn dập, mỗi chi tiết tiếp điểm sẽ có một buồng dập
hồ quang riêng.
1.4. Ngoài ra còn có các chi tiết khác như lò xo, thanh dẫn ... và các chi tiết khác. Những chi
tiết này sẽ được tính toán chi tiết, cụ thể ở các phần sau.
1.5. Thành lập sơ đồ nối dây.
1. Giá phần động 2. Lò xo tiếp điểm
3. Tiếp điểm động 4. Tiếp điểm tĩnh
5. Lắp NCĐ 6. Lò xo nhả
7. Thân (lõi) NCĐ 8. Cữ chặn
m _ Độ mở của tiếp điểm l _ Độ lún của tiếp điểm
δ _Khe hở không khí F
lxtđ
_ Lực lò xo tiếp điểm
F
tđ
_ Lực ép tiếp điểm F
lxnh
_ Lực lò xo nhả
F

1_Phần đầu nối; 2_Thanh dẫn; 3_Tiếp điểm
7
2.2. Yêu cầu đối với mạch cầu dẫn điện.
- Có điện trở suất nhỏ, dẫn điện tốt.
- Bền đối với môi trường.
- Có độ cứng vững tốt.
- Tổn hao đồng nhỏ.
- Có thể làm việc được trong một khoảng thời gian ngắn khi sự cố.
- Có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo lắp ráp.
2.3. Tính toán và chọn thanh dẫn.
2.3.1. Yêu cấu đối với thanh dẫn.
- Có điện trở suất nhỏ, dẫn điện tốt, dẫn nhiệt tốt.
- Có độ bền cơ khí cao.
- Có khả năng chịu được ăn mòn hóa học, ít bị oxi hóa.
- Có độ mài mòn nhỏ khi bị va đậm.
- Kết cấu đơn giản, giá thành rẻ.
2.3.2. Chọn vật liệu.
Để thỏa mãn các yêu cầu đối với thanh dẫn. Chọn vật liệu làm thanh dẫn là thanh dẫn
bằng đồng kéo nguội có(bảng 2-22 trang 82) :
- Tỉ trọng 8,9

(g/cm
3
)
- Điện trở suất ở nhiệt độ 20
o
C 15.10
-6
(Ω.m)
- Độ dẫn nhiệt 3,8 (W/cm

f
cKnn
KI
τ
ρ
θ
+
Trong đó:
I - Dòng điện làm việc (A)
ρ
θ
- Điện trở suất vật liệu ở nhiệt độ ổn định (Ω.m)
K
f
- Hệ số tổn hao đặc trưng cho tổn hao bởi hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng
gần: Chọn K
f
=1,06
n - Tỉ số tiết diện : Chọn n = 7
K
T
- Hệ số tản nhiệt ra khống chế : Chọn K
T
= 7,5 [ Tra bảng 6_5 trang 300 tài
liệu Thiết kế khí cụ điện hạ áp (TKKCĐHA)]
τ
ôđ
- Độ tăng nhiệt ổn định: τ
ôđ
= 55

o
20
=
θ
α (1/
o
C) - Hệ số nhiệt điện trở của đồng α
Cu
= 0,0043
θ
ôđ
(
o
C) -Nhiệt độ ổn định θ
ôđ
= 95
o
C (Bảng 6_1 trang 288 TKKCĐHA)
Vậy:
9

[ ]
).(10.118,375.10.15110.15
536
95
mm
C
o
Ω=+=
−−−

= 5A:

b =
)(23,0
55.5,7).17(7.2
06,1.10.1,2.5
3
82
mm
=
+
−
a = 7.0,23 = 1,61(mm)
Để phù hợp từ bảng 2_15 trang 51 TKKCĐHA với I
dm
= 5A chọn đường kính tiếp
điểm
td
d
= 20 mm;
td
h
=3,0(mm) nên ta phải quy đổi :

)(159,314.
4
.
2
2
mmba

0
2
10.15.10.154,1.1007.10.42.10.38
7.40.10.42.10.3804,1.10.154,1.100
......
.....
−−−−
−−−
−
+
=
−
+
=
fdmtT
tmtt
od
KIKPSK
KPSKI
ρα
θρ
τ
10

C
o
49,60
≈
- Mật độ dòng điện ở chế độ dài hạn:
)/(4)/(10.632.2

C
Nhiệt độ cho phép đối với đồng khi có dòng ngắn mạch θ
bn
= 300
o
C
Mật độ dòng điện khi ngắn mạch và khi ở dòng bền nhiệt được xác định theo công
thức :
bn
dbn
nmbn
t
AA
JJ
−
==
Với :
t
bn
= t
nm
– Thời gian ngắn mạch(sec)
A
d
; A
bn
= A
nm
– Giá trị giới hạn dưới và giới hạn trên là nhiệt độ vật
dẫn ban đầu và sau khi ngắn mạch là

)
- Mật độ dòng điện khi ở t
nm
= 1 sec:
)/(150
1
10).625,1875,3(
2
4
1
mmAJ
=
−
=

Có J
1cp
= 162(A/mm
2
)(bảng 6-7 trang 305 TKKCĐHA)
- Mật độ dòng điện khi ở t
nm
= 3 sec:
11
)/(6,86
3
10).625,1875,3(
2
4
3

=55
o
C và nhiệt độ ổn định cho phép
θ
ôđcp
= 95
o
C (Bảng 6_1 TKKCĐHA).
ở chế độ ngắn hạn, mật độ dòng điện cho phép ở thời gian ngắn hạn t
nh
= 5sec là
13,27(A/mm
2
).
ở chế độ ngắn mạch, mật độ dòng bền nhiệt cho phép đối với thanh dẫn bằng đồng ở
thời gian ngắn mạch 1sec, 3sec, 10sec là 162(A/mm
2
)
94 (A/mm
2
) 51 (A/mm
2
).
Kết luận:
Với thanh dẫn có kích thước a = 19 mm , b = 2 mm ( Khi làm việc với dòng điện I
đm
=
100A) có độ tăng nhiệt độ, nhiệt độ làm việc và mật độ dòng điện dài hạn tính toán. Hoàn
toàn có khả năng làm việc được và làm việc tốt ở các chế độ dài hạn và chế độ ngắn hạn.
Riêng ở chế độ ngắn mạch thanh dẫn có kích thước nói trên chỉ cho phép làm việc tối

đm
= 100 A ), không dẫn điện, được chế tạo bằng thép CT3 có
mạ thiếc. Dạng kết cấu này phù hợp với hình dáng vật liệu thanh dẫn và các yêu cầu kết cấu
khác.
2.4.4. Đường kính vít. Số lượng vít.
Theo số liệu thực nghiệm (Bảng 2_9 và Bảng 2_10 trang 32-33 TKKCĐHA)
- Đối với dòng I
đm
= 100 A. Chọn vít có đường kính ren d = 5 mm có các thông số:
- Ký hiệu M8
- Tiết diện tính toán (mm
2
)
- Lực ép cần có lên chỗ tiếp xúc để đạt điện trở tiếp xúc và điện áp tiếp xúc cho phép
là:
F
tx
= f
tx
.S
tx

Với :
f
tx
(KG/cm
2
) - Lực ép riêng mối nối. Chọn f
tx
= 100 KG/cm

= 0,14.10
-3
(Ωm) hệ số phụ thuộc vào điện trở suất và ứng suất của
vật liệu, đồng thời phụ thuộc vào trạng thái mặt tiếp xúc. Đối với tiếp xúc mặt: m =
1(trang 55 TKKCĐHA)
)(10.26,4
10.22,3.102,0
10.14,0
).02,1(
7
3
3
Ω===
−
−
m
tx
tx
tx
F
K
R
13
-Điện áp tiếp xúc:
)(10.26,42610,4.100.
57
VRIU
txtxtx
−−
===

h
l
5
D
1
2
3
m
4
6
H×nh 6
1_ Lò xo tiếp điểm 4_ Tiếp điểm tĩnh
2_ Cữ chặn 5_ Giá tiếp điểm động
3_ Tiếp điểm động 6_ Giá tiếp điểm tĩnh
l, h, D_ độ lún , chiều cao, đường kính của tiếp điểm
m_ Độ mở tiếp điểm
2.5.3. Chọn vật liệu và kích thước tiếp điểm.
a. Chọn vật liệu.
Vật liệu làm tiếp cần đảm bảo các yêu cầu sau: điện trở suất và điện trở tiếp xúc bé, ít bị
ăn mòn, ít bị ôxy hoá, khó hàn dính, độ cứng cao, đặc tính công nghệ cao, giá thành hạ và phù
hợp với dòng điện I = 100A
Từ bảng 2-13 ( TKKCĐHA ) ta chọn vật liêu là bạc niken than chì, với các thông số kỹ
thuật sau:
Ký hiệu KMK.A32
Tỷ trọng (γ) 8,7 g/cm
3
Nhiệt độ nóng chảy (θ
nc
) 1300
0

Diện tích S =
2
32319.17 mm
=
; P = 2.(17+19) =72mm.
2.5.4. Chọn độ mở tiếp điểm.
Độ mở m của tiếp điểm là khoảng cách giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh ở vị trí
ngắt của công tắc tơ.
- Hệ thống tiếp điểm chính theo công thức kinh nghiệm với công tắc tơ xoay chiều,
dòng điện I
đm
= 100A Chọn độ mở m = 6mm
2.5.5. Chọn độ lún.
Độ lún l của tiếp điểm là quãng đường đi thêm được của tiếp điểm động nếu không có
tiếp điểm chính chặn lại (hình 7)
Độ lún được chọn theo dòng điện định mức đi qua tiếp điểm, có công thức sau:
l = A + B.I
đm

- Với hệ thống tiếp điểm chính:
l = A + B.I
đm
= 1,5 + 0,02.100 =3.5mm
2.5.6. Lực ép, nhiệt độ, điện trở tiếp xúc và điện áp rơi trên tiếp điểm ở chế độ làm việc
dài hạn.
a. Lực ép tiếp điểm
Lực ép tiếp điểm phải đảm bảo sao cho tiếp điểm làm việc bình thường ở chế độ dài
hạn, mà trong chế độ ngắn hạn, dòng điện lớn như mở máy, quá tải, ngắn mạch... lực ép tiếp
điểm phải đảm bảo cho tiếp điểm không bị đẩy ra do lực điện động và không bị hàn dính do
hồ quang khi tiếp điểm bị đẩy và rung .






tx
td
B
dm
T
T
HA
I
λ
π
Trong đó :
- A=2,3.10
-8
(V/
O
C) : hằng số Loen.
- H
B
: độ cứng Britnel của tiếp điểm
H
B
= 45 kG/mm
2

- λ = 3,9 W/cm.

22
8
2
=






++
+
−
π
(KG)
Do tiếp điểm tiếp xúc mặt nên m = 3
F
tđ
= F
tđ1
.m = 3.0,337 = 1,011(KG)
Vậy ta chọn F
tđc
= 10,11(N)
b. Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm.
- Đối với tiếp điểm chính:
- Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm khi chưa bị phát nóng(20
o
C) :
m

3
20
Ω==
−
−
Ctx
o
R
17
- Điện trở tiếp xúc khi làm việc ở chế độ phát nóng cho phép:
[ ]
=−+=
=
)2095.(.
3
2
1
95
α
θ
tx
Ctx
RR
o
= 1,94.10
-4
(1+
3
2
.0,0035.75) = 2,28.10

KPS
RI
o
..
.
..
.
2
95
2
θθ
ρ
λ
+
=
Với:
- θ
mt
- Nhiệt độ của môi trường xung quanh = 40
o
C
-λ- Hệ dẫn nhiệt của vật liệu tiếp điểm = 3,25 (W/cm
o
C)
- P- Chu vi tiếp điểm P = 2.3,14.7= 4,4 cm
- S – Tiết diện bề mặt tiếp điểm S = 3,14.7
2
=1,54 (cm
2
)

242
22
+
+=+=
−
−
θ
ρλ
θθ
txdm
tdtx
RI

15,57524,4626,52
=+=
tx
θ
2.5.7. Dòng điện hàn dính:
Theo công thức lý thuyết 2-33 và 2-34:
tdnchdbd
FFAI ..
=
Trong đó:
18
A=
)..
3
2
1.(..
)..

3
1
1.(1300.325.32
=
+
+
=
−
π
A
)(10.957,1011,1.3.10.124,1
33
AI
hdbd
==
Theo công thức kinh nghiệm trị số dòng điện hàn dính được xác định theo công thức
sau:
tdchdhd
FKI .
=
Với:
K
hd
– Hệ số hàn dính của tiếp điểm trong không khí. Từ bảng 2-19_trang 67
TKKCĐHA với tiếp xúc điểm thời gian của xung dòng điện 0,05
÷
5 sec. Chọn K
hd
= 1500 KG/A
)(10.51,1011,1.1500

F
Kvm
t
.3
1.2
−
=
∑
Với:
Σ
d
m
- Tổng khối lượng phần động.
19
)(1,0)(100
10
10.100
.
2
mKGsN
g
mI
g
G
m
cdmd
d
=====
Σ
v

mx
m
−
=
−
=
)(10.58,0
6396,3.3
9,01.1,0.1,0.2
3
mst
m
−
=
−
=
Sự rung ( khoảng cách rung và thời gian rung ) nằm trong giới hạn cho phép.
2.5.9. Sự mòn của tiếp điểm
- Sự mòn của tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng và ngắt mạch điện.
Sự mòn tiếp điểm thể hiện qua việc giảm độ lún, giảm kích thước của tiếp điểm cũng
như giảm khối lượng hoặc thể tích của kim loại tiếp điểm.
- Nguyên nhân gây ra sự ăn mòn của tiếp điểm là ăn mòn hóa học, ăn mòn về điện, về
cơ, Nhưng chủ yếu tiếp điểm bị ăn mòn về điện.
- Khối lượng mòn trung bình của tiếp điểm cho một lần đóng ngắt:
g
đ
+ g
ng
=10
-9

(g/A) Hệ số mòn khi đóng và ngắt. Chọn K
đ
= K
ng
= 0,01 (Từ bảng 2-21
trang 40 TKKCĐHA)
K
kđ
- Hệ số không đồng đều dánh giá độ mòn không đều của các tiếp điểm.
Theo quy định ở các khí cụ điện xoay chiều 3 pha. Độ mòn lớn nhất được lấy bằng 2
lần độ mòn trung bình.
20
Vậy:
g
đ
+ g
ng
= 10
-9
(0.01.600
2
+ 0,01.800
2
).2 = 2.
5
10
−
(g)
- Khối lượng mòn về cơ sau 10
5

tđ

Với:
γ
tđ
- Trọng lượng riêng của vật liệu làm tiếp điểm(bạc) = 8,7.10
-3
(g/mm
3
)
V
tđ
- Thể tích của tiếp điểm
)(6462.19.17..
3
mmhbaV
td
===
a – chiều dài tiếp điểm
b – chiều rộng tiếp điểm
h – Chiều cao của tiếp điểm
⇒ G
tđ
=
)(6202,510.7,8.646
3
g
=
−
xét tỷ sồ

C(bảng 2-18)
21
- Nhiệt độ hóa mềm cho phép đối với bạc θ
cphm
= 180
o
C(bảng 2-18)
- Nhiệt độ làm việc của tiếp điểm cho phép θ
tđcp
= 95
0
C(bảng 6-1)
- Tổng thời gian rung cho phép đối với công tắc tơ t
Σ

= 0,3 ms
Với kích thước và kết cấu lựa chọn trên tiếp điểm hoàn toàn có khả năng làm việc tốt.
PHẦN 3
TÍNH TOÁN LÒ XO
3.1. Khái niệm chung.
Lò xo là một bộ phận quan trọng của công tắc tơ có nhiệm vụ tạo lực ép lên tiếp điểm
(Đối với lò xo tiếp điểm ), tạo lực ngắt cơ cấu trong quá trình ngắt của cơ cấu ( Lò xo nhả )
Yêu cầu đối với lò xo tiếp điểm và lò xo nhả:
- Có độ đàn hồi phù hợp
- Có đặc tính cơ ổn định theo thời gian
- Có khả năng bền về cơ
- Không bị ăn mòn bởi hóa chất và môi trường
3.2. Chọn kiểu và vật liệu lò xo.
22
3.2.1. Kiểu lò xo.

Các thông số của lò xo : Hình 9

Hình 10: Đặc tính lò xo
23
d
L
D
t
f
lv
f
đ
F
lv
l
lv
F
đ
l
đ
l
tđ
- x -Hành trình của cơ cấu lò xo, tính từ vị trí tại đó lò xo sinh lực lớn nhất.
- f
đ
- Độ võng ban đầu của lò xo
- f
lv
- Độ võng làm việc của lò xo
- F

=10
- Đường kính của lò xo:
zd = 1,6
)(64,1
580
10.66,60.
mm
CF
x
≈=
σ
- Đường kính trung bình của lò xo:
D = C.d = 10.1,64 = 16,4(mm)
- Số vòng của lò xo:
6678,6
22,20.10.8
7.64,1.10.80
..8
..
..8
..
3
3
33
4
≈≈===
FC
fdG
FD
fdG

==
- Khoảng lún thực tế ứng với lực đã cho:
)(7
64,1.10.80
678,5.10.8.22,20
.
...8
3
33
mm
dG
wCF
f
tt
===
- ứng suất xoắn thực tế:
)(32,574
64,1.14,3
10.66,60.8
.
..8
2
22
mm
N
d
CF
xtt
≈==
π