CHƯƠNG 4
Cơ Cấu Trong Khí Cụ Điện

Đ4.1 các đặc đIểm của cơ cấu khí cụ đIện.
các số liệu ban đầu. Nhiệm vụ và trình tự thiết kế.
I - Đặc điểm của các cơ cấu khí cụ điện.
Khác với cơ cấu của các máy điện quay, các cơ cấu của khí cụ điện thờng
chuyển động trong một giới hạn đợc hạn chế bởi các cữ chăn ( chốt định vị).
Khi nghiên cứu chuyển động của các cơ cấu khí cụ điện, cần phải khảo
sát hai quá trình khác biệt nhau là quá trình đóng và quá trình ngắt của
chúng.
Trong quá trình đóng của khí cụ điện, lực chuyển động phải thắng đợc
các lực cản trở chuyển động, trong số đó có cả những lực cản có ích ( ví dụ:
lực ép tiếp điểm thờng đóng).
Trong quá trình ngắt của khí cụ điện, các lực cản ( phản lực) của quá
trình đóng lúc này trở thành phản lực chuyển động. Ví dụ: phản lực lò xo
nhả, lò xo tiếp điểm thờng mở và trọng lợng phần động. Còn các lực ma sát ở
các khớp động, lực cản của môi trờng và lực quán tính đều là lực cản trong
cả hai quá trình đóng và ngắt.
II các yêu cầu cơ bản đối với cơ cấu của khí cụ đIện.
1. Cơ cấu phải bảo đảm trị số cần thiết của các thông số động học của cơ
cấu chấp hành nh : hành trình, góc quay và thông thờng trong khí cụ điện
đóng ngắt là độ mở và độ lún của tiếp điểm.
2. Lực chuyển động của cơ cấu cần bảo đảm việc đóng và ngắt của cơ cấu
chấp hành ( là hệ thống tiếp điểm trong khí cụ điện đóng ngắt) khi khí cụ
điện làm việc ở chế độ định mức và cả chế độ nặng nhất ( khi có ngắn
mạch).
3. Tốc độ cơ cấu chấp hành cần phải đảm bảo việc thực hiện đợc chức năng
của nó. Nghĩa là, khi đóng mạch tốc độ chuyển động của tiếp điểm động
phải đủ lớn để giảm nhỏ thời gian cháy của hồ quang. Nhng tốc độ này
cũng không đợc quá lớn để tránh sự va đập và rung động dẫn đến h hỏng

1. Chọn dạng cơ cấu.
2. Lập sơ đồ động.
3. Tính toán và xây dng các đặc tính động học.
4. Xác định lực hoặc mômen tác dụng, xây dựng và tổng hợp các đặc
tính.
5. Tính toán các thông số và đặc tính chuyển động của cơ cấu dới tác
dụng của các lực.
6. Hiệu chỉnh sơ đồ động và tiến hành tính trên cơ sở phân tích các kết
quả nhận đợc.
7. Thiết kế cơ cấu.
Đối với các khí cụ điện có sơ đồ đơn giản, không nhất thiết phải thực hiện
đầy đủ các bớc trên, có thể thực hiện một số bớc cần thiết nào đó.
Đ4.2- Lập sơ đồ động
Công dụng của sơ đồ động là cho ta biết sơ bộ một cách rõ ràng và
chính xác về sự truyền và biến đổi chuyển động của các khâu của cơ cấu.
Sơ đồ động đợc xây dựng cho các cơ cấu đặc trng nhất của chu trình
chuyển động của cơ cấu. Với khí cụ điện thờng có 2 vị trí đặc trng đặc trng
là vị trí đóng và vị trí ngắt.
Trên sơ đồ động cần biểu diễn tất cả các khâu và các khớp động của cơ
cấu, biểu diễn rõ vị trí tơng quan và sự liên hệ của chúng với các bộ phận của
khí cụ điện . Trên đó cũng cần chỉ rõ các số liệu chính đặc trng cho phần
động học của cơ cấu nh :
a, Độ lớn của hành trình hoặc góc quay của cá khâu chủ động hoặc bị
động.
b, Chiều dài các tay dòn, tỉ số truyền.
c, Đặt và định hớng các vecto lực hay mômen lực.
d, Các số liệu khác, ví dụ:
- ở cơ cấu nam châm điện : khe hở không khí làm việc.
- ở hệ thống tiếp điểm đóng ngắt: độ mở, độ lún, khoảng lăn, khoảng
trợt của tiếp điểm động.

n
n,
l
n -
nắp ( phần ứng) và lõi của nam châm điện

- bề dày tấm đệm phi từ tính.
m, l - độ mở và độ lún của tiếp điểm
F - lực
- khe hở không khí làm việc
Đ4.3 lực tác dụng và phản lực tác dụng trong cơ cấu qui đổi
lực
1/ Lực tác dụng và phản lực tác dụng( phản lực)
Ta có thể phân lực và mômen thành các loai sau:
1. Lực hoặc mô men chuyển động của các cơ cấu truyền động điện từ (
nam châm điện, lò xo, động cơ điện) các lực này đặt vào khâu chủ
động.
2. Lực cản có ích : trong khí cụ đóng ngắt loại lực này là lực ép lò xo
tiếp điểm.
3. Lực cản có hại: đó là các lực ma sát trong các khớp động ( bản lề, định
hớng). Tuy nhiên lực ma sát có thể trở thành lực có ích ví dụ trong
khớp ly hợp điện từ ma sát, phanh hãm đIện từ.
4. Trọng lực: tác dụng của trọng lực có thể có ích, cũng có thể có hại tuỳ
thuộc tong trờng hợp cụ thể.
2/ Qui đổi lực
Lực và mô men qui đổi phải có tác dụng tơng đơng với lực và mômen khi
cha qui đổi. Trị số lực F

và mômen M


dụng là:
- Đặc tuyến lực tác dụng khi đóng khí cụ điện, ví dụ lực hút điện từ F
đt
.
- Đặc tuyến lực phản tác dụng khi đóng F
c

thờng gọi là đặc tuyến
phản lực cơ ( hình 4-3). Khi ngắt khí cụ điện, lực này trở thành lực
chuyển động.
Để thuận tiện trong khảo sát và tính toán, ta dựng cả hai đặc tuyến ở
góc phần t thứ nhất của hệ trục toạ độ mặc dù các lực này ngợc chiều
nhau.

Hình 4-3: Đặc tuyến lực tác dụng
của cơ cấu điện từ- lò xo của khí
cụ điện có tiếp điểm thờng mở.
Ii/ Dựng Đặc tuyến phản lực khi đóng khí cụ đIện:
( đặc tuyến cơ ) hình 4-3.
Trục hoành biểu diễn độ lớn của hành trình hoặc góc quay của khâu chủ
động hoặc khâu bị động. Một khâu nào đó đợc chọn là một khâu qui đổi .
Trục tung biểu diễn độ lớn của lực hoặc mômen qui đổi, đối với các khí cụ
điện có nam châm điện kiểu hút thẳng thì không cần qui đổi lực(hình 41-b,c)
Đặc tuyến phản lực tổng sẽ là tổng đại số của các đặc tuyến của các lực
khác nhau. Chúng đợc dựng theo trình tự sau:
1. Dựng đặc tuyến trọng lực qui đổi.
2. Dựng đặc tuyến lực ma sát qui đổi. Đặc tuyến này thờng là đờng thẳng
song song với trục hoành, đối với cơ cấu nhiều khâu thì nó gồm hai
hoặc nhiều đờng thẳng song song có tung độ khác nhau. Độ lớn của
lực ma sát đợc xác định theo các phơng pháp đã trình bày trong các

nhất của nắp lên chặn bằng khoảng 0.06 N(6 G/A).
- Đối với công tắc tơ điện từ, làm việc trong đIều kiện rung động, va
đập, có gia tốc lớn, cần phải lấy lực ép lên cữ chặn lớn hơn ( ví dụ :
công tắc tơ cơ Iđm = 100A lấy lớn hơn khoảng 6 lần).
Độ dốc của đặc tuyến lực lò xo nhả ( tức là độ cứng của lò xo) sơ bộ
không nên lấy lớn quá để không làm tăng lực chuyển động của cơ
cấu truyền động đóng một cách không cần thiết để dẫn đến làm tăng
kích thớc, trọng lợng, giá thành khí cụ điện.
độ dốc của đặc tuyến và độ lớn của lực lò xo nhả sẽ đợc hiệu chỉnh
lại khi phối hợp các đặc tuyến.
4. Dựng đặc tuyến lực lò xo tiếp điểm qui đổi.
Độ lớn của lực đợc xác định trong quá trình thiết kế quá trình đóng ngắt (
chơng 2). Lực ép ban đầu đã đợc qui đổi của tiếp điểm đặt trên đờng song
song với trục tung và đi qua điểm tơng ứng với khi các tiếp đIểm động và
tĩnh bắt đầu tiếp xúc với nhau trên trục hoành. Lực ép cuối qui đổi đợc đặt
trên đờng song song với trục tung và đi qua điểm tơng ứng với vi trí cuối
cùng của cơ cấu trên trục hoành.
5. Dựng đặc tuyến phản lực ( đặc tuyến cơ) tổng.
6. Dựng giới hạn khả dĩ của đặc tuyến phản lực tổng có tính đến sai lệch
dơng ( dung sai) do có sai số trong chế tạo lò xo và các chi tiết khác
của cơ cấu. Lúc đó lực này đợc nhân thêm với hệ số dung sai về lực k
1
.
Hệ số dung sai về lực cần đợc tính với khả năng xấu nhất.
Trong sản xuất, đối với cơ cấu đIện từ lò xo ( ví dụ công tắc tơ) thờng
lấy k
1
= 1,3 1,7 là hợp lý. Khi các chi tiết đợc chế tạo với độ chính
xác bình thờng chọn hệ số dung sai về lực k
1

hút đIện từ.
b. Lực ma sát: rất nhỏ nên có thể bỏ qua, không tính đến.
c. Lực của hai lò xo nhả 2F
lxnh
(trên hình chỉ biểu một lò xo) ở
trạng thái mở, ta coi bằng trọng lực phần động.
Độ cứng của lò xo ( độ dốc của đặc tuyến lò xo ) coi là nhỏ.
d. Lực lò xo tiếp điểm F
lxtđ
ở trạng thái đóng bằng lực ép cuối của
tiếp điểm, đợc xác định trong quá trình thiết kế tiếp điểm ( ch-
ơng 2). Lực ép đầu của tiếp điểm ( ở thời điểm tiếp đIểm động
bắt đầu tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh) đợc lấy bằng 0,5
0,7 giá
trị lực ép cuối ( chơng 2 ). Lực ép đầu của tiếp điểm đợc thực
hiện bằng độ nén ban đầu của lò xo.
3. Dựng đặc tuyến lực hút điện từ F
đt
khi đóng khí cụ điện theo các giá
trị của lực đợc xác định trong quá trình tính toán nam châm điện (
chơng 5).
IV- dựng đặc tuyến tĩnh lực tác dụng của cơ cấu đIện từ lò xo kiểu
hút thẳng của khí cụ đIện công suất không lớn có các tiếp đIểm th-
ờng đóng và thờng mở, lò xo tiếp đIểm kiểu xoắn hình trụ ( hình 4-
1,c,g)
1. Trên trục hoành ( hình
4-5) đặt hành trình phần ứng
nam châm điện, bằng trị số khe
hở không khí làm việc của mạch
từ. Do có các tiếp điểm thờng mở

, K
m
:
các điểm
giới hạn.
155
ln ca lc 2F
Lxnh
c ly theo phng trỡnh:
2F
Lxnh
=F
c
+ F
ch
Trong ú : F
ch
- lc ộp trc tip lờn c trn trng thỏi m ca khớ c in.
- lc lũ xo tip im : lc ộp cui ca lũ xo tip im tỏc dng c khi
nam chõm nh v hỳt . Cỏc lc ny c xỏc nh trong quỏ trỡnh
thi
t k h thng tip im úng ngt . Lc ộp u c xỏc nh
ging nh pn trờn ó trỡnh by.
3. Dựng đặc tuyến lực hút điện từ F
đt
khi nam châm điện đóng . Đặc
tuyến được dựng theo các giá trị của lực được xác định trong quá trình tính
toán nam châm điện.
Khi dựng đặc tuyến lực hút (được biểu diễn bằng đường cong nét liền
F

của rơ le công sất nhỏ có tiếp điểm thường mở ,tiếp điểm lắp
trên lò xo tấm phẳng công sôn (hình 4-2a).
1. Trên trục hoành ( hình 4-6a) đặt hành trình của phần ứng nam châm
điện bằng trị số khe hở không khí l
àm việc

của mạch từ .Cơ cấu điện từ -lò
xo được thiết kế sao cho có độ mở m và độ lún l cần thiết của tiếp điểm .
Tổng của chúng là khe hở

. Trị số khe hở

được phân thành các thành
ph
ần tương ướng với 4 vị trí của phần ứng.
-Hành trình của phần ứng từ vị trí 1 đến vị trí 2 , có nghĩa đến thời
điểm tiếp điểm động bắt đầu tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh
– độ mở m=0 , bằng:
1
2
12
.
.
.
ll
ll
m
tđ
n


3
=
b
bcbc
JE
lF
3
.
mm (4-3)
Trong đó :
F
3
–độ võng của thanh lò xo b ở cánh tay đòn l
bc’
E –môđun đàn hồi của vật liệu lò xo , N/mm
2
J
b
–mômen quán tính của tiết diện lò xo, mm
4
F
bc
–lực ép lên cữ chặn N (G).
-Hành trình của phàn ứng từ vị trí 3 đến vị trí 4 , tương ứng với độ
võng f
4
của lò xo b ở cánh tay đòn l
tđ’
bằng độ lún l của tiếp điểm và bằng :
1

j
bt
=
3
.3
tđ
b
l
JE
(4-4)
Trong đó :
- j
bt
: N/mm (G/mm) độ cứng của lò xo b ở chiều dài của nó
tđ
l
- F
b3
và F
b4
: lực ép tiếp điểm ở vị trí 3 ( lực ép đầu) và vị trí 4 ( lực
ép cuối) .
Khi xác định khe hở không khí tính toán

của nam châm điện , cần
tính đến chiều cao

của tấm bằng vật liệu phi từ tính ,dùng để chống hiện
tượng dính của phần ứng với l
õi nam châm khi nhả.

3
2
1
2
'
2
2
1
1
'
1
;
;
l
l
jfF
l
l
jFF
l
l
jfF
l
l
FF
anaaanaa
anaaaca
(4-7)
-Các giá tr
ị qui đổi về khe hở không khí làm việc của lực cần để tách

FFF
n
t
đ
btbb
nt
đ
đt
bc
bcbcb
(4-8)
-
Đặc tuyến của lò xo b được dựng theo các giá trị lực có được bằng
cách cộng thêm các giá trị lực vừa tính theo công thức (4-8) vào đặc tuyến
lực của lò xo a tại các
điểm tương ứng tr
ên trục hoành.
Trên hình 4-
6a , đường nét đứt biểu diễn đặc tuyến của lò xo tiếp điểm
b khi không có cữ chặn .
3. Phương pháp tính toán và dựng đặc tuyến vừa tr
ình bày chỉ áp dụng
đối với role có một tiếp điểm thường mở .Trong trường hợp role có n tiếp
điểm như vậy ,độ lớn của tất cả các lực cần tăng l
ên n lần.
4. Dựng đặc tuyến lực hút của nam châm điện
VI- Dựng đặc tuyến tĩnh lực tác dụng của cơ cấu điện từ - lò xo
của role công suất nhỏ có tiếp điểm thường đóng ,tiếp điểm lắp
trên lò xo tấm phẳng công sôn(hình 4-2b).








)(
)(
21
2
1
2
212
mm
j
l
l
FF
f
mm
ll
ll
f
c
tđ
cc
ccct
ct
t
đ

1
2
323
mm
Ej
lF
f
mm
lll
lll
f
c
cccc
ct
t
đcc
nt
đ
ct

(4-10)
Với j
c
là mômen quán tính của tiết diện lò xo C.
Hành trình c
ủa phần ứng
34

cần thiết để đưa lò xo a đến độ võng ứng
với độ mở m của tiếp điểm :

-Lực qui đổi về trục cần piston của trọng lực phần động
'
1
t
F
bằng:
F


5
6
'
1
l
l
F
tlit
(4-13)
-L
ực ma sát qui đổi
'
ms
F
bằng tổng của lực ma sát của piston và các lực
qui đổi của :lực ma sát của hệ thống tiếp điểm F
mt
và lực ma sát trong các
khớp bản lề F
k
.lực

F
sinh ra lực ép tiếp điểm F
tđ
qui đổi , bằng:
5
4
'
l
l
FF
tđlxt

Với :
2
1
l
l
FF
lxttd

(4-14)
3. D
ựng đặc tuyến lực chuyển động (lực khí nén) khi đóng tiếp điểm.
- Đặc tuyến tính F
t3
và F
t5
khi áp suất không khí trên piston 3 và 5.10
5
pa là đường thẳng. Trị số của lực bằng diện tích piston nhân với áp suất