Основные виды проектируемых герконов, их функциональные параметры и схема магнитной цепи при управлении обмоткой
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИММЕТРИЧНЫХ ЗАМЫКАЮЩИХ ГЕРКОНОВ
В.Н. Шоффа, д.т.н., Б.Д. Лебедев, магистр
Россия, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14
Московский энергетический институт (Технический университет)
Представлены методика и алгоритм, положенные в основу новой программы Gersim II (среда Delphi) для автоматизированного проектирования симметричных язычковых замыкающих герконов, позволяющей разрабатывать эти приборы либо на наибольшую чувствительность, либо на наибольшую силу контактного нажатия.
Methods and algorithm taken as a basis of a new Program Gersim II (Delphi medium) for the automatized designing of symmetric normally open reed switches, which allows to develop these devices either for the maximal sensitivity or for the maximal contact force, have been considered.
Введение
Несмотря на простоту конструкции, проектирование герконов связано с достаточно сложными и длительными расчетами. На кафедре электрических и электронных аппаратов МЭИ был разработан ряд программ (Gerkon [1], Gerkon 2 [2] и Gersim [3]) для автоматизированного проектирования симметричных замыкающих герконов. Эти программы ориентированы на проектирование герконов с длиной баллона, определяемой рядом 10, 15, 20, 27, 36 и 50 мм, что было сделано согласно ГОСТу [4], действующему во время разработки этих программ и отмененному к настоящему времени. Проектирование осуществлялось с решением задачи получения наибольшей чувствительности по срабатыванию.
С момента отмены указанного ГОСТа появилась возможность удовлетворить потребность заказчиков по расширению ряда длин баллона герконов как внутри, так и вне указанного диапазона. Так, например, появилась потребность в разработке субминиатюрных герконов с длиной баллона 7, 6 и даже 5 мм.
Все это, а также новые задачи, связанные с разработкой миниатюрных и субминиатюрных герконов, явились основанием для внесения коррекций в методику, алгоритм, базу данных и программу проектирования.
Так, например, в новой программе по желанию оператора реализуется возможность проектирования герконов либо на наибольшую чувствительность, либо на наибольшую силу контактного нажатия. Последнее наиболее актуально для миниатюрных и сверхминиатюрных приборов.
Вместо ряда значений длин герконов, регламентируемого отмененным ГОСТом, в базу данных введен новый (более широкий) ряд длин, используемых Рязанским заводом металлокерамических приборов и зарубежными производителями.
В связи с тем, что была поставлена задача проектирования миниатюрных и субминиатюрных герконов, в базу данных были добавлены еще несколько меньших значений диаметров ферромагнитной проволоки, используемой для изготовления этих приборов.
Еще одним из недостатков существующих программ являлось немедленное прекращение расчетов с потерей предыдущих расчетных данных при ошибках ввода (например, при опечатке). В новой программе этот недостаток устранен, и появилась возможность редактирования данных на разных этапах проектирования.
Основные виды проектируемых герконов, их функциональные параметры и схема магнитной цепи при управлении обмоткой
Наиболее распространенные конструкции симметричных замыкающих герконов и их основные размеры показаны на рис. 1. Детали геркона, реализующие функции контактов и участков электрической и магнитной цепей, называются контактными сердечниками (КС).
Рис. 1. Основные размеры геркона:
а) внутренняя часть КС с двумя участками; б) внутренняя часть КС с тремя участками
На рис. 2 указаны размеры КС в зоне их перекрытия в разомкнутом и замкнутом состояниях. На этом рисунке: 
- ширина КС; 
- толщина КС; 
- перекрытие КС; 
- раствор КС; 
- начальный зазор; 
- конечный зазор; 
- толщина контактного покрытия.
При отсутствии магнитного поля перекрывающиеся концы КС отдалены друг от друга в области перекрытия на начальный немагнитный рабочий зазор .
При воздействии магнитного поля, создаваемого обмоткой управления, между КС возникает электромагнитная сила 
, которая, преодолевая механическую противодействующую силу упругости 
КС, приближает перекрывающиеся концы друг к другу. При определенном значении поля КС замыкаются.
|
|
Рис. 2. Размеры контактных сердечников в зоне их перекрытия в разомкнутом (а) и замкнутом состояниях (б)
На рис. 3 приведены механическая противодействующая и тяговые характеристики, соответствующие четырем значениям МДС: МДС отпускания ( 
), МДС срабатывания ( 
), рабочей МДС ( 
)и одному промежуточному значению ( 
) между 
и 
.
Рис. 3. Тяговые и механическая противодействующая характеристики герконового реле
При увеличении МДС обмотки от нуля, например, до значения F1, расстояние между КС уменьшается от значения до 
. Контактные сердечники при этом находятся в устойчивом состоянии, в котором действующая на них электромагнитная сила равна их противодействующей силе.
При дальнейшем медленном увеличении МДС КС постепенно сближаются до зазора срабатывания 
, соответствующего МДС срабатывания реле. Значение 
определяется точкой касания противодействующей характеристики с тяговой характеристикой при .
При достижении КС быстро переходят к своему замкнутому состоянию при конечном зазоре 
, определяемом суммой двух контактных покрытий ( 
) и неплотностью прилегания КС ( 
):
, (1)
значение начального зазора:
. (2)
При уменьшении МДС до значения 
КС размыкаются.Отношение МДС отпускания к МДС срабатывания представляет собой коэффициент возврата реле
. (3)
В замкнутом положении при МДС больше Fо между КС имеется контактное нажатие
, (4)
где 
и 
–соответственно, электромагнитная и механическая силы при .
Как и в любых электромагнитных устройствах для анализа работы реле на герконах и их проектирования необходимо знать характер распределения магнитного поля в этих аппаратах [5].
На картине поля, изображенной на рис. 4 при пренебрежении магнитным сопротивлением КС, приведены граничные линии магнитной индукции – сепаратрисы (сплошные линии). Линии нулевой работы (градиентные линии) показаны пунктиром и даны только для магнитных потенциалов 
и 
, соответствующих КС1 и КС2.
Для рассматриваемой магнитной системы характерны следующие магнитные потоки: 
–поток в рабочем зазоре (этот поток входит в КС1 с левой его стороны в пределах зон AC и An', проходит через рабочий зазор δ и выходит из КС2 с его правой стороны в зонах mA' и C'A'); 
, 
– потоки рассеяния, проходящие только по одному из КС; 
, 
– потоки рассеяния, замыкающиеся только по воздуху.
Рис. 4. Картина магнитного поля герконового реле: 1 и 2 – контактные сердечники; 3 – обмотка
По картине поля можно судить о характере распределения потока вдоль КС. На рис. 4 приведена кривая распределения магнитного потока вдоль КС1.
В первом приближении, считая, что сечения, характеризуемые точками n и n', близки друг к другу, максимальный поток в КС можно выражать как
. (5)
Суммарный магнитный поток всей системы
. (6)
По картине поля, пренебрегая магнитным сопротивлением КС, можно составить упрощенную схему замещения магнитной цепи реле (рис. 5), где 
– магнитное сопротивление внутреннего участка цепи (на пути прохождения потока между внутренними участками КС); 
–приведенное к полным виткам обмотки магнитное сопротивление внешнего участка цепи (на пути прохождения потока между внешними участками КС); 
–приведенное к полным виткам обмотки магнитное сопротивление на пути прохождения потока 
; 
–приведенное к полным виткам обмотки магнитное сопротивление на пути прохождения потока 
.
Рис. 5. Схема замещения магнитной цепи герконового реле без учета магнитного сопротивления КС
Согласно рис. 5:
, (7)
где 
– разность магнитных потенциалов между КС,
, (8)
где 
– МДС обмотки. Магнитным сопротивлениям и 
соответствуют значения магнитных проводимостей 
и 
. Значения 
и 
зависят от размеров обмотки и контактных сердечников.
Зазор срабатывания (рис. 3) можно определить из соотношения [6]:
, (9)
где 
рассчитывается при 
.
Относительный зазор срабатывания (δ*с = δс / δн ):
. (10)
Отсюда следует, что при допущении 
для 
и 
для 
[7].