一種射頻繼電器電磁系統(tǒng)設(shè)計

凌 闖，操基德

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十研究所，安徽蚌埠233010)

1 引言

射頻繼電器是一種能夠傳輸和切換射頻信號的繼電器。從工作機(jī)理上，射頻繼電器可分為兩大類，即機(jī)電式射頻繼電器和固態(tài)式射頻繼電器。

隨著微波技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)電式射頻繼電器由于切換頻率寬，插損小，隔離度高等特點，在航天、航空、通訊和軍事等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

本文介紹了機(jī)電式射頻繼電器的工作原理，闡述了一種高可靠的雙穩(wěn)態(tài)螺管式電磁系統(tǒng)設(shè)計方法，對同類產(chǎn)品的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

圖1 工作原理框圖

2 射頻繼電器工作原理

本文以脈沖控制型單刀雙擲(SPDT)機(jī)電式射頻繼電器為例介紹該類產(chǎn)品的工作原理。射頻繼電器主要由電磁系統(tǒng)、傳動機(jī)構(gòu)和射頻傳輸切換系統(tǒng)等幾部分組成。其工作原理為:當(dāng)一組線圈加電時，產(chǎn)生的電磁力使鐵芯或銜鐵動作，并通過傳動機(jī)構(gòu)帶動射頻簧片閉合或斷開，從而實現(xiàn)射頻信號切換;當(dāng)另一組線圈加電時，工作狀態(tài)相反。圖1為其工作原理框圖，圖2為SPDT電氣原理圖。

圖2 SPDT電氣原理圖

3 電磁系統(tǒng)設(shè)計

3．1 結(jié)構(gòu)與原理闡述

射頻繼電器的電磁系統(tǒng)通常采用開放式結(jié)構(gòu)，漏磁通較大，造成吸力變小，降低了銜鐵或鐵芯的行程，限制了傳輸切換系統(tǒng)中射頻簧片行程，從而影響了繼電器的指標(biāo)參數(shù);另外，開放式結(jié)構(gòu)的電磁系統(tǒng)相互之間磁干擾大，不利于高密度安裝。下面介紹一種螺管式電磁系統(tǒng)。

螺管式電磁系統(tǒng)主要由螺管雙線圈、線圈骨架、套管、上端蓋、磁鋼、鐵芯、外護(hù)罩和下端蓋等組成，如圖3所示。

圖3 螺管式電磁系統(tǒng)

螺管雙線圈(線圈Ⅰ與線圈Ⅱ)并繞在線圈骨架上，線圈骨架內(nèi)套裝有套管和鐵芯，鐵芯沿軸向方向穿過線圈骨架兩側(cè)。套管與線圈骨架之間固定放置若干塊磁鋼，在繞組的外表面放置外護(hù)罩，骨架兩端放置上端蓋和下端蓋，從而構(gòu)成了雙穩(wěn)態(tài)磁路結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)不需要彈簧等復(fù)位裝置使鐵芯恢復(fù)初始狀態(tài)，整個裝置結(jié)構(gòu)簡單，鐵芯行程大，實現(xiàn)了長行程牽引的要求。控制的脈沖電流小，靜態(tài)時不需加電，不僅節(jié)約電能，還使得電子電路控制更為方便。

3．2 參數(shù)與仿真設(shè)計

通過對圖3結(jié)構(gòu)分析可得到電磁結(jié)構(gòu)等值磁路圖，見圖4。

圖4 電磁系統(tǒng)等值磁路圖

HL－永久磁鋼磁勢;

(IW)－線圈通電時產(chǎn)生的磁勢;

R＇上端蓋等導(dǎo)磁零件在1回路中的磁阻;

R″下端蓋等導(dǎo)磁零件在2回路中的磁阻;

RδA磁回路1的空氣磁阻;

RδB磁回路2的空氣磁阻;

φm1、φm2分別為磁鋼在回路1、回路2的磁通量;

Φn線圈加電產(chǎn)生的磁通量。

根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及尺寸大小初步得出永久磁鋼的長度與工作空氣隙的大小。取磁鋼的長度對截面的比值等于氣隙的長度對截面的比值的1/4到1/8，進(jìn)而初步求得磁鋼截面積。

在給定工作空氣隙下，由式(1)求出永久磁鋼的工作點，比較不同磁鋼的去磁曲線最終選用材料Sm2Co17。由相對回復(fù)磁導(dǎo)率的大小通過磁鋼的恢復(fù)線，就可以得到不同空氣隙δ的磁場強(qiáng)度H，磁感應(yīng)強(qiáng)度B。

式(1)中，l為磁鋼的長度，δ為空氣間隙的大小。

由圖4電磁系統(tǒng)等值磁路圖和Maxwell理論，當(dāng)線圈不加電時，電磁系統(tǒng)鐵芯的保持力為:

當(dāng)線圈加電，電磁系統(tǒng)鐵芯的保持力為:

式(2)和(3)中，μ0 值為1．25Mx/A·cm;

S為工作氣隙導(dǎo)磁截面積(cm2)。

在射頻繼電器常用結(jié)構(gòu)中，反力通常為彈簧或彈性簧片，根據(jù)設(shè)計要求修正和驗算，與反力系統(tǒng)進(jìn)行匹配。

最后確定該電磁系統(tǒng)的參數(shù)為:

鐵芯組件直徑:Φ4．1mm;

鐵芯初始保持力:3．45 ±0．2N;

線圈漆包線直徑:Φ0．105mm;

繞線匝數(shù):2550匝。

我們借助Maxwell三維電磁仿真軟件對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，仿真模型見圖5。

加電狀態(tài)下的磁場強(qiáng)度分布圖，分別見圖6。

圖5 電磁結(jié)構(gòu)仿真模型

電磁系統(tǒng)在線圈未加電和加電狀態(tài)下的鐵芯受力分布圖，見圖7。

圖6 (a) 未加電時磁場強(qiáng)度分布

圖6 (b) 加電后磁場強(qiáng)度分布

圖7 (a) 未加激勵時鐵芯的受力曲線

圖7 (b) 加激勵時鐵芯的受力曲線

實際對于電磁系統(tǒng)的零件，在加工環(huán)節(jié)各個導(dǎo)磁零件的熱處理、表面涂覆，裝配精度與配合間隙的影響對吸力的大小都會有改變。軟件仿真分析時，采用的設(shè)計模型處于理想狀態(tài)。通過多個批次的樣品測試，在不同的工作氣隙時，仿真結(jié)果與實際測試值偏差為10．3% ～27．3%之間。

4 結(jié)論

該電磁系統(tǒng)采用線圈脈沖式動作，溫升低，可靠性高;電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)了體積小、長行程牽引的要求。

采用該系統(tǒng)的產(chǎn)品已經(jīng)被用戶使用，證明該系統(tǒng)的設(shè)計是合理的。振動、沖擊等環(huán)境試驗和電壽命都達(dá)到了設(shè)計要求。

［1］鄒海峰編．《小型電磁繼電器》．西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1984．

［2］и．с．塔耶夫著，任耀先 賈繼鈞 張金城譯．《電器學(xué)》北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1983．