微電機在繼電器中的應(yīng)用

葉彬

摘要：電磁式繼電器是利用通電線圈磁場，結(jié)合彈簧彈力，控制磁鐵往返運動，從而在繼電器觸點間建立閉合～分離工作機制。此類繼電器如果在復(fù)雜的磁場環(huán)境中使用，可能因為外部磁場干擾造成繼電器功能失效或誤動作導(dǎo)致意外事故。

微電機是較為普通的驅(qū)動元件，將微電機應(yīng)用到繼電器中，通過特定傳動機構(gòu)將電機轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，通過改變電機轉(zhuǎn)動方向，可實現(xiàn)閉合～分離動作，實現(xiàn)繼電器功能。電機外殼具有屏蔽磁場作用，并且電機繼電器動作時間僅20ms，復(fù)雜電磁場對電機影響有限，在電磁復(fù)雜場所，比電磁式繼電器要可靠。

關(guān)鍵詞：微電機；繼電器；螺桿傳動；復(fù)雜電磁場環(huán)境；誤動作

前言

根據(jù)2011年5月實施的GBT14598.9-2010 量度繼電器與保護裝置第22-3部分，電氣騷擾實驗輻射電磁場抗擾度的規(guī)定，繼電器要求在300mT的強磁場環(huán)境中正常工作【1】。這個規(guī)定要求繼電器的驅(qū)動要不受強磁場的影響，防止因為外部磁場干擾造成繼電器功能失效或誤動作導(dǎo)致嚴重后果。

電機機殼具有電磁場屏蔽作用，受電磁場影響有限，將電機運用到繼電器中，利用電機扭矩作為繼電器觸點開關(guān)動作的動力源，比普通繼電器更可靠，可以有效地適用于新實施的行業(yè)標準，應(yīng)用于復(fù)雜電磁場環(huán)境。

1.原理對比

電磁式繼電器由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等部件組成。線圈通電產(chǎn)生磁場，吸引銜鐵移動，斷電時磁力消失，銜鐵在彈簧彈力作用下反向移動，從而實現(xiàn)繼電器的通斷電動作。如果繼電器所處環(huán)境電磁場復(fù)雜，比如繼電器受強磁場干擾時，繼電器可能會因線圈磁場受干擾導(dǎo)致磁場減弱無法驅(qū)動銜鐵移動，或外部磁場太強引起銜鐵移動，輕則繼電器功能失效，重則因繼電器意外閉合～分離動作，導(dǎo)致事故發(fā)生，對生命財產(chǎn)造成損害。

電機是常用的電驅(qū)動元件，電機輸出的是圓周運動（繼電器銜鐵是直線運動），改變電機電流方向就改變電機運動方向，輸出力矩方向隨之改變。通過傳動機構(gòu)將電機圓周運動轉(zhuǎn)換為直線運動，就能推動傳動機構(gòu)實現(xiàn)往返運動，推動繼電器觸點實現(xiàn)閉合～分離，這就是電機式繼電器。電機式繼電器“閉合”或“分離”時間約20毫妙，其他時間處于斷電閉鎖狀態(tài)，不受外部環(huán)境影響。

2.詳細方案

電機式繼電器的關(guān)鍵在于傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計。傳動結(jié)構(gòu)要滿足以下幾點：

（1）電機響應(yīng)時間短，運轉(zhuǎn)順暢，扭力適度；

（2）傳動結(jié)構(gòu)將圓周運動轉(zhuǎn)換為直線運動，傳動結(jié)構(gòu)行程精準， 準確推動簧片的“閉合”或“分離”；

（3）傳動結(jié)構(gòu)閉鎖合理有效，能有效抵抗振動等外部因素的影響。

常用的傳動結(jié)構(gòu)中，圓周運動轉(zhuǎn)換為直線運動的結(jié)構(gòu)有凸輪結(jié)構(gòu)、曲柄結(jié)構(gòu)、齒輪齒條結(jié)構(gòu)、螺旋軸結(jié)構(gòu)。綜合考慮，選擇螺旋軸連桿結(jié)構(gòu)進行方案設(shè)計，力矩較大，電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)原理如下圖1。

螺旋軸連桿結(jié)構(gòu)通過電機正反轉(zhuǎn)，帶動螺旋軸推動內(nèi)螺紋套筒做往返運動。該結(jié)構(gòu)通過連桿結(jié)構(gòu)放大電機力矩，給推桿提供所需的推力和拉力，利用滾輪將滑動摩擦改為滾動摩擦，從而減小阻力，行程通過對套筒限位來控制。

優(yōu)點：1.有效控制控制行程；

2.傳動穩(wěn)定，靜止狀態(tài)也穩(wěn)定，不會反彈；

缺點：1.螺旋軸和推管需要特殊加工；

2.堵轉(zhuǎn)時，由螺紋承受力，需要考慮齒牙強度。

3.設(shè)計方案

3.1參數(shù)預(yù)設(shè)

預(yù)設(shè)連桿長度12mm，初始時連桿與水平方向夾角銳角為35°，推桿行程2mm，19°時開始受阻力力，則，套筒行程為4.87mm，結(jié)束時夾角為10°。另設(shè)，推桿所受阻力為4N。通過對結(jié)構(gòu)做受力分析可知，螺旋軸推力與推桿推力的關(guān)系為：

F螺/F推=tanθ， θ為與水平方向銳角夾角

當(dāng)螺旋軸推力一定時，在運動過程中，θ逐漸變小，則推桿的推力會逐漸加大，θ=35°時推桿推力與螺旋軸推力相等，也就是說當(dāng)θ≦45°時，結(jié)構(gòu)滿足省力條件，則，連桿19度時，取推桿所受阻力為4N，套筒推力與推桿推力的比值為tan19°，則套筒所需推力1.377N。結(jié)束時，套筒推力與推桿推力的比值為tan10°，套筒保持推力1.377N，則推桿推力為7.81N 3.2螺旋軸力矩換算與條件設(shè)定

螺紋傳動傳動力矩與傳動力的換算公式為： T=Q*tan（ψ+ρ）*d2/2

其中，Q為軸向推力，即1.377N，ψ為螺紋升角，tanψ=P/（πd2），（P是螺紋螺距，d2為螺旋軸中徑），ρ為摩擦角。要滿足螺紋自鎖，則ρ≧ψ，所以，tanρ≧tanψ= P/（πd2）

tan（ψ+ρ）= （tanψ+tanρ）/（1-tanψ*tanρ）

= （P+πd2 * tanρ） /（πd2-P*tanρ）

因為， tanρ≧tanψ= P/（πd2）

所以，tan（ψ+ρ） ≧2P*πd2/[（πd2）2-P2]

螺旋軸選擇M4*0.7時，P=0.7mm， d2=3.70mm，齒高=5/8H=0.379mm，H=0.8666025P【2】。

則有tan（ψ+ρ）≧0.121 T≧0.308N.mm=3.018gf.cm

螺旋軸轉(zhuǎn)動6.97圈，動作時間20ms，則要求電機負載轉(zhuǎn)速約為20910r/min

4.強磁場對電機的影響

用強磁場干擾電機，驗證電機在強磁場下能否完成動作。

將電機用支撐治具固定，接通電源，利用頻閃燈測定電機轉(zhuǎn)速，通過電流表，讀取工作電流，首先通過控制強磁鐵與電機之間的距離，測定在不同距離時，電機的電器特性，然后改變強磁鐵與電機貼近面的極性，測定不同極性條件下電機的電器特性，最后將強磁鐵貼在電機上，測定電機啟動電壓。得出的實驗結(jié)果制成表格及曲線圖，如下：

實驗表明：

（1）N極靠近時，電機會出現(xiàn)速度先加大，隨后減小的現(xiàn)象；S極靠近時，電機轉(zhuǎn)速會持續(xù)上升，隨著磁場強大增大，轉(zhuǎn)速上升率越大；隨著磁場的增大，電機的工作電流會增大，S極靠近時，變化明顯；

（2）啟動電壓受磁場影響較大，0.5V的啟動電壓在加強磁場后，會變成1.2V左右；

綜合實驗結(jié)果，磁場會對電機轉(zhuǎn)速有一定的影響，但在300mT磁場環(huán)境下，磁場不會造成電機工作失效或停止工作，可以正常使用。

將電機應(yīng)用到繼電器中可以有效地解決強磁場環(huán)境中繼電器誤動作的問題，使繼電器可以適用于新的行業(yè)標準，設(shè)計中所運用的結(jié)構(gòu)均為通用結(jié)構(gòu)，同樣的，運用電機來實現(xiàn)往返運動的設(shè)計也可用于同類產(chǎn)品的設(shè)計中。

5.小結(jié)

通過設(shè)計傳動結(jié)構(gòu)，選擇合適的電機作為驅(qū)動力，可以實現(xiàn)繼電器的開關(guān)動作。

參考文獻：

[1]中國電器工業(yè)協(xié)會，GB/T14598，中國標準出版社，2011.

[2]吳宗澤.《機械設(shè)計師手冊》.機械工業(yè)出版社，2002.1