高壓直流繼電器的振動(dòng)危害分析

黃 宇

（沈陽(yáng)特種設(shè)備檢測(cè)研究院， 遼寧 沈陽(yáng) 110035）

0 引言

繼電器結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且涉及到眾多交叉學(xué)科，高壓直流繼電器作為一個(gè)具有高效處理能力的高功率控制元件，在高電壓、強(qiáng)電流等高頻的條件下?lián)碛衅胀ǖ碾姶爬^電器所無(wú)可代替的高壽命和堅(jiān)固可靠等優(yōu)點(diǎn)， 在新能源設(shè)備以及充電配套設(shè)備、風(fēng)力發(fā)電、光能發(fā)電、云盤(pán)系統(tǒng)服務(wù)的電源及大型的機(jī)械動(dòng)力設(shè)備等高壓直流的領(lǐng)域方面取得了越來(lái)越多的使用與發(fā)展。本文依托動(dòng)力學(xué)方程，進(jìn)行關(guān)于造成高壓直流繼電器危害性的因素進(jìn)行分析研究。

1 高壓直流繼電器結(jié)構(gòu)原理及危害分析

高壓直流繼電器接觸器的電磁部分由線圈、動(dòng)鐵芯、上軛鐵、孔軛鐵、外殼等構(gòu)成該類(lèi)型繼電器的其工作原理為：對(duì)線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，動(dòng)鐵芯磁化并受到電磁吸力向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)推動(dòng)機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng)，在向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中返回彈簧壓縮，隨著動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)的接觸，動(dòng)鐵芯繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)此時(shí)超程彈簧開(kāi)始?jí)嚎s， 直到動(dòng)鐵芯與軛鐵板完全吸合，繼電器完成其閉合動(dòng)作。

高壓直流電磁繼電器的驅(qū)動(dòng)線圈通電后動(dòng)觸點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)與靜觸點(diǎn)接合使主電路從斷開(kāi)狀態(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)，動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)發(fā)生接觸后發(fā)生碰撞，觸點(diǎn)多次彈跳后才能達(dá)到穩(wěn)定的接觸狀態(tài)，這段過(guò)程會(huì)造成觸點(diǎn)間的磨損，在兩觸點(diǎn)表面接觸和分離的時(shí)候，由于主電路的電流較大，會(huì)在觸點(diǎn)間產(chǎn)生熾熱電弧，腐蝕動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)的表面，使表面變得凹凸不平，影響觸點(diǎn)間的接觸，嚴(yán)重時(shí)還可能出現(xiàn)觸點(diǎn)間的“粘連”現(xiàn)象使繼電器失效。 另外，在繼電器向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，由于動(dòng)鐵芯和軛鐵板的碰撞可能使本已經(jīng)穩(wěn)定接觸的觸點(diǎn)表面間再次發(fā)生分離現(xiàn)象。

2 繼電器動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程

2.1 分段線性動(dòng)力學(xué)方程

由分析可知， 高壓直流繼電器閉合過(guò)程中動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)， 動(dòng)鐵芯與軛鐵在拉斷過(guò)程中推動(dòng)桿系統(tǒng)與軛鐵板等部件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程發(fā)生碰撞， 使得繼電器整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程具有分?jǐn)嗑€性的特點(diǎn)。 同時(shí)高壓直流電磁繼電器的運(yùn)動(dòng)過(guò)程可以近似看作是沿著豎直方向上下運(yùn)動(dòng)， 忽略其他方向上的運(yùn)動(dòng)。 對(duì)繼電器運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化后可以近似將其看成一種，每個(gè)運(yùn)動(dòng)部件均具有單自由度，且存在相同類(lèi)型間隙的碰撞沖擊系統(tǒng)。

圖1 高壓直流繼電器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of high voltage DC relay structure

為處理動(dòng)鐵芯與上軛鐵間的碰撞接觸， 引入等效接觸剛度來(lái)描述其間的接觸狀態(tài)， 建立如圖1 所示的高壓直流電磁繼電器的在電磁激勵(lì)的作用下運(yùn)動(dòng)部件構(gòu)成的分段線性碰撞彈跳的動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式，將整個(gè)動(dòng)鐵芯的吸合運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，等效為以下形式。

（1）當(dāng)0

動(dòng)鐵芯受到的合力F1和動(dòng)觸點(diǎn)受到超程彈簧的推力F2，如式（2）所示：

式中：Fm—?jiǎng)予F芯受到的電磁力；ff—返回彈簧的預(yù)壓力；fd—U 型支架和動(dòng)觸點(diǎn)間的作用力；fp2—?jiǎng)佑|點(diǎn)和靜觸點(diǎn)間的接觸力。

動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)間的接觸力fp2，如式（3）所示：

其中：kj2—兩觸點(diǎn)間的接觸剛度；n—力的指數(shù)；δ—?jiǎng)佑|頭和靜觸頭之間的相對(duì)滲透深度；Cj2—等效接觸阻尼系數(shù)。

（2）當(dāng)yk

式中：F3—作用在動(dòng)鐵芯上的受迫力，可表示為：

式中：fp1—鐵芯與軛鐵之間的接觸力，其表達(dá)式可用分段函數(shù)來(lái)表示：

式中：kj1—?jiǎng)予F芯和軛鐵之間的等效接觸剛度， 其大小與接觸兩物體的曲率半徑以 及材料屬性有關(guān)；δ—?jiǎng)予F芯和軛鐵之間的相對(duì)滲透深度；Cj1—等效接觸阻尼系數(shù)。

2.2 碰撞彈跳的運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力方程

考慮到動(dòng)鐵芯與軛鐵， 動(dòng)觸頭與靜觸頭間具有可分合的接觸特征，其碰撞接觸面都為平面，因此其碰撞類(lèi)型為面-面碰撞，此時(shí)其力的指數(shù)n=1。 假設(shè)接觸面是方形的，其邊長(zhǎng)為2a，其平均變形可表示為：

式中：p—截面所受壓力；E—材料的楊氏模量；μ—材料的泊松比。

結(jié)構(gòu)碰撞的相對(duì)滲透深度等于兩碰撞體的變形之和，其表達(dá)式為：

兩物體間的接觸力可表示為：

聯(lián)立方程式（8）和（9）可得：

其中：

式中：E1、E2—發(fā)生碰撞接觸的兩物體的楊氏模量；μ1、μ2—發(fā)生碰撞的兩物體的泊松比。

因此，結(jié)構(gòu)等效接觸剛度kji（i=1，2）的表達(dá)式如下：

在計(jì)算中考慮了接觸阻尼對(duì)碰撞接觸的影響， 等效接觸阻尼系數(shù)的取值一般為接觸剛度的0.1%～1%。

3 高壓直流繼電器觸點(diǎn)彈跳因素分析

3.1 觸點(diǎn)開(kāi)距對(duì)接觸器碰撞的影響

在高壓直流繼電器工作過(guò)程中，動(dòng)、靜觸點(diǎn)間開(kāi)距是影響繼電器觸點(diǎn)碰撞的重要因素，如圖2 所示，動(dòng)、靜觸點(diǎn)間由于開(kāi)距的不同，會(huì)導(dǎo)致彈跳的現(xiàn)象不同。在增加觸點(diǎn)間開(kāi)距時(shí)，會(huì)導(dǎo)致銜鐵與軛鐵間碰撞時(shí)間和幅值增加，因此在后續(xù)考慮碰撞關(guān)系過(guò)程中， 應(yīng)去找到合適的觸點(diǎn)開(kāi)距，已滿足動(dòng)靜觸點(diǎn)間碰撞最小，且滿足銜鐵與軛鐵間碰撞也為最小。

圖2 觸點(diǎn)開(kāi)距Fig.2 Contact opening

3.2 超程彈簧預(yù)壓力對(duì)接觸器碰撞的影響

在閉合過(guò)程中由仿真實(shí)驗(yàn)可知，如圖3 所示，在閉合時(shí)兩觸點(diǎn)發(fā)生接觸，推動(dòng)桿、動(dòng)鐵芯、U 型支架等部分繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)同時(shí)超程彈簧壓縮，超程彈簧有抑制振動(dòng)的作用，隨著超程彈簧預(yù)壓力的增加，觸點(diǎn)彈跳時(shí)間和幅值逐漸減小。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡可能加大超程彈簧的預(yù)壓力， 后續(xù)會(huì)對(duì)超程彈簧預(yù)壓力施加進(jìn)行相關(guān)性研究。

圖3 閉合狀態(tài)碰撞過(guò)程Fig.3 Closed-state collision proc

3.3 返回彈簧預(yù)壓力對(duì)接觸器碰撞的影響

返回彈簧預(yù)壓力在斷開(kāi)和閉合過(guò)程中均對(duì)系統(tǒng)跳動(dòng)存在較大影響。 返回彈簧預(yù)壓力對(duì)接觸器碰撞的影響也主要表現(xiàn)為對(duì)動(dòng)靜觸點(diǎn)間及軛鐵與銜鐵間碰撞的影響。因此查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，隨著超程彈簧預(yù)壓力的增大，動(dòng)靜觸點(diǎn)及銜鐵與軛鐵間碰撞都為先增大后減小， 達(dá)到一定大小時(shí)碰撞彈跳時(shí)間與幅值達(dá)到最大。因此，在研究超程彈簧對(duì)接觸器的碰撞彈跳影響過(guò)程中， 應(yīng)綜合考慮彈簧的彈性屬性，及各件間相互作用關(guān)系，已達(dá)到動(dòng)靜觸點(diǎn)及銜鐵與軛鐵間碰撞達(dá)到最小。

3.4 U 架與動(dòng)觸點(diǎn)接觸位置的寬度與動(dòng)觸點(diǎn)長(zhǎng)度的比例

U 架與動(dòng)觸點(diǎn)接觸位置的寬度越長(zhǎng)在跳動(dòng)過(guò)程中動(dòng)觸點(diǎn)越穩(wěn)定，但如果寬度過(guò)大時(shí)容易造成靜觸點(diǎn)的短路，因此應(yīng)在后續(xù)研究中分析U 架與動(dòng)觸點(diǎn)接觸位置的寬度與動(dòng)觸點(diǎn)長(zhǎng)度的最優(yōu)比例。

3.5 磁間隙對(duì)接觸器彈跳的影響

推動(dòng)桿與動(dòng)鐵芯間通過(guò)螺紋連接， 動(dòng)鐵芯與軛鐵板的距離稱(chēng)為磁間隙如圖4 所示。 磁間大小一方面影響小彈簧的預(yù)壓力從而影響彈跳。 一方面磁間隙大小決定動(dòng)鐵芯的行程動(dòng)鐵芯帶動(dòng)推桿和動(dòng)觸點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)， 當(dāng)動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)發(fā)生碰撞時(shí)，動(dòng)鐵芯在磁力的作用下向上加速運(yùn)動(dòng)，磁間隙的大小決定著動(dòng)鐵芯與軛鐵板發(fā)生碰撞前的加速距離。通過(guò)研究可知加速距離越大動(dòng)鐵芯與軛鐵板碰撞時(shí)的動(dòng)能越大產(chǎn)生振動(dòng)越嚴(yán)重。 因此在研究磁間隙對(duì)振動(dòng)的影響時(shí)應(yīng)綜合考慮以上因素得到最佳磁間隙。

圖4 磁間隙Fig.4 Magnetic gap

4 總結(jié)

本文主要對(duì)高壓直流電磁繼電器的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行介紹，并對(duì)繼電器工作過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)危害進(jìn)行分析；建立高壓直流電磁繼電器的分段運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程及觸點(diǎn)間彈跳的動(dòng)力學(xué)方程，最終確定繼電器觸點(diǎn)開(kāi)距、超程彈簧預(yù)壓力、返回彈簧預(yù)壓力、U 型支架寬度和磁間隙大小是造成繼電器工作穩(wěn)定性的重要因素。