一種小型平衡力式密封電磁繼電器的設(shè)計(jì)

張 耀，譚 旭，史利兵，劉艷艷，劉國(guó)蕊

(陜西群力電工有限責(zé)任公司，陜西寶雞，721300)

1 引言

本產(chǎn)品是1立方英寸平衡力式密封電磁繼電器，隨著裝備使用要求的提升，要求繼電器的工作性能及環(huán)境指標(biāo)更加可靠，用戶提出了一種具有三組動(dòng)合觸點(diǎn)，一組轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)的密封電磁繼電器。本產(chǎn)品采用了平衡力式磁路結(jié)構(gòu)形式及帶轉(zhuǎn)換功能的接觸系統(tǒng)，同時(shí)運(yùn)用仿真分析及計(jì)算，合理設(shè)置了機(jī)械參數(shù)。經(jīng)測(cè)試證明，產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠，機(jī)-電匹配合理。本文介紹了產(chǎn)品的電磁系統(tǒng)、銜鐵部分、轉(zhuǎn)換功能接觸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 結(jié)構(gòu)方案

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

該小型平衡力式密封直流電磁繼電器為1立方英寸平衡力式電磁繼電器，具有一個(gè)控制繞組、三組動(dòng)合觸點(diǎn)和一組轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)，可切換25A×28Vd.c.(主觸點(diǎn))、2A×28Vd.c.(輔助觸點(diǎn))負(fù)載。該產(chǎn)品的主要特點(diǎn)是體積小，負(fù)載體積比大，結(jié)構(gòu)緊湊，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。產(chǎn)品采用熔焊密封，可廣泛用于航天、航空等環(huán)境條件惡劣的電子設(shè)備中。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

2.2 關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)

1)觸點(diǎn)功能3H1Z；

2)高溫電壽命5×104次。

2.3 繼電器方案設(shè)計(jì)

2.3.1 電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前的平衡力式電磁系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)為Balance Force(平衡力)電磁結(jié)構(gòu)[1]。

平衡力電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。無論是拍合式還是平衡銜鐵式結(jié)構(gòu)繼電器，其靜合觸點(diǎn)的觸點(diǎn)壓力都由返回彈簧提供，一般要小于動(dòng)合觸點(diǎn)閉合后的觸點(diǎn)壓力(該觸點(diǎn)壓力由電磁力提供)。所以在銜鐵打開、靜合觸點(diǎn)閉合時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的彈跳，其耐振動(dòng)和耐沖擊性能也較差。為此，美國(guó)Leach公司在1966年以后發(fā)展了抗震性能更好，功耗更小、體積和質(zhì)量也更小的平衡力繼電器。這種繼電器的吸合是靠線圈產(chǎn)生的電磁力，返回是靠永磁回路產(chǎn)生的永磁力。因此，作用在動(dòng)合觸點(diǎn)上的保持力由線圈產(chǎn)生的電磁力提供，作用在靜合觸點(diǎn)上的保持力由永磁力提供。設(shè)計(jì)時(shí)使動(dòng)合電磁力與返回永磁力相等，從而使動(dòng)合觸點(diǎn)保持力與靜合觸點(diǎn)保持力相等，因此國(guó)外稱之為平衡力繼電器，直譯為“等力式繼電器”。這種繼電器具有環(huán)境指標(biāo)高、切換可靠、適用功率繼電器切換容量大的特點(diǎn)。美軍標(biāo)MIL-R-6106中，多數(shù)產(chǎn)品采用這種結(jié)構(gòu)，這種產(chǎn)品在世界航空領(lǐng)域被大量使用。

圖1 平衡力電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：

(1)若設(shè)計(jì)合理； 激勵(lì)和非勵(lì)磁時(shí)銜鐵受力相等， 亦即所謂的平衡。

(2)繞線窗口面積大，電磁效率高。

(3)勵(lì)磁磁通不通過磁鋼，磁路磁阻小，磁損耗低。

(4)保持力較高，可承受較高的加速度下的沖擊、振動(dòng)。

本產(chǎn)品電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇Balance Force電磁結(jié)構(gòu)，電磁系統(tǒng)見圖3，主要由磁路部分、銜鐵組件用固定架點(diǎn)焊連接[2,3]。

圖3 電磁系統(tǒng)

該電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用雙線圈并聯(lián)電磁結(jié)構(gòu)，雙線圈并聯(lián)電磁結(jié)構(gòu)雖然成本較高，但能夠在較小空間獲得最大的電磁效率。同時(shí)，由于雙線圈繞線窗口面積大，同規(guī)格下可采用比單線圈粗的漆包線，吸合安匝高，且在同等功耗下可保證較大的電磁吸力。由于電磁吸力較大，故選用了高磁能積、耐高溫的永久磁鋼，以提供與電磁力相匹配的復(fù)原反力(磁鋼保持力)，實(shí)現(xiàn)電磁吸力與復(fù)原反力的平衡匹配(力平衡)。另外，線圈散熱面積大，發(fā)熱小，可保證繼電器在高溫環(huán)境下長(zhǎng)期工作的可靠性。

軛鐵、鐵心、線圈采用旋鉚工藝鉚接在一起，連接牢固，漏磁小，磁損耗低，可確保該結(jié)構(gòu)電磁系統(tǒng)提供較大的電磁吸力。

該結(jié)構(gòu)中磁鋼作為主要的復(fù)原裝置，可使繼電器動(dòng)合觸點(diǎn)壓力與靜合觸點(diǎn)壓力對(duì)稱平衡；克服了電磁繼電器單純用復(fù)原簧片使銜鐵復(fù)原，彈簧易諧振和疲勞失效的缺點(diǎn)；提高了電磁系統(tǒng)長(zhǎng)期工作情況下抗沖擊、振動(dòng)的性能。

2.3.2 銜鐵部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

銜鐵部分見圖4，由簧片排、小軸架、銜鐵、軸、固定架、推桿組件構(gòu)成。將簧片排通過小軸架及軸與銜鐵緊固成一體，首先點(diǎn)焊兩個(gè)小軸架，然后將軸從陶瓷塊的孔中穿過，通過兩個(gè)小軸架的“V”形槽和固定架將軸“抱緊”，將簧片排緊固在銜鐵上，最后在銜鐵上點(diǎn)焊推桿組件，通過銜鐵運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)推桿組件，實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)換功能。該結(jié)構(gòu)通過絕緣的陶瓷塊，將動(dòng)簧組件與銜鐵結(jié)合成一體。該結(jié)構(gòu)剛性好，能夠保證觸點(diǎn)可靠接觸，滿足切換負(fù)載要求。

圖4 銜鐵部分

2.3.3 接觸系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

接觸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5,靜觸點(diǎn)組件、支撐、輔助觸點(diǎn)、輔助簧片點(diǎn)焊在焊腳上，該結(jié)構(gòu)剛性、工藝性好。為滿足一組轉(zhuǎn)換功能，在接觸系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)部分，既能保證觸點(diǎn)功能，又可以在繼電器激勵(lì)時(shí)，提供足夠的反力。

圖5 接觸系統(tǒng)

2.3.3 繼電器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

繼電器機(jī)構(gòu)見圖6，主要由電磁系統(tǒng)、接觸系統(tǒng)通過支架點(diǎn)焊連接，并安裝有U型連接卡，通過連接卡實(shí)現(xiàn)電磁系統(tǒng)中簧片排與接觸系統(tǒng)連接。連接卡采用銀鎂鎳合金帶，可保證良好的接觸性能和彈性。

圖6 繼電器機(jī)構(gòu)

3 基于有限元軟件的電磁仿真

建立產(chǎn)品虛擬樣機(jī)靜態(tài)吸力計(jì)算模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原設(shè)計(jì)的電磁吸力，靜態(tài)磁鏈，磁場(chǎng)分布的計(jì)算[4,5]。

首先建立該型繼電器的電磁系統(tǒng)模型，在該模型中包含鐵芯、線圈、銜鐵、軛鐵，在建模過程中該模型的固定部分與轉(zhuǎn)動(dòng)部分以不同坐標(biāo)導(dǎo)入到模型中(見圖7)。

圖7 電磁系統(tǒng)模型

建模完畢后，建立若干不同的分網(wǎng)點(diǎn)，每個(gè)分網(wǎng)點(diǎn)都設(shè)置不同的分網(wǎng)密度，然后在根據(jù)實(shí)際問題的需要將模型中的點(diǎn)劃分到這幾個(gè)分網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中，從而來實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的不同區(qū)域進(jìn)行不同密度的分網(wǎng)，這樣既可以節(jié)省計(jì)算時(shí)間有可以方便地觀察試驗(yàn)結(jié)果。分網(wǎng)效果如圖8所示。

圖8 磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行后處理可以得到整個(gè)電磁系統(tǒng)以及單一截面的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖和磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖和動(dòng)作電壓和釋放電壓下的電磁吸力圖，如圖9所示。

圖9 電磁吸力圖

4 結(jié)論

本文介紹了一種平衡力式密封電磁繼電器，其總體采用平衡力式結(jié)構(gòu)，接觸系統(tǒng)設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)功能。通過合理設(shè)計(jì)零部件結(jié)構(gòu)尺寸，并通過理論計(jì)算和仿真分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案可滿足產(chǎn)品的性能要求。本產(chǎn)品經(jīng)過三個(gè)批次的裝配及試驗(yàn)，已順利通過我公司產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型鑒定。