一種高沖擊指標(biāo)的微型密封電磁繼電器的設(shè)計(jì)

張 耀，譚 旭，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)品是一種方形"TO-5"封裝形式的微型密封電磁繼電器，隨著裝備使用環(huán)境更加惡劣，要求繼電器的工作性能及環(huán)境指標(biāo)更加嚴(yán)格，用戶提出了一種高沖擊指標(biāo)(980m/s2)的微型密封電磁繼電器[1]。本產(chǎn)品采用了新的磁路結(jié)構(gòu)形式及裝配工藝手段，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，沖擊指標(biāo)高，機(jī)-電匹配合理。本文介紹了產(chǎn)品的電磁系統(tǒng)、鐵芯部分的、接觸系統(tǒng)機(jī)械參數(shù)的設(shè)計(jì)。

2 結(jié)構(gòu)方案

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

該產(chǎn)品為方形TO-5繼電器，有一個(gè)控制繞組和兩組轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)，可切換低電平到1A、28Vd.c.額定負(fù)載。安裝方式和引出端形式符合軍用密封電磁繼電器系列型譜GJB/Z39.2-2001的規(guī)定。可供航空、航天等領(lǐng)域作電路切換用。其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1所示。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

2.2 關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)

沖擊指標(biāo)為980m/s2。

2.3 繼電器方案設(shè)計(jì)

2.3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該產(chǎn)品為微型密封電磁繼電器，總體結(jié)構(gòu)采用拍合式。繼電器機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖1，由電磁系統(tǒng)與接觸系統(tǒng)通過(guò)軛鐵連接組成，該結(jié)構(gòu)可最大限度地利用微型繼電器內(nèi)部有限的空間，且整體結(jié)構(gòu)剛性較好。

圖1 繼電器機(jī)構(gòu)

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

繼電器電磁系統(tǒng)見(jiàn)圖2，采用拍合式結(jié)構(gòu)。

圖2 電磁系統(tǒng)

電磁系統(tǒng)由鐵芯、軛鐵、線圈、銜鐵、推桿、固定架、碗形墊圈組成。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：

1)該結(jié)構(gòu)可最大限度地利用微型繼電器內(nèi)部有限的空間，且整體結(jié)構(gòu)剛性較好。

2)線圈與鐵芯極面間有一碗狀金屬墊圈，因而避免了線圈變形而影響銜鐵行程。

3)銜鐵轉(zhuǎn)動(dòng)部分采用懸掛式結(jié)構(gòu)，以固定架見(jiàn)圖3作為轉(zhuǎn)軸，固定架與鐵芯點(diǎn)焊連接，固定架兩側(cè)與銜鐵見(jiàn)圖4槽配合 。

圖3 固定架圖4 銜鐵

2.3.3 接觸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

接觸系統(tǒng)(見(jiàn)圖5)采用半柔性線形接觸形式。主要由動(dòng)簧片、觸點(diǎn)、擋片、底座和復(fù)原簧片構(gòu)成。其中，底座為底板和焊腳采用玻璃絕緣子燒接而成，簧片部分和觸點(diǎn)分別點(diǎn)焊在對(duì)應(yīng)焊腳上，擋片和復(fù)原簧片分別點(diǎn)焊在底板上。

圖5 接觸系統(tǒng)

2.3.3.1 接觸系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

a. 材料的選擇，該產(chǎn)品采用柱面與平面的接觸形式；繼電器觸點(diǎn)采用鍍金的方式，簧片選用銀鎂鎳帶，觸點(diǎn)選用六元合金。

b. 觸點(diǎn)間隙的確定

(1)保證觸點(diǎn)在斷開(kāi)時(shí)，分?jǐn)嚯娀∧芸煽肯纭?/p>

可根據(jù)伏安特性得到電弧臨界長(zhǎng)度表達(dá)式。一般情況下，將觸點(diǎn)間隙設(shè)計(jì)為0.5～0.8倍的電弧臨界長(zhǎng)度，所以觸點(diǎn)間隙應(yīng)為：

式中，U0為觸點(diǎn)電源電壓；R為觸點(diǎn)回路電阻；c，n為常數(shù)(對(duì)于在空氣中的電弧，取c=80，n=0.5)；K為速度因子，一般取為0.5～0.8。

經(jīng)計(jì)算，觸點(diǎn)間隙可暫取為0.05mm。

(2)保證在試驗(yàn)電壓下，觸點(diǎn)間可靠絕緣。

圖6 帕邢曲線

該產(chǎn)品介質(zhì)耐電壓為500 Vr.m.s.，為保證設(shè)計(jì)余量，將介質(zhì)耐電壓提高到600 Vr.m.s.，查上表可知承受600 Vr.m.s.介質(zhì)耐電壓需要0.07mm的間隙，由于繼電器內(nèi)部充有惰性氣體，因此將觸點(diǎn)間隙取為0.06mm。

c.觸點(diǎn)壓力的確定

觸點(diǎn)壓力可根據(jù)觸點(diǎn)材料和負(fù)載來(lái)確定，查閱資料，見(jiàn)下表：

觸點(diǎn)材料銀及銀合金金及金合金銀-氧化鎘系數(shù)(N/A)0.015～0.050.02～0.0250.01～0.015

該產(chǎn)品觸點(diǎn)為六元合金，簧片為銀鎂鎳，表面鍍金，負(fù)載為1A，因此觸點(diǎn)初始?jí)毫?0.02～0.025)N/A×1A=(0.02～0.025)N。取產(chǎn)品觸點(diǎn)壓力為0.025N。

d. 觸點(diǎn)超行程

觸點(diǎn)超行程的目的是補(bǔ)償磨損，也是產(chǎn)生足夠觸點(diǎn)壓力，使觸點(diǎn)磨損不致于嚴(yán)重影響其正常工作。要產(chǎn)生觸點(diǎn)超行程必然出現(xiàn)動(dòng)靜觸點(diǎn)表面間的相對(duì)滑動(dòng)，這樣可將觸點(diǎn)表面的氧化薄膜和灰塵等擦掉，以利于接觸可靠。但從減小電磁系統(tǒng)動(dòng)作功率和結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)說(shuō)，又希望觸點(diǎn)超行程盡量小一些。

由于觸點(diǎn)磨損量很難計(jì)算，因此依靠經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通常微型密封電磁繼電器觸點(diǎn)超行程應(yīng)部小于0.03mm。因此取觸點(diǎn)超行程為0.03mm。

通過(guò)以上可靠性設(shè)計(jì)，產(chǎn)品可滿足1A、28Vd.c.(阻性)1×105要求。

2.3.3.2 耐力學(xué)環(huán)境的參數(shù)設(shè)計(jì)

針對(duì)980m/s2(脈沖持續(xù)時(shí)間：6ms)沖擊指標(biāo)，根據(jù)前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該產(chǎn)品出現(xiàn)沖擊試驗(yàn)失效的狀態(tài)主要表現(xiàn)為，去激勵(lì)狀態(tài)下靜合觸點(diǎn)斷開(kāi)抖動(dòng)。影響產(chǎn)品沖擊條件下，觸點(diǎn)發(fā)生斷開(kāi)的可能是靜合觸點(diǎn)壓力不夠，導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)斷開(kāi)抖動(dòng)現(xiàn)象，或者銜鐵轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生位移，推動(dòng)動(dòng)簧片，出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，現(xiàn)在對(duì)以上兩種情況進(jìn)行分析：

圖7 接觸系統(tǒng)模型

由以上計(jì)算可知，當(dāng)繼電器受到980m/s2沖擊時(shí)，簧片產(chǎn)生的撓度小于施加壓力時(shí)簧片產(chǎn)生的撓度，所以不會(huì)引起斷開(kāi)抖動(dòng)。

針對(duì)以上問(wèn)題，采取如下設(shè)計(jì)方案：

1.由于銜鐵反力是由點(diǎn)焊在底板上的復(fù)原彈簧提供，為避免產(chǎn)品在去激勵(lì)情況下出現(xiàn)靜合觸點(diǎn)斷抖，故設(shè)定復(fù)原簧片反力為≥0.018N。

2.增加吸力。

增大軛鐵工作面，見(jiàn)圖8所示，在以往的設(shè)計(jì)中，為了減小漏磁通，把軛鐵與鐵芯極靴面間的距離d設(shè)計(jì)的比較大。事實(shí)上，漏磁的大小是與工作磁通相對(duì)而言的，理論估算和實(shí)際測(cè)量表明，在一定范圍內(nèi)適當(dāng)減小軛鐵與鐵芯極面間的距離，雖然會(huì)導(dǎo)致漏磁通變大，但由于此時(shí)工作氣隙δ亦減小，且軛鐵工作面面積增大，工作磁通增長(zhǎng)的幅度更大，有利于提高吸合靈敏度和吸合后的電磁吸力，見(jiàn)圖9所示：

圖8 原電磁系統(tǒng)

圖9 改進(jìn)后電磁系統(tǒng)

根據(jù)拍合式電磁系統(tǒng)靜態(tài)吸合力公式：

其中，uδ為該氣隙的磁壓降(安匝)，μ0為空氣磁導(dǎo)率，S為極靴面積，δ為氣隙距離。

比較以上兩種電磁系統(tǒng)，帶入公式中計(jì)算。

=0.1N

=0.15N

電磁力的增加，可以保證本產(chǎn)品在高溫條件下可靠動(dòng)作，從而保證了產(chǎn)品的高溫電壽命要求。

通過(guò)以上接觸系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)及耐力學(xué)環(huán)境參數(shù)設(shè)計(jì)，保證了該產(chǎn)品的沖擊指標(biāo)要求。

3 基于有限元軟件的電磁及力學(xué)仿真計(jì)算

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。

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(guò)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(如圖10所示)。

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(wèn)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(lái)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)間又可以方便地觀察試驗(yàn)結(jié)果。分網(wǎng)效果圖(如圖11所示)。

圖10 電磁系統(tǒng)模型圖11 分網(wǎng)效果圖

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12所示。

圖12 仿真結(jié)果圖

4 結(jié)論

本文介紹了一種高沖擊指標(biāo)的微型密封電磁繼電器，其總體采用拍合式結(jié)構(gòu)，接觸系統(tǒng)采用半柔性接觸形式。通過(guò)合理設(shè)計(jì)零部件結(jié)構(gòu)尺寸，并通過(guò)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(guò)三個(gè)批次的裝配及試驗(yàn)，已順利通過(guò)我公司產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型。今后可將本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案推廣至我公司同類(lèi)型微型密封電磁繼電器，進(jìn)一步滿足武器裝備科研生產(chǎn)的要求。