電磁繼電器吸力的分析改善

陳玉清

(廈門(mén)宏發(fā)電聲股份有限公司，福建廈門(mén)，360100)

1 引言

電磁繼電器廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、家電等領(lǐng)域，主要完成信號(hào)傳遞、執(zhí)行控制、系統(tǒng)配電等功能，是各系統(tǒng)中關(guān)鍵電子元器件之一。電磁繼電器機(jī)械和電氣參數(shù)是繼電器的關(guān)鍵參數(shù)，而吸反力曲線配合情況直接影響著產(chǎn)品機(jī)械和電氣參數(shù)。

電磁系統(tǒng)吸力特性進(jìn)行計(jì)算一般存在兩種計(jì)算方法，一種是使用“路”的方法；另一是采用“場(chǎng)”的方法。傳統(tǒng)的計(jì)算通常使用阻抗網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)電磁系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，該方法是建立在計(jì)算工作氣隙的氣隙磁導(dǎo)基礎(chǔ)上，即“路”的方法，該計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，同時(shí)也不能保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。近幾年來(lái)，電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，計(jì)算電子技術(shù)也在不斷的發(fā)展，這極大地改變了電磁場(chǎng)的計(jì)算方法，電磁吸力以及電磁場(chǎng)的計(jì)算能夠得到更加準(zhǔn)確的解，這都依賴于數(shù)值計(jì)算方法的使用，我們稱這種數(shù)值計(jì)算方法為“場(chǎng)”的方法，這種方法能夠?qū)Υ艌?chǎng)的連續(xù)問(wèn)題進(jìn)行離散化處理，用有限個(gè)節(jié)點(diǎn)上的計(jì)算數(shù)值去取代無(wú)限個(gè)點(diǎn)上的計(jì)算數(shù)值，它的本質(zhì)過(guò)程就是用每一個(gè)單一的單元作用力方程去整合系統(tǒng)的單元，用其組成系統(tǒng)方程，進(jìn)而求解得到系統(tǒng)方程解，這種方法被稱為有限元分析方法[1]。

本文利用有限元分析對(duì)某型號(hào)直流電磁繼電器進(jìn)行仿真，繪制出吸力特性曲線來(lái)驗(yàn)證繼電器電磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理。

2 靜吸力特性與反力特性配合

在分析吸反力配合情況時(shí)，電磁繼電器在銜鐵在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，流在線圈中電流是不斷變化的，因此對(duì)動(dòng)態(tài)吸力特性曲線進(jìn)行準(zhǔn)確地測(cè)量就變得十分困難，甚至無(wú)法真實(shí)的與實(shí)際情況符合。靜態(tài)吸力特性曲線具有檢測(cè)方便的優(yōu)點(diǎn)，且靜吸力曲線和反力曲線的能否有效配合直接影響到電磁繼電器的工作可靠性和工作效率，因此用靜態(tài)吸力特性曲線代替電磁吸力特性曲線。

2.1 測(cè)試原理

靜吸力特性與反力特性曲線采用自制的吸反力測(cè)試儀器測(cè)試。該吸反力測(cè)試儀采用千分表、力傳感器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成。如圖1所示，給線圈施加激勵(lì)銜鐵閉合，通過(guò)電控平臺(tái)帶動(dòng)壓力傳感器以固定的步距下壓銜鐵，讀取力傳感器的值，即可得到吸力曲線[2]。在有接觸系統(tǒng)作用下，不給線圈施加激勵(lì)，通過(guò)電控平臺(tái)帶動(dòng)壓力傳感器以固定的步距下壓銜鐵，讀取力傳感器的值，即可得到反力曲線。

圖1 靜吸力測(cè)試原理

2.2 靜吸力特性與反力特性曲線

通過(guò)自制吸反力測(cè)試儀器測(cè)試出某型號(hào)電磁繼電器的實(shí)際的靜吸力特性與反力特性曲線，通過(guò)Minitab軟件繪制配合情況見(jiàn)圖3。通過(guò)分析某型號(hào)12V電磁繼電器吸反力配合，發(fā)現(xiàn)在U=6.0V的激勵(lì)作用下，銜鐵在運(yùn)動(dòng)過(guò)程小氣隙階段局部出現(xiàn)吸力小于反力，可能會(huì)出現(xiàn)銜鐵運(yùn)動(dòng)過(guò)程卡滯的現(xiàn)象(二次動(dòng)作，簡(jiǎn)稱二動(dòng))。

圖2 反力測(cè)試原理

圖3 某型號(hào)12V電磁繼電器吸反力配合情況

3 電磁吸力特性的影響分析

根據(jù)電磁系統(tǒng)的電磁吸力能量公式，如(3-1)所示。

(3-1)

式中：負(fù)號(hào)表示力F是指向氣隙減小的方向；

δ表示氣隙大??；

Uδ表示氣隙磁壓降；

Λδ氣隙磁導(dǎo)。

根據(jù)麥克斯韋電磁吸力公式，考慮在實(shí)際電磁系統(tǒng)中，在小氣隙內(nèi)磁場(chǎng)可認(rèn)為是集中均勻分布，且漏磁導(dǎo)又不隨氣隙變化時(shí)，電磁吸力的公式可簡(jiǎn)化為

(3-2)

式中：A表示氣隙處的磁極極端面面積。

電磁系統(tǒng)通常是在兩種條件下工作：恒磁勢(shì)(IN)條件(如直流并激電磁系統(tǒng))和恒磁鏈條件(如交流并激電磁系統(tǒng))。該型號(hào)電磁系統(tǒng)U型拍合式直流電磁系統(tǒng)，在恒磁勢(shì)條件下，當(dāng)氣隙處于較大氣隙行程時(shí)，磁路不飽和，可不計(jì)鐵心及非工作氣隙磁阻，式(3-1)可改寫(xiě)為

(3-3)

如不計(jì)氣隙磁通的磁極邊緣效應(yīng)，則(3-3)又可簡(jiǎn)寫(xiě)為

(3-4)

可見(jiàn)在恒磁勢(shì)條件，大氣隙時(shí)，電磁系統(tǒng)的電磁吸力與磁極極端面面積A成正比。結(jié)合式(3-2)，小氣隙是，電磁系統(tǒng)的電磁吸力與磁極極端面面積A成反比。因此從理論上分析磁極極端面面積越小，吸力特性越陡峭，如圖4所示。

圖4 不同磁極極端面面積理論的吸力特性

綜上所述，磁極極端面面積太大或太小，對(duì)于直流電磁系統(tǒng)都是不利的，需要選擇合適是磁極極端面面積。從圖3某型號(hào)12V電磁繼電器吸反力配合情況，小氣隙時(shí)吸力曲線偏低，考慮通過(guò)優(yōu)化鐵心極面面積來(lái)改善。接下來(lái)利用有限元分析軟件對(duì)某型號(hào)直流電磁繼電器吸反力特性進(jìn)行仿真分析。

4 靜態(tài)吸力仿真

4.1 有限元分析軟件的介紹

有限元分析廣泛應(yīng)用于各個(gè)工程電磁領(lǐng)域，它不僅可以對(duì)單個(gè)磁路機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，還可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真[3]。它的計(jì)算原理是根據(jù)麥克斯韋微分方程，采用有限元離散形式，將工程中的電磁場(chǎng)計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)榫仃嚽蠼?，直接?jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度和電流分布，再由磁場(chǎng)強(qiáng)度獲得磁通密度典型的應(yīng)用包括電機(jī)、變壓器、接觸器等[3]。

4.2 有限元軟件三維磁場(chǎng)仿真步驟

圖5 有限元軟件三維磁場(chǎng)仿真步驟

現(xiàn)有鐵心帽徑為6mm，根據(jù)前文分析適當(dāng)減小鐵心極面可能改善產(chǎn)品二動(dòng)的問(wèn)題。使用有限元軟件三維磁場(chǎng)仿真鐵心帽徑分別為5.0mm、5.5mm、6.0mm的吸力曲線見(jiàn)圖6。從仿真結(jié)果分析鐵心帽徑5.0mm在銜鐵閉合位置的吸力比帽徑6.0mm大1.5N，但初始吸力下降0.2N，結(jié)合反力配合曲線可能導(dǎo)致產(chǎn)品初始吸力不足。若帽徑由6mm改為5.5mm后初始端吸力差異較小，50%U與70%U的吸力末端明顯增大，20%U的吸力末端增加相對(duì)前兩者增加小了一半左右，這種增加趨勢(shì)對(duì)于降低產(chǎn)品二動(dòng)不良，同時(shí)又不降低釋放電壓理論是可行的。

圖6 某產(chǎn)品鐵心不同帽徑吸反力匹配仿真

5 驗(yàn)證仿真結(jié)果

通過(guò)仿真分析鐵心帽徑由6.0mm改為5.5mm可以改善該產(chǎn)品二動(dòng)不良，為了驗(yàn)證實(shí)際改善效果，特制帽徑為5.5mm的進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)公司自制的吸反力測(cè)試儀測(cè)試改善前后吸反力曲線配合情況見(jiàn)圖7，趨勢(shì)與仿真結(jié)果相近。

圖7 鐵心不同帽徑吸反力匹配實(shí)際改善情況

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)有限元仿真分析方法，快速且準(zhǔn)確地驗(yàn)證繼電器電磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理，從而達(dá)到降低設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)效率的目的。工程人員還可以利用仿真結(jié)果，分析電磁系統(tǒng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布、漏磁大小等，為繼電器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有效的手段。