一種雙導(dǎo)向電磁結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)

周成龍，袁寶武，王 吉，焦 陽(yáng)

(1.陜西群力電工有限責(zé)任公司,陜西寶雞,721300；(2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電器與電子可靠性研究所,黑龍江哈爾濱,150001)

1 簡(jiǎn)介

接觸器是利用輸入線圈電路內(nèi)電流(電壓)在電磁鐵鐵心與銜鐵間產(chǎn)生一定大小和方向的電磁吸力而工作的元器件，可遠(yuǎn)距離、頻繁地接通和分?jǐn)嘟?、直流電路，具備小功率輸入控制大功率輸出的功能。廣泛應(yīng)用于自動(dòng)裝置、大功率動(dòng)力設(shè)備及電力保護(hù)等領(lǐng)域的電路通斷控制，是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的重要元件之一。

本文介紹一種上下雙導(dǎo)向電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證了內(nèi)部運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作的靈活性及同軸度。

2 電磁結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)

2.1 電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)該電磁系統(tǒng)采用螺線管式結(jié)構(gòu)，由線圈、鐵芯、軛鐵、銜鐵、氣隙組成磁路，電磁效率高，吸力及行程大。

2)銜鐵部分為機(jī)構(gòu)內(nèi)可運(yùn)動(dòng)部件，由托架、軸套、銜鐵、推桿裝配而成，托架選用抗熱變形性能良好的熱固性絕緣材料，中間及兩側(cè)平臺(tái)用于裝配動(dòng)簧組件，各組間設(shè)計(jì)隔弧墻，防止產(chǎn)品工作時(shí)觸點(diǎn)相間擊穿，利于隔弧。

3)推桿設(shè)計(jì)為階梯狀，選用抗拉強(qiáng)度高不導(dǎo)磁不銹鋼材料，推桿中部凸臺(tái)用于固定銜鐵，推桿上部加工M4螺紋，與托架內(nèi)嵌M4螺母配合緊固，使運(yùn)動(dòng)部分形成一個(gè)整體。

圖1 電磁系統(tǒng)剖視圖

圖2 銜鐵部分剖視圖

4)銜鐵外圓面環(huán)形凹槽(讓位設(shè)計(jì))，切削深度0.2mm，切削高度8mm，使銜鐵與外軛鐵間隙為0.35 mm(如圖5所示)，可有效減小銜鐵運(yùn)動(dòng)摩擦對(duì)產(chǎn)品性能的影響。

5)電磁系統(tǒng)頂端設(shè)計(jì)導(dǎo)筒零件(材料H65)，導(dǎo)筒外圓裝配在基座沉臺(tái)，導(dǎo)筒內(nèi)壁與銜鐵T型臺(tái)間隙配合，為銜鐵運(yùn)動(dòng)提供導(dǎo)向作用。

圖3 環(huán)形凹槽銜鐵剖視圖 圖4 導(dǎo)筒示意圖

6)電磁系統(tǒng)底部小軸套內(nèi)孔與推桿間隙配合(如圖5所示)，也具有導(dǎo)向作用，使得電磁系統(tǒng)具備上下雙導(dǎo)向設(shè)計(jì)，保證了銜鐵、推桿等運(yùn)動(dòng)部分的同軸度及靈活性。

圖5 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)剖示圖

2.2 工作原理

當(dāng)對(duì)線圈加電時(shí)，電磁系統(tǒng)內(nèi)氣隙處產(chǎn)生一定大小和方向的電磁吸力，此時(shí)銜鐵受電磁吸力克服復(fù)原彈簧的反力作用，通過(guò)推桿帶動(dòng)動(dòng)簧部分運(yùn)動(dòng)，使觸點(diǎn)閉合，實(shí)現(xiàn)電路切換。

當(dāng)線圈去激勵(lì)后，隨著電磁系統(tǒng)內(nèi)的電磁力消失，銜鐵在復(fù)位彈簧推力的作用下返回到初始狀態(tài)，通過(guò)推桿傳動(dòng)觸點(diǎn)也返回至初始狀態(tài)，等待下一次工作。

2.3 電磁系統(tǒng)理論計(jì)算與仿真分析

2.3.1 動(dòng)作線圈計(jì)算

啟動(dòng)線圈電阻R=5.5Ω，匝數(shù)為700匝，技術(shù)要求動(dòng)作電壓≤15Vd.c.，取動(dòng)作電壓為13Vd.c.，則動(dòng)作電流=13/5.5≈2.364A，因此IW≈1654.8安匝。

2.3.2 電磁吸力

F吸=6.4(IW)2Sσ-2.10-8(Kg)

計(jì)算作用在銜鐵上的電磁吸力(以13Vd.c.為例)：

F吸=6.4×(1654.8)2×2.1×(0.38)-2×10-8

=2.54(Kg)

式中：IW—安匝值(安匝)

S—工作氣隙的有效截面積(cm2)

δ—工作氣隙總長(zhǎng)度(cm)

表1 啟動(dòng)線圈不同電壓下電磁吸力

2.3.3 磁路磁通仿真分析

用FLUX軟件對(duì)電磁系統(tǒng)中軛鐵、線圈、導(dǎo)磁筒和銜鐵四個(gè)部分，在整個(gè)磁路中的分布情況分別進(jìn)行了仿真。該產(chǎn)品的線圈電壓變化范圍是0到28V，銜鐵位移變化范圍是0～3.8mm，設(shè)置仿真腳本的電壓步長(zhǎng)為1V，位移步長(zhǎng)設(shè)置為0.1mm。對(duì)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖6所示。

a)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖

繪制電壓、電磁吸力、位移三個(gè)變量之間的關(guān)系圖，如圖7所示。

圖7 磁通、電磁吸力隨位移的變化趨勢(shì)圖

從以上6個(gè)仿真結(jié)果圖可以看出，隨著銜鐵位移的增大、線圈電壓的增大，磁通和電磁吸力均逐漸增大。銜鐵中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B值最大約為2.001T，而電工純鐵DT4E飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs≈2.18T，仿真模擬為理想狀態(tài)，實(shí)際由于各種誤差及漏磁通存在，真實(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B值略小于仿真值。因此本設(shè)計(jì)保證了在該體積下電磁力最大、磁路不飽和，通過(guò)以上分析對(duì)比說(shuō)明了該產(chǎn)品電磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是合理、正確的。

2.3.4 切削銜鐵對(duì)磁力影響仿真分析

使用Flux軟件仿真銜鐵外徑切削厚度與電磁吸力變化的曲線關(guān)系，如圖8所示。

圖8 電磁吸力與銜鐵切削厚度關(guān)系圖

通過(guò)Flux軟件仿真分析，銜鐵在切削0.2mm時(shí)，13V和28V接觸器電磁吸力值下降減少，對(duì)產(chǎn)品整體吸反力配合影響較小。切削后的銜鐵，即保證了接觸器的吸合電壓在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，又減少因銜鐵摩擦對(duì)產(chǎn)品電壽命、機(jī)械壽命等性能的影響。

3 電磁吸力、機(jī)械反力實(shí)測(cè)

對(duì)電磁系統(tǒng)進(jìn)行電磁吸力、機(jī)械反力測(cè)試并記錄數(shù)據(jù)，與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證理論分析結(jié)果與實(shí)測(cè)是否一致。

3.1 電磁吸力測(cè)試

在銜鐵與鐵心之間分別塞入四種規(guī)格銅墊片，分別為0.98mm、2.02mm、3.01mm和3.88mm?？梢詼y(cè)出五個(gè)位置的電磁吸力，分別為銜鐵和鐵芯間距離為0mm、0.98mm、2.02mm、3.01mm和3.88mm，其中0mm代表吸合位置，3.88mm代表釋放位置，繪制實(shí)測(cè)電磁吸力曲線，具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表2及表3所示。

表2 不同電壓下單線圈電磁吸力測(cè)試值

表3 雙線圈不同電壓電磁吸力測(cè)試值

3.2 機(jī)械反力測(cè)試

反力曲線測(cè)試，利用推拉力計(jì)向下推連桿，記錄推動(dòng)力及位移變化。初始力即復(fù)原彈簧初壓力(A)，推動(dòng)連桿至輔助觸點(diǎn)(B)的外接指示燈熄滅，完成輔助觸點(diǎn)和復(fù)原彈簧反力共同作用下力的測(cè)試，繼續(xù)推動(dòng)連桿至線圈轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)外接燈熄滅(C)，外接燈熄滅完成由內(nèi)線圈到外線圈的轉(zhuǎn)換，此時(shí)整體反力為復(fù)原彈簧反力、線圈轉(zhuǎn)換簧片剛度和輔助觸點(diǎn)簧片剛度，將此時(shí)測(cè)力計(jì)示數(shù)與三組主觸點(diǎn)跟蹤彈簧初壓力相加，得到(D)，繼續(xù)推動(dòng)推拉力計(jì)至位移走完3.8mm。記錄此時(shí)位移初始位置及結(jié)束位置，繼續(xù)推動(dòng)推拉力計(jì)至完成整體銜鐵行程，記錄終值即為反力曲線的終點(diǎn)值，測(cè)試如圖9所示，繪制單雙線圈吸反力匹配圖，如圖10所示。

圖9 電磁系統(tǒng)反力測(cè)試步驟及測(cè)試結(jié)果

由圖10可知，單線圈13V電磁吸力曲線大于反力曲線，可保證接觸器在單線圈13V時(shí)動(dòng)作正常，雙線圈13V電磁吸力也大于反力曲線，保證了接觸器單雙線圈切換后可穩(wěn)定保持，而3V單線圈電磁吸力小于反力曲線，可正常釋放。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真分析一致度高達(dá)90%，說(shuō)明了該產(chǎn)品電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、正確，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖10 實(shí)測(cè)單、雙線圈電磁吸力與反力對(duì)比

4 測(cè)試與試驗(yàn)

按本研究結(jié)果和設(shè)計(jì)進(jìn)行了產(chǎn)品裝配和測(cè)試,動(dòng)作電壓和釋放電壓見表4。

表4 動(dòng)作電壓、釋放電壓測(cè)試記錄

從以上數(shù)據(jù)可以看出，產(chǎn)品動(dòng)作電壓、釋放電壓與理論計(jì)算、仿真結(jié)果一致性高。按該型接觸器詳細(xì)規(guī)范進(jìn)行全套試驗(yàn)結(jié)果合格，產(chǎn)品其余各項(xiàng)性能指標(biāo)、參數(shù)也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

以某接觸器為例，針對(duì)電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)雙導(dǎo)向電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究分析，對(duì)銜鐵及運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了動(dòng)作靈活性；對(duì)電磁系統(tǒng)進(jìn)行了理論計(jì)算與仿真分析，經(jīng)過(guò)產(chǎn)品試制、測(cè)試及試驗(yàn)，各項(xiàng)性能參數(shù)檢測(cè)合格，為同類型產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)積累了相關(guān)理論基礎(chǔ)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。