基于有限元模擬的微電磁繼電器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與研究

馮波，栗保明

(南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國家重點實驗室，江蘇 南京 210094)

電磁繼電器是一種電子控制元器件，具有控制系統(tǒng)(又稱為輸入回路)和被控制系統(tǒng)(又稱為輸出回路)，本質(zhì)上是用較小的電流去控制較大電流的一種開關(guān)，可以在各種電路中有調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換、保護電路的作用[1-2]，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)制造和自動化控制(比如航空航天系統(tǒng)、芯片制造、交通等)領(lǐng)域。最近幾年微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的研究與發(fā)展受到了極大的關(guān)注，以此技術(shù)為基礎(chǔ)研制的微電磁繼電器的前景也越來越廣闊。和傳統(tǒng)電磁繼電器相比，微電磁繼電器繼承了它們的優(yōu)點，比如性價比高，價格低，活動電極與固定電極接觸電阻比較小，各組件耐壓強度較大等，還有載流能力較強的優(yōu)勢，而且各個方面尺寸微小，那么在微執(zhí)行通信等領(lǐng)域的應(yīng)用就成為了可能，良好的集成性可以運用在各種各樣的控制系統(tǒng)中[3-5]，比如火炮發(fā)射的伺服控制系統(tǒng)等。

筆者基于已有的微電磁繼電器的研究，建立了微電磁繼電器的結(jié)構(gòu)模型，使用有限元模擬分析(ANSYS)軟件和Origin圖像處理軟件對繼電器線圈電磁場的分布情況和銜鐵在平面磁芯線圈的電磁場中受到的電磁力進行仿真計算、結(jié)果處理[6-7]，為線圈中的電流激勵、銜鐵的使用材料，以及銜鐵和固定電極的相對位置、各間隙大小設(shè)計奠定基礎(chǔ)。對微電磁繼電器的進一步應(yīng)用具有一定的參考意義。

1 微電磁繼電器的結(jié)構(gòu)和工作原理

目前來講，微電磁繼電器通常是由平面磁芯線圈、絕緣層、導(dǎo)磁體層、銜鐵、固定電極和硅基底等構(gòu)成[8]。當(dāng)微電磁繼電器在實際使用環(huán)境工作的時候，在平面磁芯線圈中會施加電流激勵，之后在平面磁芯線圈中就會發(fā)生電磁感應(yīng)效應(yīng)。銜鐵這時自然受到平面磁芯線圈電磁力的吸引就會克服安裝在電極之間的彈簧的彈力(相對傳統(tǒng)繼電器，彈力較小)被吸向固定電極，從而使得控制電路實現(xiàn)控制工作電路的目的。當(dāng)平面磁芯線圈失去電流激勵以后，由于返回彈簧的存在，銜鐵就會返回。經(jīng)過這樣的流程，最終實現(xiàn)電路的閉合和斷開。其中平面磁芯線圈是微電磁繼電器的重要組成部分，線圈的材料、銜鐵的材料、各個部分的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、各激勵參數(shù)須滿足以下條件[9-10]:

1)銜鐵與固定電極的相對位置，即活動間隙需在微米量級內(nèi)，而且各組件應(yīng)該具有比較高的耐壓強度，避免擊穿。

2)在接觸電阻很小的前提下，線圈需要提供穩(wěn)定持續(xù)的接觸力，才能使得工作電路一直保持閉合狀態(tài)，比如當(dāng)繼電器工作在火炮發(fā)射等比較惡劣、復(fù)雜多變的環(huán)境中時，穩(wěn)定的接觸力能夠保證繼電器的可靠性。

3)在保證平面磁芯線圈的磁場強度滿足實際各種需求的情況下，盡量提升線圈的載流能力，以滿足實際運用中某些伺服控制系統(tǒng)的需求。

2 仿真結(jié)果分析與討論

從目前的研究來看，研究微電磁繼電器工作時，平面線圈內(nèi)部和附近的電磁場分布，以及銜鐵在平面磁芯線圈中因電磁感應(yīng)效應(yīng)所產(chǎn)生的電磁場中所受電磁力情況并對受力應(yīng)變進行分析，對于確定在實際用途中電流激勵的大小、各個電極的相對位置、觸點分布、材質(zhì)、各部分間距等參數(shù)，進而設(shè)計出穩(wěn)定可靠的微電磁繼電器具有十分重要的意義。

使用ANSYS有限元模擬分析軟件和Origin圖像處理軟件對提出的微電磁繼電器結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵組件(平面線圈)的電磁場分布和銜鐵在平面磁芯線圈中因電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電磁場中所受到電磁力的情況進行計算分析以及受力應(yīng)變進行分析，綜合考慮各種因素后，可以據(jù)此設(shè)計出比較合理的微電磁繼電器結(jié)構(gòu)的方案，為將來運用到火炮發(fā)射控制工程領(lǐng)域奠定基礎(chǔ)。

2.1 平面磁芯線圈的電磁場分布

通過對目前微電磁繼電器線圈結(jié)構(gòu)的研究進行分析，可以考慮將平面磁芯線圈的結(jié)構(gòu)制作成圖1所示的結(jié)構(gòu)(內(nèi)部存在多處彎曲)。微電磁繼電器其余部件的位置、結(jié)構(gòu)如圖2所示，副磁線圈位于主線圈間隙中。

由于所給電流激勵在單次計算中是穩(wěn)定不變的，據(jù)此對微電磁繼電器建立了如圖3所示的3D穩(wěn)態(tài)仿真模型，整個仿真模型大致由銜鐵(由藍色區(qū)域?qū)?yīng)表示)、線圈(由紅色區(qū)域?qū)?yīng)表示)、副磁線圈(由紫色區(qū)域?qū)?yīng)表示)和空氣(由空白區(qū)域表示)4個部分構(gòu)成。

有限元分析電流激勵設(shè)置大致如圖4所示，所加電流激勵為多匝Stranded類型，大小可以調(diào)整，激勵位于線圈截面處。邊界條件是默認的零磁場，故不需要再手動添加。

線圈內(nèi)部及附近的磁感線分布和電磁場強度云圖如圖5～6所示。從仿真的結(jié)果可以得出結(jié)論，當(dāng)線圈加上電流激勵之后，發(fā)生電磁感應(yīng)效應(yīng)，由此產(chǎn)生一定的磁通量，磁通量主要集中在線圈內(nèi)，通過間隙沿下部磁芯流入到附近的外磁芯，逐漸向其余外磁芯傳播，從而產(chǎn)生了電磁吸引力作用在銜鐵上，隨后銜鐵與固定電極接觸，將觸點接通，達到控制電路的目的。從線圈磁場云圖的結(jié)果可得：線圈中的磁場主要分布在線圈內(nèi)部且較為集中，這會對銜鐵產(chǎn)生比較大的吸引力，這與后續(xù)的計算結(jié)果相符合，電磁力呈現(xiàn)為Z軸方向且大小較為穩(wěn)定，其他方向的力與Z軸相比數(shù)量級相差過大，可以忽略不計，該吸引力能夠保證銜鐵和固定電極的穩(wěn)定接觸，提高繼電器在工作時的可靠性，使其可以在復(fù)雜多變的環(huán)境下穩(wěn)定工作。由此可以說明所建立的微電磁繼電器的仿真模型是合理的。

2.2 勵磁線圈的電磁力計算

當(dāng)在平面磁芯線圈上施加激勵時，產(chǎn)生電磁感應(yīng)效應(yīng)，銜鐵會在線圈所生成的磁場洛侖茲力的作用下垂直運動下去。很明顯，為了保證動靜觸點的接觸，保證繼電器工作的可靠性，線圈因電磁效應(yīng)所產(chǎn)生的電磁場應(yīng)當(dāng)足夠吸引銜鐵，使它與固定電極接觸，使得控制電路接通。因此，勵磁線圈的電磁力應(yīng)達到一定的大小。為了便于分析，一般認為銜鐵此時是各向同性的磁性材料，則銜鐵在垂直方向(Z)上所受到平面磁芯線圈的電磁力可以表示為[11]

(1)

式中：Bz為控制電路接通以后，線圈中電磁感應(yīng)強度在垂直方向上的分量；Mz為銜鐵被整個磁化后的磁感應(yīng)強度的垂直分量；V為銜鐵的體積大小數(shù)值。由此，經(jīng)過推導(dǎo)Mz表示為[11]

(2)

式中：Xm為各向同性的磁性材料磁化系數(shù)；ur和u0為銜鐵材料的相對磁導(dǎo)率和真空磁導(dǎo)率的數(shù)值，均可查表；Hz為線圈電磁感應(yīng)磁場強度的垂直方向(Z)的分量。將式(2)代入到式(1)，可推導(dǎo)得

(3)

由畢奧-薩伐爾定律可知，磁感應(yīng)強度是電流密度和距離的函數(shù)關(guān)系，以控制電路載流電流10 A為例，根據(jù)仿真計算結(jié)果，對電流進行參數(shù)化掃描處理，可得到不同電流下電磁力，如表1所示。

表1 不同電流下電磁力

由表1可知，對應(yīng)電流激勵下的電磁力方向呈現(xiàn)為Z軸方向，大小較為穩(wěn)定且隨電流變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，這與前面的云圖結(jié)果一致。利用Origin圖像處理軟件作出固定電極與活動電極間隙D為5 μm時的Fz-I函數(shù)圖像，如圖7所示。

由圖7可以看出，當(dāng)電流激勵增加，電磁力增長非常快，因此增大電流的激勵可以促進銜鐵和固定電極的閉合，使得控制電路接通，有助于提高繼電器工作靈敏性，不過另一方面盲目增加電流也會讓平面磁芯線圈的功率變得過大，可能出現(xiàn)異常發(fā)熱、冒煙等問題，引發(fā)事故，降低可靠性，因此，在實際應(yīng)用中線圈電流應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，在同樣的電流激勵下，也可以考慮通過其他方式達到增強電磁力的目的，比如增加線圈匝數(shù)等。

同理，在線圈仿真結(jié)果中對活動間隙進行參數(shù)化掃描處理，可得I=10 A時的Fz-D函數(shù)圖像曲線，如圖8所示。

由圖8可知，在線圈電流為10 A時，活動間隙約在1.2 μm處電磁力達到最大值4.8 N?？梢姡瑸楸ＷC電極間存在足夠的吸引力，活動間隙的大小也應(yīng)維持在合理的范圍內(nèi)，在當(dāng)前參數(shù)下，活動間隙保持1.2 μm時繼電器接通效果最好。

因此，為使繼電器實現(xiàn)較為良好的控制效果，在設(shè)計器件結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)時，應(yīng)該將勵磁電流的大小、銜鐵和固定電極的相對位置，還有平面線圈的功率大小等諸多方面的因素一起考慮。

2.3 銜鐵的受力應(yīng)變分析

對活動電極進行受力分析時，可以把電極看作懸臂梁模型來處理，假設(shè)電極各個部分受力都是均勻的，那么可以建立電極在垂直方向上的撓曲線方程[12-13]:

(4)

查閱資料，將銜鐵材料的楊氏模量參數(shù)E=210 GPa，以及上面仿真過程中的參數(shù)和結(jié)果I=10 A，D=1.2 μm處的Fz代入到式(4)，通過Origin圖像處理軟件可得到銜鐵在垂直方向的位移W和x的函數(shù)圖像，如圖9所示。

曲線在開始時上升趨勢比較平緩，之后則是近乎線性上升。在x=L處，活動電極取得最大位移量為

可見，該參數(shù)下活動電極(銜鐵)的最大位移量Wmax大于銜鐵和固定電極的活動間隙D=1.2 μm，因此該參數(shù)下平面磁芯線圈對活動電極的電磁力足夠吸引活動電極做往復(fù)垂直運動，繼電器可以正常工作。結(jié)合電流與電磁力的關(guān)系，可以適當(dāng)減小電流，這樣可以兼顧不使線圈功率過大，增強繼電器的可靠性，亦可產(chǎn)生足夠的位移量，能提供足夠穩(wěn)定的接觸力，如此繼電器的結(jié)構(gòu)得到進一步優(yōu)化。

3 結(jié)束語

隨著微電磁繼電器技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，其被逐步運用于芯片制造、航空航天和工業(yè)自動化生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域中，前景變得越來越廣闊。筆者主要針對微電磁繼電器的結(jié)構(gòu)和工作原理，使用ANSYS有限元分析軟件仿真計算了繼電器平面磁芯線圈內(nèi)部和附近的電磁場分布，銜鐵與固定電極之間的電磁力情況，以及對電極的應(yīng)力形變進行分析，為微電磁繼電器的設(shè)計提供依據(jù)，使微電磁繼電器的結(jié)構(gòu)得到一定的優(yōu)化。