雙線圈繞組的航空接觸器動(dòng)作特性分析

郝世勇，戰(zhàn)祥新，張?jiān)?，于春風(fēng)，孟欣

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，青島 266041）

引言

航空接觸器作為飛機(jī)供配電系統(tǒng)的電磁控制開(kāi)關(guān)，廣泛應(yīng)用于一次配電裝置、二次配電裝置、控制盒等控制裝置中完成電路的切換、自動(dòng)控制、保護(hù)等功能[1]。航空接觸器的動(dòng)作主要由內(nèi)部的電磁機(jī)構(gòu)決定，因此其動(dòng)作特性參數(shù)（包括吸合時(shí)間、釋放時(shí)間、觸點(diǎn)回跳時(shí)間、接觸電阻等）直接影響著供配電回路的工作狀態(tài)與可靠性[2,3]。隨著全電飛機(jī)、多電飛機(jī)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，飛機(jī)供配電系統(tǒng)對(duì)接觸器的外形尺寸、重量、電壽命、抗振性和可靠性要求越來(lái)越高，這些優(yōu)化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)均與接觸器的動(dòng)作特性息息相關(guān)[4,5]。

航空接觸器動(dòng)作特性調(diào)控目標(biāo)可分為吸合時(shí)間、釋放時(shí)間的調(diào)控，回跳時(shí)間的調(diào)控，吸合電壓、釋放電壓的調(diào)控等。動(dòng)作特性的調(diào)控方法一方面體現(xiàn)在電磁機(jī)構(gòu)型式、尺寸參數(shù)和鐵磁材料的設(shè)計(jì)，另一方面體現(xiàn)在線圈電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、線圈驅(qū)動(dòng)方式的設(shè)計(jì)。雙線圈繞組結(jié)構(gòu)普遍存在于我國(guó)航空接觸器產(chǎn)品中，具有起動(dòng)電磁驅(qū)動(dòng)力大，保持閉合狀態(tài)下線圈功耗小的優(yōu)點(diǎn)。

為了更好地理解具有雙線圈繞組的航空接觸器產(chǎn)品特點(diǎn)，從而更好地指導(dǎo)航空接觸器及控制盒的運(yùn)維工作，本文首先介紹了雙線圈繞組的設(shè)計(jì)原理，進(jìn)而通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了某接觸器的吸合過(guò)程和釋放過(guò)程的動(dòng)作特性曲線，最后分析了線圈電壓對(duì)其動(dòng)作特性參數(shù)的影響。

1 雙線圈繞組的設(shè)計(jì)原理

常規(guī)接觸器的電磁機(jī)構(gòu)吸力與反力配合關(guān)系如圖1中曲線1和2所示，這種情況下可造成觸頭閉合過(guò)程中產(chǎn)生機(jī)械彈跳，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致觸頭熔焊粘接失效現(xiàn)象的發(fā)生。

圖1 接觸器電磁機(jī)構(gòu)的吸力與反力配合

為改善吸力和反力間的配合關(guān)系，人們?cè)O(shè)想了一種圖1中曲線3的理想吸力曲線。銜鐵觸動(dòng)后，吸力迅速增大使銜鐵加速運(yùn)動(dòng)，而當(dāng)銜鐵積累一定動(dòng)能后使吸力小于反力，銜鐵積累的動(dòng)能又轉(zhuǎn)變?yōu)榭朔戳λ璧墓?，在吸合終了位置時(shí)吸力再次上升大于反力，達(dá)到穩(wěn)定吸持的作用。

雙線圈繞組結(jié)構(gòu)是一種典型的適用于航空接觸器電磁機(jī)構(gòu)吸力特性的方法。雙線圈繞組其一為起動(dòng)繞組Wqd，也稱加速繞組；其二為保持繞組Wbc，如圖2（a）所示。起動(dòng)繞組的導(dǎo)線直徑較大，但匝數(shù)很少，繞組所占的截面積也較小，一般只占整個(gè)線圈窗口面積的1/3～1/4，而保持繞組的導(dǎo)線直徑較細(xì)，但匝數(shù)較多，繞組所占的窗口面積較大，接線如圖2（b）所示，Wqd和Wbc為串聯(lián)聯(lián)接，但保持繞組被一對(duì)輔助觸頭K所短路。在銜鐵處于打開(kāi)位置時(shí)。K是閉合的，而當(dāng)銜鐵運(yùn)動(dòng)到某一位置時(shí)，通過(guò)與銜鐵聯(lián)動(dòng)的推桿將K打開(kāi)。

圖2 雙繞組電磁鐵

起動(dòng)時(shí)，K是閉合的，電壓全部加在起動(dòng)繞組，電流和磁勢(shì)較大。且起動(dòng)繞組的尺寸小使得電時(shí)間常數(shù)較小，因此，電流增長(zhǎng)速度快，使銜鐵加速吸合。由于起動(dòng)時(shí)間短，故繞組發(fā)熱不嚴(yán)重。當(dāng)銜鐵運(yùn)動(dòng)接近至閉合位置時(shí)，輔助開(kāi)關(guān)K打開(kāi)，使保持繞組串入電路中。由于保持繞組的電阻較大，線圈電流顯著減小可達(dá)到減速的效果。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試電路

測(cè)試電路如圖3所示，被測(cè)件為螺管式電磁接觸器，接觸器主觸點(diǎn)為一組常開(kāi)觸點(diǎn)，動(dòng)觸點(diǎn)為橋式結(jié)構(gòu)。觸點(diǎn)測(cè)試回路電源電壓為6 V、串入負(fù)載電阻R1（阻值為60 Ω），從而觸點(diǎn)吸合后回路中理論上將產(chǎn)生100 mA電流。將公共端子連接至測(cè)試回路的正極，兩個(gè)靜觸點(diǎn)均連接至測(cè)試回路的負(fù)極。接觸器線圈兩端施加直流激勵(lì)電壓，線圈回路中串入一只低溫漂采樣電阻R2（阻值為0.5 Ω）。外接放大電路采集R2兩端的電壓降，經(jīng)過(guò)換算可以得到回路的線圈電流，測(cè)量分辨率1 mA；同時(shí)，使用放大電路同步采集接觸器公共端子和靜觸點(diǎn)之間的電壓值，測(cè)量分辨率10 mV。上述數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集并傳輸給上位計(jì)算機(jī)，采樣頻率250 kHz，采樣精度16位。上位機(jī)采用LabVIEW軟件編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和顯示程序。

圖3 實(shí)驗(yàn)電路原理框圖

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖4所示為接觸器吸合過(guò)程的線圈電流與觸點(diǎn)電壓波形圖。如圖所示，對(duì)于線圈電壓為DC28V條件，11 ms時(shí)刻線圈上電，線圈電流迅速上升至1.7 A，在41 ms時(shí)達(dá)到最大值3.25 A。隨著動(dòng)鐵心的運(yùn)動(dòng)線圈電流開(kāi)始下降，在49 ms觸點(diǎn)首次閉合，并產(chǎn)生回跳，回跳時(shí)間為0.87 ms。50 ms時(shí)，線圈輔助觸頭打開(kāi)，使得起動(dòng)繞組和保持繞組串聯(lián)在一起，線圈電流迅速下降，并在100 ms時(shí)穩(wěn)定在0.41 A，觸點(diǎn)為穩(wěn)定閉合狀態(tài)。接觸器完整的吸合時(shí)間為38.71 ms。

圖4 吸合過(guò)程

對(duì)于線圈電壓為DC18V條件，線圈在11 ms時(shí)刻線圈上電后電流迅速上升至1 A，然后上升速度減緩，在61 ms時(shí)達(dá)到最大值2.24 A。隨著動(dòng)鐵心的運(yùn)動(dòng)線圈電流下降，但在76 ms時(shí)觸點(diǎn)首次閉合，無(wú)明顯回跳現(xiàn)象。隨后線圈電流繼續(xù)保持小幅增加，并在90 ms時(shí)線圈輔助觸頭打開(kāi)，線圈電流下降至0.22 A，觸點(diǎn)穩(wěn)定閉合。此時(shí)的接觸器吸合時(shí)間為65.55 ms?？梢?jiàn)，線圈電壓的減小造成了電磁吸力的降低，從而導(dǎo)致吸合時(shí)間延長(zhǎng)了69 %，但同時(shí)也消除了觸點(diǎn)的彈跳現(xiàn)象。

圖5為接觸器釋放過(guò)程的線圈電流與觸點(diǎn)電壓波形圖。如圖5所示，對(duì)于線圈電壓為DC28V條件，在11 ms處，線圈斷電，線圈電流按指數(shù)規(guī)律下降至0，在43 ms處，線圈輔助觸頭閉合，產(chǎn)生一個(gè)電流尖峰，在45 ms處，觸點(diǎn)完成分?jǐn)?。由此可得，接觸器得釋放時(shí)間為31.89 ms。對(duì)于線圈電壓為DC18V條件的釋放過(guò)程，其釋放時(shí)間縮減為25.16 ms。這可以理解為線圈激勵(lì)電壓的減小使得鐵磁材料的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度降低，由此造成的退磁時(shí)間也將相應(yīng)明顯減小。

圖5 釋放過(guò)程

圖6所示為不同線圈激勵(lì)電壓對(duì)接觸器吸合時(shí)間、釋放時(shí)間和回跳時(shí)間的影響。線圈電壓由16 V增大至36 V，吸合時(shí)間單調(diào)地從80.98 ms減小到39.25 ms，釋放時(shí)間單調(diào)地從23.75 ms增加到41.27 ms。同時(shí)，當(dāng)線圈電壓不大于24 V時(shí)，無(wú)回跳現(xiàn)象發(fā)生，而當(dāng)線圈電壓從26 V增加到36 V，回跳時(shí)間也從0.78 ms增加到1.08 ms。

圖6 線圈激勵(lì)電壓對(duì)動(dòng)作時(shí)間的影響

綜上所述，從線圈電流變化特征角度看，雙線圈結(jié)構(gòu)航空接觸器的動(dòng)作過(guò)程存在兩個(gè)明顯的階段，即起動(dòng)階段和保持階段，起動(dòng)階段電流大，且激勵(lì)電壓越大，起動(dòng)階段的線圈最大電流也越大，可使吸合時(shí)間明顯減小，但也使釋放時(shí)間延長(zhǎng)顯著，且回跳時(shí)間也明顯增加，因此吸合過(guò)程和釋放過(guò)程之間關(guān)于時(shí)間的矛盾需要綜合考慮。保持階段線圈電流小，有益于降低線圈功耗，激勵(lì)電壓越小，也可使線圈功耗進(jìn)一步減小。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)電路檢測(cè)了某型螺管式電磁接觸器的線圈電流值和觸點(diǎn)電壓值，驗(yàn)證確認(rèn)了接觸器存在的線圈“二次吸合”現(xiàn)象。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究了該接觸器電磁系統(tǒng)的動(dòng)作過(guò)程，得出結(jié)論：吸反力配合不當(dāng)是造成接觸器“二次吸合”的主要影響因素。

針對(duì)典型的雙線圈繞組航空接觸器的吸合過(guò)程和釋放過(guò)程做了詳細(xì)的研究，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，研究了線圈電流起動(dòng)過(guò)程和保持過(guò)程兩個(gè)階段的特征參數(shù)。線圈激勵(lì)電壓是影響該類接觸器動(dòng)作特性的關(guān)鍵，選擇適當(dāng)?shù)木€圈激勵(lì)電壓可以達(dá)到綜合考慮吸合時(shí)間、釋放時(shí)間以及回跳時(shí)間，使接觸器達(dá)到最佳性能的目的。