研究背景

小型密封電磁繼電器（HSR）廣泛應用于航空、航天、通訊等領域，起到信號傳輸、回路切換等關鍵作用。由于新的應用環(huán)境下電路中存在的潛在波動，切換的穩(wěn)定性成為了該類型繼電器性能上突出的要求，而過負載能力是衡量繼電器切換穩(wěn)定性的一項重要技術指標。

論文所解決的問題及意義

以某型號四組轉換觸點二分之一晶體罩密封電磁繼電器為典型研究對象，針對過負載實際工況，設計并建立基于GJB65B的試驗系統(tǒng)，通過過負載試驗過程中的電弧觀測，分析和比較不同分斷速度下繼電器分斷電弧的能力，在此基礎上提出基于分斷動能思想的繼電器抗過負載設計思想，研究基于該方法的新簧片結構設計，從而提升繼電器分斷動能進而提升小型密封電磁繼電器的過負載能力，完成對繼電器的優(yōu)化。

論文方法及創(chuàng)新點

1 密封電磁繼電器過負載能力試驗研究

依據(jù)試驗設計方案，對過負載試驗中所使用的試驗測試系統(tǒng)進行搭建，對典型小型密封電磁繼電器分別進行二倍、四倍、六倍過負載下的最高一百次動作試驗，產(chǎn)品在這些試驗條件下均可以進行至少一次的極限通斷，但在八倍過負載下幾乎無法動作即失效。失效模式為粘接失效，即動簧片和動合靜簧片粘接在一起。為此研究八倍過負載下的燃弧現(xiàn)象，并根據(jù)試驗結果研究提升繼電器過負載能力的改進方法。

該繼電器觸簧系統(tǒng)基本結構如圖1所示。根據(jù)試驗結果，可分析出：分斷速度對于繼電器接觸系統(tǒng)提升過負載能力是有著很重要的作用的。由于提高靜合觸點分斷時的分斷動能需要對整個電磁系統(tǒng)進行優(yōu)化，涉及因素較多，因此，本文選擇以動合觸點為對象進行優(yōu)化，驗證分斷動能思想。

圖1 觸簧系統(tǒng)基本結構

2 繼電器觸簧系統(tǒng)改進設計方法研究

提高繼電器的分斷速度是提高繼電器過負載能力的一個有效方法，提升分斷瞬間速度可達到抑制電弧，減少電弧燒蝕的目的。

繼電器常閉端可以采用增加空程、提升電磁系統(tǒng)初段吸力的方式來提升分斷速度；而常開端的提升則通常采用提升反力的改進方法，提高分斷過程簧片速度，這一方法會帶來有限空間內電磁系統(tǒng)吸力相應提升、產(chǎn)品一致性降低等問題：

2.1 分斷動能提升分析方法

從簧片運動的能量角度進行分析，對分斷過程進行能量累積過程分析，如圖2所示。

圖2 小型密封電磁繼電器吸反力配合及分斷動能

在常開觸點分斷過程中，動簧片速度的能量來源是分斷時的動能Jbreak，這一動能并非只與末端的吸力有關，實際上取決于一個累加過程。對觸簧系統(tǒng)來說，從線圈去激勵開始，記時間為t1，因為觸點超行程和復簧反力的存在，動簧片開始返回運動，并在超程段由動合靜簧片不斷累加反力直至分開，時間記為t2，在此短時間歷程中，動合簧片組所累計的能量即為對分斷速度有幫助的動能，簡稱為分斷動能。分斷動能是從能量角度驅動動簧片的原因，因此提升分斷動能即可提升簧片分離瞬間的分斷速度。

其對應圖2中曲線的陰影部分的面積，提升分斷動能即增加電磁線圈在去電后中接觸系統(tǒng)中動簧片從D到E的分斷過程中，反力與吸力曲線在超程段積分的差值，能量的增加將帶來提升分斷速度的效果。而實現(xiàn)這一途徑的觸簧系統(tǒng)改進設計，可以通過綜合提高超程與力值，甚至不提高反力等多種更為靈活的方式來實現(xiàn)。

2.2 基于分斷動能法的觸簧系統(tǒng)改進設計

在整體結構不進行較大更改的情況，傳統(tǒng)改進方式對分斷動能的提升非常有限。為了進一步提高分斷動能，考慮采用一種折返式結構簧片作為接觸系統(tǒng)的動合靜觸點來提高繼電器的過負載能力。該動合靜簧片結構如圖3所示：

圖3 動合靜簧片改進設計

該結構相比于原有的簧片設計，可以在保證繼電器吸合狀態(tài)反力不變的基礎上，增大簧片超程，提高釋放過程中的反力，從而增加觸點所積累的分斷動能，減小分斷過程的燃弧時間，進而綜合提高繼電器的過負載能力。

3 分斷動能改進設計虛擬樣機仿真驗證

3.1 繼電器靜態(tài)特性虛擬樣機模型仿真驗證

為了驗證基于分斷動能方法的繼電器改進設計的有效性，建立密封電磁繼電器虛擬樣機模型對該改進設計進行驗證計算。

由仿真結果可以分析出，改進設計方案動合靜簧片剛度相比于改進前的剛度1.2047N/m略有下降，但下降幅度較小，超程增加，預計實際分斷速度將得到提升?？捎捎嬎銊偠鹊玫椒戳η€，與仿真所得的電磁吸力曲線進行配合比較，如圖4所示。

圖4 仿真電磁吸反力配合曲線

從上圖中可以看出，在吸反力配合中，反力曲線終端值較原設計略有下降，吸合電壓由于復原彈簧的存在，預計將維持在原有水平，但觸點超行程的增加使得釋放過程中的反力變大，預計可以提升分斷速度。

3.2 繼電器動態(tài)特性虛擬樣機模型仿真驗證

在靜態(tài)特性驗證的基礎上，建立電磁繼電器動態(tài)特性仿真模型，通過完整的整機動態(tài)特性分析，驗證基于分斷動能設計法的改進設計的有效性。

通過模型計算結果Matlab輔助數(shù)據(jù)分析，導出結果如圖6-8所示，其中包括繼電器的動簧片位移隨時間變化曲線、動簧片速度隨時間變化曲線、動合靜簧片速度隨時間變化曲線等。

圖6 動簧片位移-時間曲線

圖7 動簧片速度-時間曲線

圖8 動合靜簧片速度-時間曲線

其中從圖中分析，基于分斷動能法設計思想的改進動合靜簧片的最大分斷速度可達963.5mm/s，較原結構動合靜簧片分斷速度728.5mm/s，增加了32.26%，分斷速度得到了較大提升，分斷動能提升了1.19×10-3J，增加了74.92%。

4 樣機制作與試驗驗證

根據(jù)改進設計方案，試制小型密封繼電器產(chǎn)品樣機，使用與文中前述相同的試驗系統(tǒng)進行過負載試驗。在八倍負載條件即16A阻性負載，觸簧系統(tǒng)動作次數(shù)均達到一百次。其中典型燃弧波形如圖9所示。

圖9 改進設計繼電器典型燃弧電壓波形

從圖中可以分析，基于分斷動能設計法改進設計的小型密封電磁繼電器，燃弧時間較原設計繼電器燃弧時間均出現(xiàn)增長的趨勢，且隨著試驗次數(shù)的增加，燃弧時間也在逐漸增長。實驗過程中，參加試驗的改進設計繼電器，動作次數(shù)均達到一百次，對比原結構產(chǎn)品，過負載能力得到明顯提升。

結論

1)建立了過負載試驗系統(tǒng)，對現(xiàn)有典型小型密封電磁繼電器過負載能力進行研究，分析得出分斷速度在應對過負載能力中起到了關鍵的作用。

2) 提出了基于分斷動能的繼電器分斷速度提升設計方法，建立了基本的分斷動能模型，在此基礎上建立了繼電器動態(tài)特性計算模型，并分析了方程求解過程中的關鍵計算方法。

3) 依據(jù)分斷動能法，設計了新結構的動合靜簧片來提升繼電器分斷動能進而提升小型密封電磁繼電器釋放端的過負載能力，使用有限元方法和動態(tài)特性模型計算驗證了改進設計可提升32.26%的分斷速度，改進后的小型密封電磁繼電器靜合觸點能夠切換八倍過負載，動合觸點能夠在八倍過負載條件下穩(wěn)定完成一百次開斷。

引用本文

李博, 由佳欣, 熊方圓, 譚旭, 梁慧敏. 基于分斷動能的小型密封電磁繼電器過負載能力提升方法[J]. 電工技術學報, 2019, 34(13): 2760-2770. Li Bo, You Jiaxin, Xiong Fangyuan, Tan Xu, Liang Huimin. An Overload Capacity Improvement Method Based on Break Kinetic Energy For a Type of Hermetically Sealed Relay. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(13): 2760-2770.

團隊介紹

（1）李博

• 博士研究生，哈爾濱工業(yè)大學電器與電子可靠性研究所；IEEE 學生會員。
• 科研方向：等離子體調控技術

（2）由佳欣

• 博士，副教授，碩導；哈爾濱工業(yè)大學電器與電子可靠性研究所；IEC TC94 Expert（國際電工委員會IEC 有或無繼電器標準分委會中方專家），全國電氣繼電器標準化技術委員會（SAC/TC217）委員；IEEE Member，IEEE 磁學分委會 Member。
• 科研方向：航天電器可靠性優(yōu)化設計方法、永磁體計算方法、勵磁系統(tǒng)熱穩(wěn)定性分析方法。
• 主持國家自然科學基金、裝備發(fā)展部預先研究項目、國家博士后基金、企業(yè)橫向項目等，參研國家自然科學基金，裝發(fā)預研重點項目，國防科工委體系項目，橫向科研等項目十余項。

（3）譚旭

• 碩士，陜西群力電工有限責任公司，工程師，組長
• 科研方向：密封電磁繼電器可靠性、繼電器工序能力提升技術研究