研究背景

小型密封電磁繼電器（HSR）廣泛應(yīng)用于航空、航天、通訊等領(lǐng)域，起到信號(hào)傳輸、回路切換等關(guān)鍵作用。由于新的應(yīng)用環(huán)境下電路中存在的潛在波動(dòng)，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(guò)負(fù)載能力是衡量繼電器切換穩(wěn)定性的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。

論文所解決的問(wèn)題及意義

以某型號(hào)四組轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)二分之一晶體罩密封電磁繼電器為典型研究對(duì)象，針對(duì)過(guò)負(fù)載實(shí)際工況，設(shè)計(jì)并建立基于GJB65B的試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)過(guò)負(fù)載試驗(yàn)過(guò)程中的電弧觀測(cè)，分析和比較不同分?jǐn)嗨俣认吕^電器分?jǐn)嚯娀〉哪芰?，在此基礎(chǔ)上提出基于分?jǐn)鄤?dòng)能思想的繼電器抗過(guò)負(fù)載設(shè)計(jì)思想，研究基于該方法的新簧片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而提升繼電器分?jǐn)鄤?dòng)能進(jìn)而提升小型密封電磁繼電器的過(guò)負(fù)載能力，完成對(duì)繼電器的優(yōu)化。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

1 密封電磁繼電器過(guò)負(fù)載能力試驗(yàn)研究

依據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，對(duì)過(guò)負(fù)載試驗(yàn)中所使用的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行搭建，對(duì)典型小型密封電磁繼電器分別進(jìn)行二倍、四倍、六倍過(guò)負(fù)載下的最高一百次動(dòng)作試驗(yàn)，產(chǎn)品在這些試驗(yàn)條件下均可以進(jìn)行至少一次的極限通斷，但在八倍過(guò)負(fù)載下幾乎無(wú)法動(dòng)作即失效。失效模式為粘接失效，即動(dòng)簧片和動(dòng)合靜簧片粘接在一起。為此研究八倍過(guò)負(fù)載下的燃弧現(xiàn)象，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果研究提升繼電器過(guò)負(fù)載能力的改進(jìn)方法。

該繼電器觸簧系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可分析出：分?jǐn)嗨俣葘?duì)于繼電器接觸系統(tǒng)提升過(guò)負(fù)載能力是有著很重要的作用的。由于提高靜合觸點(diǎn)分?jǐn)鄷r(shí)的分?jǐn)鄤?dòng)能需要對(duì)整個(gè)電磁系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，涉及因素較多，因此，本文選擇以動(dòng)合觸點(diǎn)為對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化，驗(yàn)證分?jǐn)鄤?dòng)能思想。

圖1 觸簧系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2 繼電器觸簧系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)方法研究

提高繼電器的分?jǐn)嗨俣仁翘岣呃^電器過(guò)負(fù)載能力的一個(gè)有效方法，提升分?jǐn)嗨查g速度可達(dá)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(lái)提升分?jǐn)嗨俣龋欢ｉ_端的提升則通常采用提升反力的改進(jìn)方法，提高分?jǐn)噙^(guò)程簧片速度，這一方法會(huì)帶來(lái)有限空間內(nèi)電磁系統(tǒng)吸力相應(yīng)提升、產(chǎn)品一致性降低等問(wèn)題：

2.1 分?jǐn)鄤?dòng)能提升分析方法

從簧片運(yùn)動(dòng)的能量角度進(jìn)行分析，對(duì)分?jǐn)噙^(guò)程進(jìn)行能量累積過(guò)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?jǐn)鄤?dòng)能

在常開觸點(diǎn)分?jǐn)噙^(guò)程中，動(dòng)簧片速度的能量來(lái)源是分?jǐn)鄷r(shí)的動(dòng)能Jbreak，這一動(dòng)能并非只與末端的吸力有關(guān)，實(shí)際上取決于一個(gè)累加過(guò)程。對(duì)觸簧系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，從線圈去激勵(lì)開始，記時(shí)間為t1，因?yàn)橛|點(diǎn)超行程和復(fù)簧反力的存在，動(dòng)簧片開始返回運(yùn)動(dòng)，并在超程段由動(dòng)合靜簧片不斷累加反力直至分開，時(shí)間記為t2，在此短時(shí)間歷程中，動(dòng)合簧片組所累計(jì)的能量即為對(duì)分?jǐn)嗨俣扔袔椭膭?dòng)能，簡(jiǎn)稱為分?jǐn)鄤?dòng)能。分?jǐn)鄤?dòng)能是從能量角度驅(qū)動(dòng)動(dòng)簧片的原因，因此提升分?jǐn)鄤?dòng)能即可提升簧片分離瞬間的分?jǐn)嗨俣取?/p>

其對(duì)應(yīng)圖2中曲線的陰影部分的面積，提升分?jǐn)鄤?dòng)能即增加電磁線圈在去電后中接觸系統(tǒng)中動(dòng)簧片從D到E的分?jǐn)噙^(guò)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(lái)提升分?jǐn)嗨俣鹊男Ч?。而?shí)現(xiàn)這一途徑的觸簧系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)，可以通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 基于分?jǐn)鄤?dòng)能法的觸簧系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

在整體結(jié)構(gòu)不進(jìn)行較大更改的情況，傳統(tǒng)改進(jìn)方式對(duì)分?jǐn)鄤?dòng)能的提升非常有限。為了進(jìn)一步提高分?jǐn)鄤?dòng)能，考慮采用一種折返式結(jié)構(gòu)簧片作為接觸系統(tǒng)的動(dòng)合靜觸點(diǎn)來(lái)提高繼電器的過(guò)負(fù)載能力。該動(dòng)合靜簧片結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 動(dòng)合靜簧片改進(jìn)設(shè)計(jì)

該結(jié)構(gòu)相比于原有的簧片設(shè)計(jì)，可以在保證繼電器吸合狀態(tài)反力不變的基礎(chǔ)上，增大簧片超程，提高釋放過(guò)程中的反力，從而增加觸點(diǎn)所積累的分?jǐn)鄤?dòng)能，減小分?jǐn)噙^(guò)程的燃弧時(shí)間，進(jìn)而綜合提高繼電器的過(guò)負(fù)載能力。

3 分?jǐn)鄤?dòng)能改進(jìn)設(shè)計(jì)虛擬樣機(jī)仿真驗(yàn)證

3.1 繼電器靜態(tài)特性虛擬樣機(jī)模型仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證基于分?jǐn)鄤?dòng)能方法的繼電器改進(jìn)設(shè)計(jì)的有效性，建立密封電磁繼電器虛擬樣機(jī)模型對(duì)該改進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。

由仿真結(jié)果可以分析出，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案動(dòng)合靜簧片剛度相比于改進(jìn)前的剛度1.2047N/m略有下降，但下降幅度較小，超程增加，預(yù)計(jì)實(shí)際分?jǐn)嗨俣葘⒌玫教嵘？捎捎?jì)算剛度得到反力曲線，與仿真所得的電磁吸力曲線進(jìn)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(shè)計(jì)略有下降，吸合電壓由于復(fù)原彈簧的存在，預(yù)計(jì)將維持在原有水平，但觸點(diǎn)超行程的增加使得釋放過(guò)程中的反力變大，預(yù)計(jì)可以提升分?jǐn)嗨俣取?/p>

3.2 繼電器動(dòng)態(tài)特性虛擬樣機(jī)模型仿真驗(yàn)證

在靜態(tài)特性驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，建立電磁繼電器動(dòng)態(tài)特性仿真模型，通過(guò)完整的整機(jī)動(dòng)態(tài)特性分析，驗(yàn)證基于分?jǐn)鄤?dòng)能設(shè)計(jì)法的改進(jìn)設(shè)計(jì)的有效性。

通過(guò)模型計(jì)算結(jié)果Matlab輔助數(shù)據(jù)分析，導(dǎo)出結(jié)果如圖6-8所示，其中包括繼電器的動(dòng)簧片位移隨時(shí)間變化曲線、動(dòng)簧片速度隨時(shí)間變化曲線、動(dòng)合靜簧片速度隨時(shí)間變化曲線等。

圖6 動(dòng)簧片位移-時(shí)間曲線

圖7 動(dòng)簧片速度-時(shí)間曲線

圖8 動(dòng)合靜簧片速度-時(shí)間曲線

其中從圖中分析，基于分?jǐn)鄤?dòng)能法設(shè)計(jì)思想的改進(jìn)動(dòng)合靜簧片的最大分?jǐn)嗨俣瓤蛇_(dá)963.5mm/s，較原結(jié)構(gòu)動(dòng)合靜簧片分?jǐn)嗨俣?28.5mm/s，增加了32.26%，分?jǐn)嗨俣鹊玫搅溯^大提升，分?jǐn)鄤?dòng)能提升了1.19×10-3J，增加了74.92%。

4 樣機(jī)制作與試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，試制小型密封繼電器產(chǎn)品樣機(jī)，使用與文中前述相同的試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)負(fù)載試驗(yàn)。在八倍負(fù)載條件即16A阻性負(fù)載，觸簧系統(tǒng)動(dòng)作次數(shù)均達(dá)到一百次。其中典型燃弧波形如圖9所示。

圖9 改進(jìn)設(shè)計(jì)繼電器典型燃弧電壓波形

從圖中可以分析，基于分?jǐn)鄤?dòng)能設(shè)計(jì)法改進(jìn)設(shè)計(jì)的小型密封電磁繼電器，燃弧時(shí)間較原設(shè)計(jì)繼電器燃弧時(shí)間均出現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，且隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加，燃弧時(shí)間也在逐漸增長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，參加試驗(yàn)的改進(jìn)設(shè)計(jì)繼電器，動(dòng)作次數(shù)均達(dá)到一百次，對(duì)比原結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，過(guò)負(fù)載能力得到明顯提升。

結(jié)論

1)建立了過(guò)負(fù)載試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有典型小型密封電磁繼電器過(guò)負(fù)載能力進(jìn)行研究，分析得出分?jǐn)嗨俣仍趹?yīng)對(duì)過(guò)負(fù)載能力中起到了關(guān)鍵的作用。

2) 提出了基于分?jǐn)鄤?dòng)能的繼電器分?jǐn)嗨俣忍嵘O(shè)計(jì)方法，建立了基本的分?jǐn)鄤?dòng)能模型，在此基礎(chǔ)上建立了繼電器動(dòng)態(tài)特性計(jì)算模型，并分析了方程求解過(guò)程中的關(guān)鍵計(jì)算方法。

3) 依據(jù)分?jǐn)鄤?dòng)能法，設(shè)計(jì)了新結(jié)構(gòu)的動(dòng)合靜簧片來(lái)提升繼電器分?jǐn)鄤?dòng)能進(jìn)而提升小型密封電磁繼電器釋放端的過(guò)負(fù)載能力，使用有限元方法和動(dòng)態(tài)特性模型計(jì)算驗(yàn)證了改進(jìn)設(shè)計(jì)可提升32.26%的分?jǐn)嗨俣?，改進(jìn)后的小型密封電磁繼電器靜合觸點(diǎn)能夠切換八倍過(guò)負(fù)載，動(dòng)合觸點(diǎn)能夠在八倍過(guò)負(fù)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?jǐn)鄤?dòng)能的小型密封電磁繼電器過(guò)負(fù)載能力提升方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 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(tuán)隊(duì)介紹

（1）李博

• 博士研究生，哈爾濱工業(yè)大學(xué)電器與電子可靠性研究所；IEEE 學(xué)生會(huì)員。
• 科研方向：等離子體調(diào)控技術(shù)

（2）由佳欣

• 博士，副教授，碩導(dǎo)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)電器與電子可靠性研究所；IEC TC94 Expert（國(guó)際電工委員會(huì)IEC 有或無(wú)繼電器標(biāo)準(zhǔn)分委會(huì)中方專家），全國(guó)電氣繼電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC217）委員；IEEE Member，IEEE 磁學(xué)分委會(huì) Member。
• 科研方向：航天電器可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、永磁體計(jì)算方法、勵(lì)磁系統(tǒng)熱穩(wěn)定性分析方法。
• 主持國(guó)家自然科學(xué)基金、裝備發(fā)展部預(yù)先研究項(xiàng)目、國(guó)家博士后基金、企業(yè)橫向項(xiàng)目等，參研國(guó)家自然科學(xué)基金，裝發(fā)預(yù)研重點(diǎn)項(xiàng)目，國(guó)防科工委體系項(xiàng)目，橫向科研等項(xiàng)目十余項(xiàng)。

（3）譚旭

• 碩士，陜西群力電工有限責(zé)任公司，工程師，組長(zhǎng)
• 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(shù)研究