微電機在繼電器中的應用

葉彬

摘要：電磁式繼電器是利用通電線圈磁場，結合彈簧彈力，控制磁鐵往返運動，從而在繼電器觸點間建立閉合～分離工作機制。此類繼電器如果在復雜的磁場環境中使用，可能因為外部磁場干擾造成繼電器功能失效或誤動作導致意外事故。

微電機是較為普通的驅動元件，將微電機應用到繼電器中，通過特定傳動機構將電機轉矩轉變為直線運動，通過改變電機轉動方向，可實現閉合～分離動作，實現繼電器功能。電機外殼具有屏蔽磁場作用，并且電機繼電器動作時間僅20ms，復雜電磁場對電機影響有限，在電磁復雜場所，比電磁式繼電器要可靠。

關鍵詞：微電機；繼電器；螺桿傳動；復雜電磁場環境；誤動作

前言

根據2011年5月實施的GBT14598.9-2010 量度繼電器與保護裝置第22-3部分，電氣騷擾實驗輻射電磁場抗擾度的規定，繼電器要求在300mT的強磁場環境中正常工作【1】。這個規定要求繼電器的驅動要不受強磁場的影響，防止因為外部磁場干擾造成繼電器功能失效或誤動作導致嚴重后果。

電機機殼具有電磁場屏蔽作用，受電磁場影響有限，將電機運用到繼電器中，利用電機扭矩作為繼電器觸點開關動作的動力源，比普通繼電器更可靠，可以有效地適用于新實施的行業標準，應用于復雜電磁場環境。

1.原理對比

電磁式繼電器由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等部件組成。線圈通電產生磁場，吸引銜鐵移動，斷電時磁力消失，銜鐵在彈簧彈力作用下反向移動，從而實現繼電器的通斷電動作。如果繼電器所處環境電磁場復雜，比如繼電器受強磁場干擾時，繼電器可能會因線圈磁場受干擾導致磁場減弱無法驅動銜鐵移動，或外部磁場太強引起銜鐵移動，輕則繼電器功能失效，重則因繼電器意外閉合～分離動作，導致事故發生，對生命財產造成損害。

電機是常用的電驅動元件，電機輸出的是圓周運動（繼電器銜鐵是直線運動），改變電機電流方向就改變電機運動方向，輸出力矩方向隨之改變。通過傳動機構將電機圓周運動轉換為直線運動，就能推動傳動機構實現往返運動，推動繼電器觸點實現閉合～分離，這就是電機式繼電器。電機式繼電器“閉合”或“分離”時間約20毫妙，其他時間處于斷電閉鎖狀態，不受外部環境影響。

2.詳細方案

電機式繼電器的關鍵在于傳動結構的設計。傳動結構要滿足以下幾點：

（1）電機響應時間短，運轉順暢，扭力適度；

（2）傳動結構將圓周運動轉換為直線運動，傳動結構行程精準， 準確推動簧片的“閉合”或“分離”；

（3）傳動結構閉鎖合理有效，能有效抵抗振動等外部因素的影響。

常用的傳動結構中，圓周運動轉換為直線運動的結構有凸輪結構、曲柄結構、齒輪齒條結構、螺旋軸結構。綜合考慮，選擇螺旋軸連桿結構進行方案設計，力矩較大，電機驅動結構原理如下圖1。

螺旋軸連桿結構通過電機正反轉，帶動螺旋軸推動內螺紋套筒做往返運動。該結構通過連桿結構放大電機力矩，給推桿提供所需的推力和拉力，利用滾輪將滑動摩擦改為滾動摩擦，從而減小阻力，行程通過對套筒限位來控制。

優點：1.有效控制控制行程；

2.傳動穩定，靜止狀態也穩定，不會反彈；

缺點：1.螺旋軸和推管需要特殊加工；

2.堵轉時，由螺紋承受力，需要考慮齒牙強度。

3.設計方案

3.1參數預設

預設連桿長度12mm，初始時連桿與水平方向夾角銳角為35°，推桿行程2mm，19°時開始受阻力力，則，套筒行程為4.87mm，結束時夾角為10°。另設，推桿所受阻力為4N。通過對結構做受力分析可知，螺旋軸推力與推桿推力的關系為：

F螺/F推=tanθ， θ為與水平方向銳角夾角

當螺旋軸推力一定時，在運動過程中，θ逐漸變小，則推桿的推力會逐漸加大，θ=35°時推桿推力與螺旋軸推力相等，也就是說當θ≦45°時，結構滿足省力條件，則，連桿19度時，取推桿所受阻力為4N，套筒推力與推桿推力的比值為tan19°，則套筒所需推力1.377N。結束時，套筒推力與推桿推力的比值為tan10°，套筒保持推力1.377N，則推桿推力為7.81N 3.2螺旋軸力矩換算與條件設定

螺紋傳動傳動力矩與傳動力的換算公式為： T=Q*tan（ψ+ρ）*d2/2

其中，Q為軸向推力，即1.377N，ψ為螺紋升角，tanψ=P/（πd2），（P是螺紋螺距，d2為螺旋軸中徑），ρ為摩擦角。要滿足螺紋自鎖，則ρ≧ψ，所以，tanρ≧tanψ= P/（πd2）

tan（ψ+ρ）= （tanψ+tanρ）/（1-tanψ*tanρ）

= （P+πd2 * tanρ） /（πd2-P*tanρ）

因為， tanρ≧tanψ= P/（πd2）

所以，tan（ψ+ρ） ≧2P*πd2/[（πd2）2-P2]

螺旋軸選擇M4*0.7時，P=0.7mm， d2=3.70mm，齒高=5/8H=0.379mm，H=0.8666025P【2】。

則有tan（ψ+ρ）≧0.121 T≧0.308N.mm=3.018gf.cm

螺旋軸轉動6.97圈，動作時間20ms，則要求電機負載轉速約為20910r/min

4.強磁場對電機的影響

用強磁場干擾電機，驗證電機在強磁場下能否完成動作。

將電機用支撐治具固定，接通電源，利用頻閃燈測定電機轉速，通過電流表，讀取工作電流，首先通過控制強磁鐵與電機之間的距離，測定在不同距離時，電機的電器特性，然后改變強磁鐵與電機貼近面的極性，測定不同極性條件下電機的電器特性，最后將強磁鐵貼在電機上，測定電機啟動電壓。得出的實驗結果制成表格及曲線圖，如下：

實驗表明：

（1）N極靠近時，電機會出現速度先加大，隨后減小的現象；S極靠近時，電機轉速會持續上升，隨著磁場強大增大，轉速上升率越大；隨著磁場的增大，電機的工作電流會增大，S極靠近時，變化明顯；

（2）啟動電壓受磁場影響較大，0.5V的啟動電壓在加強磁場后，會變成1.2V左右；

綜合實驗結果，磁場會對電機轉速有一定的影響，但在300mT磁場環境下，磁場不會造成電機工作失效或停止工作，可以正常使用。

將電機應用到繼電器中可以有效地解決強磁場環境中繼電器誤動作的問題，使繼電器可以適用于新的行業標準，設計中所運用的結構均為通用結構，同樣的，運用電機來實現往返運動的設計也可用于同類產品的設計中。

5.小結

通過設計傳動結構，選擇合適的電機作為驅動力，可以實現繼電器的開關動作。

參考文獻：

[1]中國電器工業協會，GB/T14598，中國標準出版社，2011.

[2]吳宗澤.《機械設計師手冊》.機械工業出版社，2002.1