淺談電磁繼電器設計方法

趙富菊

（沈陽鐵路信號有限責任公司，遼寧沈陽110025）

0 引言

電磁繼電器作為自動控制器件應用在鐵路、航天、汽車及家用電器等多個領域，其工作可靠準確，使用壽命長，電氣及機械性能穩定是設計者和使用者共同追求的目標。新技術發明、新材料應用及新系統需求在不斷地引領繼電器的發展及更新換代，但以繼電器電磁系統吸力特性與機械系統反力特性配合為核心的繼電器設計理念從未改變。

本文從繼電器系統結構設計、參數設計及優化三個層面來分析繼電器設計方法。選擇合適的系統結構是設計繼電器的第一步，對繼電器整體特性有決定性影響，系統結構選擇不當不僅會增加參數設計和參數優化的難度，同時也不利于繼電器整體性能的提高；參數設計是在既有的系統結構之上，根據標準要求、系統需求等輸入對產品進行設計實現，結合以往設計經驗及返修案例，充分考慮繼電器內在關聯因素及外在環境波動對繼電器各種特性參數的影響，這對繼電器參數設計會起到有效的指導意義。當然，一個科學合理、系統完整的參數計算推導是必不可少的。設計是一門藝術，一件好的作品一定具有和諧之美，繼電器參數優化實質是設計藝術化的過程，即要最終挖掘出設計的最佳平衡點。

1 系統結構設計

在系統結構選取及方案確定階段，首先要根據市場需求、標準、RAMS需求等輸入任務確定產品的功能要求、性能要求、接口要求、環境要求、RAMS指標、安裝及生產需求，把產品生命周期各個階段涉及的核心內容均納入頂層設計范圍；然后在現有的技術儲備基礎上，借鑒國外同類產品先進技術及國內外相關產品的專利技術，提出多個系統架構方案；最后，結合輸入任務最終確定一個優化的系統結構。這是一個產品設計的總體構思過程，也是創新思維的過程。

繼電器的兩個核心部分是接點系統和電磁系統，接點系統作為輸出執行組件，是繼電器的薄弱環節，在很大程度上決定了繼電器的使用壽命；電磁系統作為驅動輸入部分，決定了繼電器的功耗；接點系統反力特性與電磁系統吸力特性的配合作為連接接點系統和電磁系統的紐帶，最終反映了系統架構設計的好壞程度。

1.1 接點系統

接點系統由觸頭、接點片及附屬的傳動結構等零部件組成，觸頭直接承擔接通、斷開電路及負載電流的功能，觸點接觸電阻過大及觸點熔焊是接點系統的兩大主要失效模式；接點片在起到導電、導熱作用的同時，還能產生觸點壓力和觸點跟蹤。

接點接觸電阻主要與觸頭材料、觸點壓力、觸頭形狀及接觸形式、表面光潔度、觸頭污染及觸頭溫度有關，相比之下，觸頭污染對接點電阻的影響較大。觸點粘結較易發生在觸點轉換過程中，尤其是大電流感性負載，觸點斷開過程產生的電弧使觸頭熔接，觸點斷開速度不夠快或反力不夠大均會拉不開熔接的觸點，最終導致觸點熔焊。為了提高觸點抗熔焊能力，在設計階段要考慮觸點間隙、觸點材料、觸點轉換速度、熄弧結構、散熱能力及反力大小等因素。共同行程主要是為了滿足觸點壓力和觸點跟蹤的需求。

綜上所述，在系統結構設計階段，接點系統要確定的主要參數是觸頭材料及尺寸結構、接點片材料及尺寸結構、觸點間隙及共同行程等，先根據以往設計經驗初步確定各個參數，然后在參數設計階段通過系統的計算推導進一步確定各個參數值。

1.2 電磁系統

電磁系統實現了電能到機械能的轉換，由銜鐵、軛鐵、鐵芯及線圈等組成。對電磁系統的整體要求如下：體積小、重量輕；磁路導磁性好，磁能利用率較高，功耗較低；可動部分無機械磨損或磨損在機械壽命周期內可容忍。除此之外，還應考慮銜鐵的轉動部分驅動接點系統的方式和結構。

電磁系統的設計分兩部分，首先是選擇磁路結構，在既有的結構基礎上確定軛鐵、銜鐵及鐵芯的尺寸；再根據計算好的接點系統反力特性關系來確定線圈參數。

1.3 吸反力特性配合

性能良好的繼電器一定具有匹配較好的吸反力特性曲線，它對繼電器工作的可靠性有很大影響。與反力特性曲線相比，吸力特性曲線過于陡峭或平緩都不是最佳設計，曲線過陡會加劇觸頭與觸頭及銜鐵與鐵芯的機械撞擊，觸點回跳增大；曲線過緩會影響繼電器的可靠吸合，最終都不利于繼電器的可靠工作。所以，使電磁牽引特性曲線和機械反力特性曲線盡可能地接近是設計接點系統和電磁系統的關鍵。

2 參數設計

繼電器參數設計包括接點系統參數、電磁系統參數及調整參數，參數數量較多，參數計算推導過程相對復雜。《信號繼電器設計》一書就繼電器接點系統和電磁系統參數設計做了比較系統的計算推導，對繼電器設計過程有一定的指導意義。但是，上述計算推導僅針對繼電器靜態特性參數，而對影響繼電器可靠工作的動態特性參數沒做說明。

繼電器動態特性是指參數值隨吸合、釋放過程發生變化的參數特性，包括磁通量、電磁吸力、位移、速度及加速度等電學參數及力學參數，真實反映了繼電器動作的物理過程，在很大程度上決定了繼電器工作的可靠性。涉及繼電器動態特性討論的文章較多，針對動態參數求解已研究出多種方法，但這些方法對實際設計工作有多大的指導意義需要實踐檢驗。

將繼電器動態特性分析和計算納入繼電器參數設計過程是急需要做的工作，它對繼電器工作可靠性和電壽命都產生了至關重要的影響。

3 參數優化

參數優化是一個設計的平衡過程，其通過合理調整參數的裕度，使整體設計處于最佳的平衡點上。形象地講，就是將蹺蹺板結構的設計調整成天平結構，最大程度地減小了產品在樣機試制生產過程中質量波動性和離散性對設計的影響。

廣泛應用于電子產品參數優化過程的蒙特卡洛法同樣適用于繼電器產品的設計開發過程，是采用隨機抽樣統計來估算計算結果的計算方法。具體來講，就是以零部件尺寸公差為研究對象，選取多個零件參數，在其公差范圍內進行隨機組合得到一系列方案，對每個方案進行吸反力特性計算，當把所有組合的吸反力特性曲線都畫在同一個坐標紙上，吸反力特性曲線就分別呈現出帶狀，帶越寬就表示尺寸波動對吸反力特性影響越大，間接表明設計參數還有很大的優化空間。

4 結語

本文圍繞繼電器設計方法討論了設計開發內容，討論的內容有限，而繼電器涉及機、電、磁、熱、物理、化學等多個學科，在設計繼電器時，只有考慮到各種因素，才能在各個層面都做出較好的設計選擇。一套有效的設計方法在一定程度上可以約束設計行為，是設計具有優良性能產品的基本保障。

[1]李毓鼎，鄭胡德.信號繼電器設計[M].北京：人民鐵道出版社，1979.

[2]翟國富，陳興文，張青森，等.電磁繼電器時間參數綜合測試分析系統的研究[J].低壓電器，2003（2）：48-52.