基于FLUU X的平衡力繼電器動作時間優化設計

王建雄 蒙征 李元會 肖斌

摘要：本文對平衡力繼電器動作時間優化設計進行研究，提出在磁路系統中用雙線圈結構代替單線圈結構，通過仿真計算，明確不同的線圈結構對繼電器動作時間的影響，為繼電器動作時間優化設計提供理論依據。根據計算結果進行實際裝樣驗證，繼電器動作時間降幅明顯，優于國外同型號產品水平，充分論證了優化設計方法的有效性，優化后的產品性能優異，可滿足使用需求。

關鍵詞：平衡力繼電器；動作時間；有限元分析

引言

平衡力繼電器是一種電磁系統為“電磁鐵+永磁體”結構的繼電器，繼電器在斷電時銜鐵被永磁體吸持的保持力與通電時銜鐵被電磁系統吸持的電磁吸力相等，從而實現電磁吸力與復原反力的平衡匹配。與其他類型的電磁繼電器相比，平衡力繼電器負載體積比以及振動、沖擊等耐力學環境指標更高，更加可靠，產品廣泛用于航空、武器裝備等領域。

動作時間是指繼電器從線圈加電瞬間到常開觸點首次閉合所用的時間，是繼電器一項重要的指標，直接與繼電器所控制電路的響應速度相關，動作時間越短，被控制電路的響應速度就越快。本文針對一款平衡力繼電器進行優化改進，該產品的磁路系統為單線圈結構，動作時間約為23ms，而國外同型號產品動作時間可達到17ms。

為了縮短該繼電器的動作時間，擬將其磁路系統由單線圈結構更改為雙線圈結構，在優化設計的過程中采用理論計算及三維有限元軟件對兩種結構的磁路系統進行對比，并結合繼電器樣品裝配、測試的方法，最終以樣品驗證情況作為繼電器動作時間優化設計的依據。

1 分析軟件介紹

Cedrat Flux是一款針對繼電器、接觸器等元器件及電機等電磁設備的2D及3D電、磁、熱、有限元分析軟件，由CAE軟件制造商Magsoft開發，軟件基于麥克斯韋微分方程組，以有限元法為基礎，對產品進行電磁和電熱優化設計，其特點是精確、可靠、易掌握，能夠提供精確的仿真結果，縮短產品的研制周期，降低產品研發成本。

應用Flux軟件進行電磁仿真的流程圖如圖1所示。

2 動作時間計算及仿真

兩種結構的電磁系統如圖2所示，該繼電器工作原理為：線圈非激勵狀態下，銜鐵在永磁體的作用下保持在圖示位置，即銜鐵與最左側極靴相貼合，當線圈施加激勵時，銜鐵將會沿轉軸順時針旋轉，直至銜鐵與中間極靴貼合，在此過程中銜鐵將帶動動觸點動作，完成繼電器的轉換。

2.1 繼電器動作時間計算

繼電器的動作時間tcd為觸動時間tc（從線圈通電到銜鐵開始運動所經歷的時間）和銜鐵運動時間td（從銜鐵開始運動到銜鐵完全閉合所經歷的時間）之和，即tcd=tc+td。

根據上述計算，單線圈結構繼電器動作時間為27.71ms，而實際測試值為23ms，故給定調節系數為0.83，預測雙線圈結構繼電器動作時間為15.12 ms×0.83=12.5 ms。

2.22繼電器動作時間仿真

2.2.1 模型提取及簡化、網格劃分

分別提取兩種結構繼電器的電磁系統，包括銜鐵、極靴、永磁體以及鐵心，刪除模型中各零件的倒角等對計算結果影響極小的元素，簡化后的模型如圖2所示。將簡化后的模型導入Cedrat Flux中，并進行網格劃分。

2.2.2 材料及機械參數設置、線圈定義

定義模型各部分材料，其中永磁體材料為鋁鎳鈷，剩磁強度為0.8T，鐵心、極靴、銜鐵材料為電工純鐵DT4C，按照材料性能設置其B-H曲線；將銜鐵設置為可動部件，繞轉軸轉動，其它部分為固定部件。以上材料及機械參數設置在兩個模型中無差異。

繼電器線圈電阻及驅動電流均已知，根據表1的參數進行設置，分別將線圈導入上述模型中。

2.3 求解及后處理

分別計算兩個模型中線圈加電后銜鐵轉矩響應隨時間變化的情況，圖3、圖4分別為雙線圈、單線圈結構的磁路系統磁感應強度云圖及銜鐵轉矩。

對比計算結果可知在線圈加電后相同時間段，雙線圈結構銜鐵所受的轉矩增幅更大，響應速度更快，在繼電器接觸系統不變（即兩種結構繼電器反力系統一致）的情況下，可得出雙線圈結構的繼電器動作時間更短的結論，與公式計算結果一致。

3 樣品驗證

為了驗證仿真計算結果，分別裝配上述兩種結構的繼電器樣品，裝配過程中采用相同的控制要求，兩種結構的樣品（未裝罩）分別如圖5、圖6所示。

繼電器樣品裝配完成后，隨機抽取10只測試其動作時間，測試結果見圖7：

根據測試結果，單線圈結構繼電器動作時間均值為23.44 ms，雙線圈結構繼電器動作時間均值為13.73 ms，動作時間縮短約9.71 ms，與仿真計算結果相符，同時繼電器動作時間低于國外同型號產品。

4 結束語

本文對平衡力繼電器動作時間優化設計進行研究，在磁路系統中用雙線圈結構代替單線圈結構，通過仿真分析及理論計算，分析不同的線圈結構對繼電器動作時間的影響趨勢，為繼電器動作時間優化設計提供理論依據。并根據計算結論進行樣品驗證，繼電器動作時間降幅明顯，改進后動作時間優于國外同型號產品，充分論證了優化設計方法的有效性，優化后的產品性能優異，可滿足使用需求。

參考文獻

[1]Barna Szabo，Ivo Babuska .Introdution to finite element analysis Formulation，verafication and validation[M].航空工業出版社，2013：38-55.

[2]陳章華，寧曉鈞.工程中的有限元分析方法[M].冶金工業出版社，2013：132-155.

[3]楊繼業、呂英.繼電器動作時間問題對自動控制系統影響的探討[J]，全國煤礦自動化學術會議.1994：1-3.

[4]吳義彬，張茂松，袁朝陽.雙線圈繼電器線圈互感效應導致的可靠性問題案例研究[J].電力系統保護與控制，2007，35（3）：77-82.

[5]周茂祥.低壓電器設計手冊[M].機械工業出版社，1989：45-62.