旋轉式磁保持繼電器動態特性優化研究

車 賽， 遲長春， 左少林， 王澤濤

(上海電機學院 電氣學院, 上海 201306)

作為低壓電器中最重要的控制元件之一，繼電器在通信、遙控、遙測、機電一體化、自動控制和電力電子等領域發揮著重要作用[1]。磁保持繼電器相比于傳統的電磁式繼電器，結構更加簡單，且無需長時間通電，只需通入一定寬度的動作、復位脈沖，繼電器就能實現閉合斷開狀態的切換，當外加脈沖失效后仍有電磁力使其保持在穩態，控制方便。由于線圈不持續通電，大大減小了繼電器的發熱量，比傳統電磁式繼電器節省大量電能，且溫升和噪聲較小，受電網波動的影響很小。因此，智能型磁保持繼電器的研發將成為未來的一個發展趨勢[2-4]。目前，國內外學者對磁保持繼電器已做了諸多工作，如磁保持繼電器的電氣參數檢測系統及參數優化設計[5-10]、影響電弧因素及動態特性的研究[11-13]等。

研究顯示磁保持繼電器在閉合過程中達到穩態之前，由于碰撞會發生彈跳。長期的彈跳過程產生的短電弧使得接觸部位產生高溫，由于熔池內外存在很大的溫度梯度，熔池內金屬快速凝固結晶，使得接觸部位形成熔焊點[14]。當觸點的熔焊力大于觸點分斷力時就會產生熔焊，嚴重損害磁保持繼電器的可靠性和使用壽命[15-16]。因此，探尋改善磁保持繼電器動態特性的方法，實現磁保持繼電器動態合閘過程優化，提高磁保持繼電器的使用壽命和整體性能，對磁保持繼電器的研究開發與加工生產具有理論意義與實用價值。

1 Ansys建模與仿真

1.1 研究對象

本文對YK818-B系列磁保持繼電器進行研究，分析產品如圖1所示。線圈額定電壓9 V(DC)，單線圈電阻范圍為72～89.1 Ω，額定功率1 W，額定電流范圍0.101～0.125 A，吸合釋放時間小于20 ms。內部結構由電磁系統、推動機構、觸點系統、動簧片和分流片4個部分組成，如圖2所示。電磁力矩的變化能推動執行機構運動，實現觸點系統的閉合與關斷，其中，動簧片具有載流、散熱與產生壓力的功能。

1.2 電磁機構

旋轉式磁保持繼電器的電磁機構包括：銜鐵組件(包括永久磁鐵和磁極片)、鐵芯、軛鐵和線圈，電磁機構簡圖如圖3所示。通過軛鐵與上下兩磁極片之間的工作氣隙和銜鐵組件，可以將電磁能轉換為機械能，從而帶動整個接觸機構工作[17]。磁保持繼電器的永久磁鐵型號采用Y30BH，軛鐵和鐵芯均采用電工純鐵DT4E，并牢固結合在一起。

圖1 YK818B磁保持繼電器

圖2 磁保持繼電器內部結構框圖

圖3 旋轉式磁保持繼電器電磁機構示意圖

1.3 電磁機構仿真與分析

旋轉式的磁保持繼電器的電磁機構中沒有彈簧，并且其反力由永久磁鐵所提供。磁保持繼電器的工作原理為：當線圈中沒有脈沖電流時，銜鐵組件因受到永久磁場的作用，產生順時針方向的電磁力使得上磁極片與右軛鐵緊密吸合，此時處于初始狀態也就是閉合狀態。當線圈接通正向脈沖電流時，鐵芯以及兩個軛鐵內部產生與永久磁鐵磁場方向相反的磁場，并克服永久磁場的作用，使得銜鐵組件受到電磁力作用沿永磁體中心逆時針方向旋轉，向左帶動推動片使得常閉觸點斷開。當上磁極片旋轉至與左軛鐵完成接觸后，線圈脈沖電流消失，在永久磁鐵作用下，使得銜鐵組件穩定保持在該位置，此時稱為磁保持繼電器的斷開狀態。反之，當線圈中通過反向的脈沖電流時，鐵芯以及兩個軛鐵內部產生與永久磁鐵磁場方向相反的磁場，當脈沖電流產生的電磁力大于永磁鐵電磁力時，銜鐵組件發生順時針旋轉的電磁力。當上磁極片旋轉至與右軛鐵完成接觸后，正向電流消失，恢復成初始狀態，也就是閉合狀態。由于永久磁場產生的電磁力依然存在，使得銜鐵組件穩定維持在該位置，這就是磁保持繼電器的雙穩態[18]。

在Ansys軟件中的Maxwell 3D Design中建立電磁機構仿真模型，永磁鐵材料為Y30BH，鐵芯和軛鐵為電工純鐵。網格劃分時，銜鐵組件附近的網格劃分更細，精度更高，其余部件自由劃分。電磁機構網格劃分如圖4所示。

圖4 電磁機構網格劃分

在三維模型中的銜鐵組件上設置力矩參數，銜鐵組件旋轉角度(α)范圍為-7°～7°，添加線圈安匝數范圍為0～390 A，進行參數化分析，得出磁保持繼電器合閘過程中在不同旋轉角度及不同電流的合力矩特性曲線，各曲線規律性一致，其中部分曲線如圖5所示。

圖5 合力矩特性曲線

磁保持繼電器合閘過程中，銜鐵組件旋轉方向從7°～-7°，由圖5可見，隨著α從-7°～7°，合力矩逐漸增大，且安匝數越大，合力矩越變大，表明了銜鐵組件在閉合過程初始階段所受合力矩較小，末尾階段即動靜觸頭快接觸時，合力矩較大。

2 動態特性仿真與優化

2.1 動態數學模型建立

磁保持繼電器電磁機構閉合和關斷的動態過程中，涉及到電磁、熱能變化及機械運動等多方面因素，數學模型建立需要簡潔且完整地包含以上多種因素。因此需要在電磁系統上加電壓平衡方程，磁場上加麥克斯韋方程，機械運動上遵循達朗貝爾運動方程，以及在熱力學上則應遵循熱平衡方程，這些相互聯系的方程構成了描述機構動態過程的微分方程組[19]，即：

(1)

初始條件為ψ|t=0=ψ0，ω|t=0=0，α|t=0=α0。

式中：u為線圈勵磁電壓，V；R為線圈電阻，Ω；i、ψ分別為線圈電流及電磁系統磁鏈，A、Wb；T、Tf分別為電磁轉矩和反作用力矩，N·m；J為銜鐵組件的轉動慣量，kg·m2；ω為銜鐵組件角速度，rad/s；α為銜鐵組件旋轉角度，(°)。

2.2 模糊控制器設計

從銜鐵組件合力矩曲線及動態數學模型可以看出，銜鐵組件在閉合過程中的合力矩與線圈的安匝數、銜鐵組件旋轉角速度及所在的角度相關。因此，設計模糊控制規則中的輸入量為銜鐵組件旋轉角度α和旋轉角速度ω，輸出量為脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation, PWM)占空比D，模糊控制規則表如表1所示，其中XS、S、M、L、XL分別表示很小、小、中、大、很大。

表1 模糊控制規則表

表1的模糊條件為：如果α和ω為XS則D為XL，即當銜鐵組件α和ω為很小時，那么輸出的D應當很大，此時線圈通入很大的脈沖電流，增大銜鐵組件的合力矩，銜鐵組件ω增大，從而達到快速閉合的目的，提高磁保持繼電器可靠性。反之，當D很小時，減少銜鐵組件在動靜觸頭碰撞前的角速度，達到減少觸頭間的彈跳的目的。

2.3 動態系統仿真與分析

在Simulink中搭建主電路、機械運動模塊以及模糊控制模塊構成動態系統，220 V交流電源降壓整流濾波后通過模糊控制施加不同D實時改變磁保持繼電器線圈兩端的電壓，從而實現動態特性的調節。輸出為銜鐵組件α及ω，當輸出角度到達-7°時，運動系統仿真完成。

模型中將原始系統與模糊控制系統輸出進行對比仿真，α及ω仿真結果如圖6和圖7所示。

圖6 角度對比仿真圖

圖7 角速度對比仿真圖

圖6和圖7的仿真結果表明，系統經模糊控制優化后，整個合閘過程的時間控制在20 ms內，符合可靠閉合時間要求。且銜鐵組件在合閘末尾時即α=-7°時，角速度明顯小于原始系統角速度，這將大大減小動靜觸頭間的彈跳，對磁保持繼電器使用壽命的提高、能耗的降低及動態特性的改善具有重要作用。

3 結 語

本文通過Ansys軟件對磁保持繼電器的電磁機構進行建模仿真分析，得到不同電流大小和不同旋轉角度時的合力矩特性曲線，分析了磁保持繼電器的動態特性，建立了磁保持繼電器動態數學模型。利用Matlab建立了動態系統仿真模型，并使用模糊PWM控制的方法對合閘特性進行優化分析，仿真了合閘過程中銜鐵組件的運動曲線。從仿真結果可以看出：采用模糊PWM控制的方法能夠有效地改善磁保持繼電器動態特性，從而減少觸頭彈跳現象，提高磁保持繼電器可靠性及使用壽命。