基于多體動力學的高壓直流電磁繼電器觸點振動特性研究

黃 宇

（沈陽特種設備檢測研究院， 遼寧 沈陽 110035）

0 引言

電磁繼電器結構復雜并且涉及到眾多交叉學科，高壓直流繼電器作為一個具有高效處理能力的高功率控制元件，在高電壓、強電流等高頻的條件下擁有普通的電磁繼電器所無可代替的高壽命和堅固可靠等優點。 高壓直流繼電器的振動特性是衡量其使用性能的重要指標之一，目前國外主要從理論、仿真、擬態試驗等方向進行設計與探究。 但因這方面的資料研究大部分涉及到國防領域的關鍵保密技術，所以可進行的借鑒十分稀少，因此我們國家對于該繼電器的研究內容很少，本文依托仿真，進行關于高壓直流繼電器振動特性的研究， 針對某一影響因素研究其對繼電器動態特性的影響， 為同型號繼電器的優化提供依據。

1 繼電器三維建模

1.1 三維建模

該繼電器的傳動方式為 “動鐵芯—推桿—超程彈簧—動觸點”傳動方式。 這種傳動方式由動鐵芯經過推桿和超程彈簧間接作用到簧片上。 明確各部件的運動及固定方式之后，建立繼電器內各零件的三維模型并導入RecurDyn。

根據導入后的模型方向設置系統重力方向和圖標尺寸，將陶瓷罩和金屬罩刪除，合并推動系統。 模擬實際工況將超程彈簧拆分為上下兩部分，并在兩部分之間添加彈簧力，總體結構如圖1 所示。

圖1 仿真前處理示意圖Fig.1 Schematic diagram of simulation pretreatment

1.2 設置材料

考慮到模型部分零件的材料與RecurDyn 的材料數據庫中的有所不同，為使仿真結果更加接近實際，并保證繼電器接通后的良好導電性和機械性能， 高壓直流電磁繼電器各零件材料如表1 所示。

表1 繼電器各零件材料對照表Tab.1 Material comparison table of each part of the relay

1.3 創造約束與接觸

創造約束與接觸需要五個條件： 建立marker 點和face 面；添加基礎約束；添加彈簧力；進行接觸設置。

marker 點的主要作用是確定彈簧的作用點和彈簧的運動方向，根據彈簧實際作用位置建立。超程彈簧上端作用點選在動觸點與凸臺接觸面的中心； 超程彈簧下端作用點選在推動系統與凸臺交界處的中心； 返回彈簧上端作用點在軛鐵板大小凹槽交界處中心； 返回彈簧下端作用點在動鐵芯大小凹槽交界處中心。

設置與大地的固定鉸為固定副， 推移卡與外殼的滑移副為移動副，動觸點和靜觸點的實體接觸為接觸。

1.4 添加驅動力

高壓直流繼電器工作時，其所有的動力都源自動鐵芯受到的電磁力，當繼電器通電時動鐵芯再在電磁力的作用下上運動，首先克服自身重力、推桿間摩擦力和彈簧的彈力使繼電器閉合。 繼電器仿真的驅動采用由Maxwell 計算出的電磁力，即：當電流恒定時，動鐵芯處于不同角度時的受力情況。由于繼電器工作由電腦控制，因此在繼電器其工作時線圈中的電流可近似為恒定值。在進行仿真時驅動力的數值由動鐵芯與軛鐵相對位置決定，需要將上述計算出來的離散數據調入到RecurDyn 中， 系統會根據輸入的離散數據擬合出一條動鐵芯不同角度下受到電磁力的曲線。 完成曲線的創建后編寫樣條插值函數，軟件就會根據當前時刻動鐵芯所處的位置來輸出動鐵芯上電磁力的大小。

表2 電磁力參數大小Tab.2 Electromagnetic force parameters size

圖2 電磁力矩樣條曲線Fig.2 Electromagnetic moment spline curve

2 仿真

圖3 觸點開距示意圖Fig.3 Schematic diagram of contact distance

考慮繼電器的結構條件， 為揭示觸點開距對彈跳的影響，尋找最佳的觸點開距（動觸點與靜觸點的距離），選取表3 中7 個位置進行實驗。

由動觸點位移震動曲線可知，0s～0.009s 動觸點加速向上運動過程直至動觸點與靜觸點發生第一次碰撞速度驟減，由于觸點開距不同所以動靜觸點發生碰撞的時間也有一定差距，開距越小動觸點與靜觸點第一次碰撞越早。 0.009s-0.020s 過程中動觸點與靜觸點不斷碰撞直至靜止，由于多體動力學分析的是繼電器理論的振動效果， 因此動觸點的振動次數和振幅與實際存在一定的差異但是兩者的趨勢和遵守的物理規律是相同的。0.020s之后動觸點與靜觸點穩定接觸但由于此時動鐵芯還在跳動因此0.020s 之后位移圖像還會有微小的振動，這些振動可以忽略。

根據動觸點位移圖像可知； 隨著觸點開距的增加， 動觸點位移的最大振幅整體呈現先增加后減小的的趨勢； 振動總時長呈現先增加后減小的的趨勢。 觸點開距為0.75mm 時振幅和振動時間最小，且振動次數較少。 因此觸點開距為0.75mm較好。

表3 觸點開距仿真設計Tab.3 Contact distance simulation design

圖4 動觸點位移振動曲線圖Fig.4 Vibration curve of moving contact displacement

圖5 動觸點速度振動曲線圖Fig.5 Moving contact velocity vibration curve

圖6 動鐵芯位移振動曲線Fig.6 Displacement vibration curve of moving iron core

圖7 動鐵芯速度振動曲線Fig.7 Velocity vibration curve of moving iron core

根據動觸點速度圖像可知： 隨著觸點開距的增大最大波動呈現減小趨勢，通過速度波動次數和時間分析，可知0.75mm 時圖像振動波動最小。

由動鐵芯位移可知，0.009s～0.014s 曲線斜率減小。0.014s～0.025s 過程中動鐵芯與軛鐵板不斷碰撞直至靜止， 因此將著重分析這一段時間內動觸點的振動，0.025s之后動鐵芯與軛鐵板穩定接觸。 在整個過程中微小振動可以忽略，只關注較大的振動。

由動鐵芯速度曲線可知，0s～0.009s 動觸點加速向上運動直至動觸點與靜觸點發生第一次碰撞速度驟減。0.009s～0.014s 過 程中由于動觸點與靜觸點的碰撞，動鐵芯速度減小后繼續增加直至動鐵芯與與軛鐵板發生碰撞，0.014s～0.028s 過程中動鐵芯與軛鐵板不斷碰撞直至靜止。 0.028s 之后動鐵芯與軛鐵板穩定接觸，0.028s 之后速度圖像還會有微小的變化，這些振動可以忽略。

增大觸點開距， 速度波動時間和次數呈現無明顯規律，最大速度振幅也相對穩定。綜合分析振動情況選擇最佳的觸點開距。發現動觸點振動時開距為0.75mm 效果最好， 由于繼電器動觸點的振動特性最終影響繼電器的通斷特性，因此0.75mm 是觸點開距的最優位置。

3 結論

本章建立并簡化了高壓直流電磁繼電器的三維模型和動力學模型。利用RecurDyn 軟件研究繼電器觸點開距對繼電器振動的影響，得到各參數與繼電器振動情況的對應關系和各參數的最優范圍。 為進一步研究繼電器振動特性的問題提供了理論依據。