一種小型平衡力式密封電磁繼電器的設計

張 耀，譚 旭，史利兵，劉艷艷，劉國蕊

(陜西群力電工有限責任公司，陜西寶雞，721300)

1 引言

本產品是1立方英寸平衡力式密封電磁繼電器，隨著裝備使用要求的提升，要求繼電器的工作性能及環境指標更加可靠，用戶提出了一種具有三組動合觸點，一組轉換觸點的密封電磁繼電器。本產品采用了平衡力式磁路結構形式及帶轉換功能的接觸系統，同時運用仿真分析及計算，合理設置了機械參數。經測試證明，產品性能穩定可靠，機-電匹配合理。本文介紹了產品的電磁系統、銜鐵部分、轉換功能接觸系統的設計。

2 結構方案

2.1 主要技術指標

該小型平衡力式密封直流電磁繼電器為1立方英寸平衡力式電磁繼電器，具有一個控制繞組、三組動合觸點和一組轉換觸點，可切換25A×28Vd.c.(主觸點)、2A×28Vd.c.(輔助觸點)負載。該產品的主要特點是體積小，負載體積比大，結構緊湊，環境適應性強。產品采用熔焊密封，可廣泛用于航天、航空等環境條件惡劣的電子設備中。

表1 主要技術指標

2.2 關鍵技術特點

1)觸點功能3H1Z；

2)高溫電壽命5×104次。

2.3 繼電器方案設計

2.3.1 電磁系統結構設計

目前的平衡力式電磁系統典型結構為Balance Force(平衡力)電磁結構[1]。

平衡力電磁系統結構見圖1。無論是拍合式還是平衡銜鐵式結構繼電器，其靜合觸點的觸點壓力都由返回彈簧提供，一般要小于動合觸點閉合后的觸點壓力(該觸點壓力由電磁力提供)。所以在銜鐵打開、靜合觸點閉合時會產生較大的彈跳，其耐振動和耐沖擊性能也較差。為此，美國Leach公司在1966年以后發展了抗震性能更好，功耗更小、體積和質量也更小的平衡力繼電器。這種繼電器的吸合是靠線圈產生的電磁力，返回是靠永磁回路產生的永磁力。因此，作用在動合觸點上的保持力由線圈產生的電磁力提供，作用在靜合觸點上的保持力由永磁力提供。設計時使動合電磁力與返回永磁力相等，從而使動合觸點保持力與靜合觸點保持力相等，因此國外稱之為平衡力繼電器，直譯為“等力式繼電器”。這種繼電器具有環境指標高、切換可靠、適用功率繼電器切換容量大的特點。美軍標MIL-R-6106中，多數產品采用這種結構，這種產品在世界航空領域被大量使用。

圖1 平衡力電磁系統結構

該結構的優點是：

(1)若設計合理； 激勵和非勵磁時銜鐵受力相等， 亦即所謂的平衡。

(2)繞線窗口面積大，電磁效率高。

(3)勵磁磁通不通過磁鋼，磁路磁阻小，磁損耗低。

(4)保持力較高，可承受較高的加速度下的沖擊、振動。

本產品電磁系統結構選擇Balance Force電磁結構，電磁系統見圖3，主要由磁路部分、銜鐵組件用固定架點焊連接[2,3]。

圖3 電磁系統

該電磁系統結構設計中采用雙線圈并聯電磁結構，雙線圈并聯電磁結構雖然成本較高，但能夠在較小空間獲得最大的電磁效率。同時，由于雙線圈繞線窗口面積大，同規格下可采用比單線圈粗的漆包線，吸合安匝高，且在同等功耗下可保證較大的電磁吸力。由于電磁吸力較大，故選用了高磁能積、耐高溫的永久磁鋼，以提供與電磁力相匹配的復原反力(磁鋼保持力)，實現電磁吸力與復原反力的平衡匹配(力平衡)。另外，線圈散熱面積大，發熱小，可保證繼電器在高溫環境下長期工作的可靠性。

軛鐵、鐵心、線圈采用旋鉚工藝鉚接在一起，連接牢固，漏磁小，磁損耗低，可確保該結構電磁系統提供較大的電磁吸力。

該結構中磁鋼作為主要的復原裝置，可使繼電器動合觸點壓力與靜合觸點壓力對稱平衡；克服了電磁繼電器單純用復原簧片使銜鐵復原，彈簧易諧振和疲勞失效的缺點；提高了電磁系統長期工作情況下抗沖擊、振動的性能。

2.3.2 銜鐵部分結構設計

銜鐵部分見圖4，由簧片排、小軸架、銜鐵、軸、固定架、推桿組件構成。將簧片排通過小軸架及軸與銜鐵緊固成一體，首先點焊兩個小軸架，然后將軸從陶瓷塊的孔中穿過，通過兩個小軸架的“V”形槽和固定架將軸“抱緊”，將簧片排緊固在銜鐵上，最后在銜鐵上點焊推桿組件，通過銜鐵運動帶動推桿組件，實現觸點的轉換功能。該結構通過絕緣的陶瓷塊，將動簧組件與銜鐵結合成一體。該結構剛性好，能夠保證觸點可靠接觸，滿足切換負載要求。

圖4 銜鐵部分

2.3.3 接觸系統方案設計

接觸系統結構見圖5,靜觸點組件、支撐、輔助觸點、輔助簧片點焊在焊腳上，該結構剛性、工藝性好。為滿足一組轉換功能，在接觸系統中設計了轉換觸點部分，既能保證觸點功能，又可以在繼電器激勵時，提供足夠的反力。

圖5 接觸系統

2.3.3 繼電器結構設計

繼電器機構見圖6，主要由電磁系統、接觸系統通過支架點焊連接，并安裝有U型連接卡，通過連接卡實現電磁系統中簧片排與接觸系統連接。連接卡采用銀鎂鎳合金帶，可保證良好的接觸性能和彈性。

圖6 繼電器機構

3 基于有限元軟件的電磁仿真

建立產品虛擬樣機靜態吸力計算模型，可以實現對原設計的電磁吸力，靜態磁鏈，磁場分布的計算[4,5]。

首先建立該型繼電器的電磁系統模型，在該模型中包含鐵芯、線圈、銜鐵、軛鐵，在建模過程中該模型的固定部分與轉動部分以不同坐標導入到模型中(見圖7)。

圖7 電磁系統模型

建模完畢后，建立若干不同的分網點，每個分網點都設置不同的分網密度，然后在根據實際問題的需要將模型中的點劃分到這幾個分網節點中，從而來實現對模型的不同區域進行不同密度的分網，這樣既可以節省計算時間有可以方便地觀察試驗結果。分網效果如圖8所示。

圖8 磁感應強度矢量圖

對實驗結果進行后處理可以得到整個電磁系統以及單一截面的磁感應強度云圖和磁感應強度矢量圖和動作電壓和釋放電壓下的電磁吸力圖，如圖9所示。

圖9 電磁吸力圖

4 結論

本文介紹了一種平衡力式密封電磁繼電器，其總體采用平衡力式結構，接觸系統設計有轉換觸點功能。通過合理設計零部件結構尺寸，并通過理論計算和仿真分析驗證了設計方案可滿足產品的性能要求。本產品經過三個批次的裝配及試驗，已順利通過我公司產品設計定型鑒定。