一種高沖擊指標的微型密封電磁繼電器的設計

張 耀，譚 旭，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

本產品是一種方形"TO-5"封裝形式的微型密封電磁繼電器，隨著裝備使用環境更加惡劣，要求繼電器的工作性能及環境指標更加嚴格，用戶提出了一種高沖擊指標(980m/s2)的微型密封電磁繼電器[1]。本產品采用了新的磁路結構形式及裝配工藝手段，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，沖擊指標高，機-電匹配合理。本文介紹了產品的電磁系統、鐵芯部分的、接觸系統機械參數的設計。

2 結構方案

2.1 主要技術指標

該產品為方形TO-5繼電器，有一個控制繞組和兩組轉換觸點，可切換低電平到1A、28Vd.c.額定負載。安裝方式和引出端形式符合軍用密封電磁繼電器系列型譜GJB/Z39.2-2001的規定。可供航空、航天等領域作電路切換用。其主要技術指標見表1所示。

表1 主要技術指標

2.2 關鍵技術特點

沖擊指標為980m/s2。

2.3 繼電器方案設計

2.3.1 總體結構設計

該產品為微型密封電磁繼電器，總體結構采用拍合式。繼電器機構見圖1，由電磁系統與接觸系統通過軛鐵連接組成，該結構可最大限度地利用微型繼電器內部有限的空間，且整體結構剛性較好。

圖1 繼電器機構

2.3.2 電磁系統結構設計

繼電器電磁系統見圖2，采用拍合式結構。

圖2 電磁系統

電磁系統由鐵芯、軛鐵、線圈、銜鐵、推桿、固定架、碗形墊圈組成。其結構特點是：

1)該結構可最大限度地利用微型繼電器內部有限的空間，且整體結構剛性較好。

2)線圈與鐵芯極面間有一碗狀金屬墊圈，因而避免了線圈變形而影響銜鐵行程。

3)銜鐵轉動部分采用懸掛式結構，以固定架見圖3作為轉軸，固定架與鐵芯點焊連接，固定架兩側與銜鐵見圖4槽配合 。

圖3 固定架圖4 銜鐵

2.3.3 接觸系統結構設計

接觸系統(見圖5)采用半柔性線形接觸形式。主要由動簧片、觸點、擋片、底座和復原簧片構成。其中，底座為底板和焊腳采用玻璃絕緣子燒接而成，簧片部分和觸點分別點焊在對應焊腳上，擋片和復原簧片分別點焊在底板上。

圖5 接觸系統

2.3.3.1 接觸系統可靠性設計

a. 材料的選擇，該產品采用柱面與平面的接觸形式；繼電器觸點采用鍍金的方式，簧片選用銀鎂鎳帶，觸點選用六元合金。

b. 觸點間隙的確定

(1)保證觸點在斷開時，分斷電弧能可靠熄滅。

可根據伏安特性得到電弧臨界長度表達式。一般情況下，將觸點間隙設計為0.5～0.8倍的電弧臨界長度，所以觸點間隙應為：

式中，U0為觸點電源電壓；R為觸點回路電阻；c，n為常數(對于在空氣中的電弧，取c=80，n=0.5)；K為速度因子，一般取為0.5～0.8。

經計算，觸點間隙可暫取為0.05mm。

(2)保證在試驗電壓下，觸點間可靠絕緣。

圖6 帕邢曲線

該產品介質耐電壓為500 Vr.m.s.，為保證設計余量，將介質耐電壓提高到600 Vr.m.s.，查上表可知承受600 Vr.m.s.介質耐電壓需要0.07mm的間隙，由于繼電器內部充有惰性氣體，因此將觸點間隙取為0.06mm。

c.觸點壓力的確定

觸點壓力可根據觸點材料和負載來確定，查閱資料，見下表：

觸點材料銀及銀合金金及金合金銀-氧化鎘系數(N/A)0.015～0.050.02～0.0250.01～0.015

該產品觸點為六元合金，簧片為銀鎂鎳，表面鍍金，負載為1A，因此觸點初始壓力為(0.02～0.025)N/A×1A=(0.02～0.025)N。取產品觸點壓力為0.025N。

d. 觸點超行程

觸點超行程的目的是補償磨損，也是產生足夠觸點壓力，使觸點磨損不致于嚴重影響其正常工作。要產生觸點超行程必然出現動靜觸點表面間的相對滑動，這樣可將觸點表面的氧化薄膜和灰塵等擦掉，以利于接觸可靠。但從減小電磁系統動作功率和結構尺寸來說，又希望觸點超行程盡量小一些。

由于觸點磨損量很難計算，因此依靠經驗數據，通常微型密封電磁繼電器觸點超行程應部小于0.03mm。因此取觸點超行程為0.03mm。

通過以上可靠性設計，產品可滿足1A、28Vd.c.(阻性)1×105要求。

2.3.3.2 耐力學環境的參數設計

針對980m/s2(脈沖持續時間：6ms)沖擊指標，根據前期試驗數據，該產品出現沖擊試驗失效的狀態主要表現為，去激勵狀態下靜合觸點斷開抖動。影響產品沖擊條件下，觸點發生斷開的可能是靜合觸點壓力不夠，導致產品出現斷開抖動現象，或者銜鐵轉動產生位移，推動動簧片，出現抖動現象，現在對以上兩種情況進行分析：

圖7 接觸系統模型

由以上計算可知，當繼電器受到980m/s2沖擊時，簧片產生的撓度小于施加壓力時簧片產生的撓度，所以不會引起斷開抖動。

針對以上問題，采取如下設計方案：

1.由于銜鐵反力是由點焊在底板上的復原彈簧提供，為避免產品在去激勵情況下出現靜合觸點斷抖，故設定復原簧片反力為≥0.018N。

2.增加吸力。

增大軛鐵工作面，見圖8所示，在以往的設計中，為了減小漏磁通，把軛鐵與鐵芯極靴面間的距離d設計的比較大。事實上，漏磁的大小是與工作磁通相對而言的，理論估算和實際測量表明，在一定范圍內適當減小軛鐵與鐵芯極面間的距離，雖然會導致漏磁通變大，但由于此時工作氣隙δ亦減小，且軛鐵工作面面積增大，工作磁通增長的幅度更大，有利于提高吸合靈敏度和吸合后的電磁吸力，見圖9所示：

圖8 原電磁系統

圖9 改進后電磁系統

根據拍合式電磁系統靜態吸合力公式：

其中，uδ為該氣隙的磁壓降(安匝)，μ0為空氣磁導率，S為極靴面積，δ為氣隙距離。

比較以上兩種電磁系統，帶入公式中計算。

=0.1N

=0.15N

電磁力的增加，可以保證本產品在高溫條件下可靠動作，從而保證了產品的高溫電壽命要求。

通過以上接觸系統可靠性設計及耐力學環境參數設計，保證了該產品的沖擊指標要求。

3 基于有限元軟件的電磁及力學仿真計算

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。

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(如圖10所示)。

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又可以方便地觀察試驗結果。分網效果圖(如圖11所示)。

圖10 電磁系統模型圖11 分網效果圖

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12所示。

圖12 仿真結果圖

4 結論

本文介紹了一種高沖擊指標的微型密封電磁繼電器，其總體采用拍合式結構，接觸系統采用半柔性接觸形式。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。今后可將本產品的設計方案推廣至我公司同類型微型密封電磁繼電器，進一步滿足武器裝備科研生產的要求。