高壓直流繼電器關鍵組成部分電磁系統的研究與設計

蘭州現代職業學院城市建設學院 劉成山

在新能源產業中，高壓直流繼電器可為新能源汽車以及充電樁等的穩定運行提供保證。目前，我國針對高壓直流繼電器所作的研究尚不充分，取得的理論研究成果也不夠深入，作為關鍵組成部分之一，電磁系統的優化設計現在仍是促進我國高壓直流繼電器技術實現發展與進步的一個重要問題，本文對此展開研究。具體地，基于對高壓直流繼電器結構與工作原理的分析，研究電磁系統是否對節能模塊加以采用，之后提出不含永磁的電磁式磁系統結構優化設計方案，對其靜態吸力特性進行計算，發現該系統可實現對吸合電壓與釋放電壓要求的滿足。

1 高壓直流繼電器結構與工作原理

高壓直流繼電器能夠頻繁地通過閉合與拉斷方式發揮出指引直流電路工作的作用；而它也能夠同其他類型的開關設備一起使用，可以從綜合層面上達到對系列電路的控制與保護目的。通常，高壓直流繼電器由滅弧裝置、觸頭系統以及電磁系統三大模塊構成。其中，直流滅弧裝置的原理是在自身或是外加磁場的作用下讓電弧受力，然后將其帶入電弧室，并進行加強冷卻處理，將電離消除，以此達到熄滅電弧的目的；觸頭系統含多對常開觸點在內，靜接觸頭在密封的陶瓷罩上面固定，動觸點則能夠沿著接觸的方向移動，高壓直流繼電器通過兩個觸點的閉合與分離達到對電路中電流的控制目的；對于直流接觸繼電器來說，內含電磁系統非常重要，發揮著主要驅動力的作用，在電磁原理作用下令鐵芯產生一定的動能，可以達到閉合或開端觸頭的目的。

對直流繼電器的工作原理進行分析，可以大致概括為：對線圈通電，這時會有相應的磁場產生，動鐵芯磁化并在電磁吸力的作用下向上運動，這又會對推動機構產生帶動作用，使其同樣向上運動。在此過程中，返回彈簧會逐漸壓縮，與動、靜兩個觸點的接觸相伴隨，超程彈簧也會開始壓縮，一直到動鐵芯同軛鐵板實現完全吸合，這時的繼電器也會完成其閉合動作。而在線圈斷電之后，磁場會不復存在，此時電磁力與動鐵芯的動力也同樣都會消失，在超程彈簧與返回彈簧對的推動機構作用之下，系統內之前儲存下來的彈性勢能會向動能轉化，動鐵芯會由此而向下運動，導致動、靜兩個觸頭相互分離，繼電器的拉斷動作得以完成。

2 觸頭系統反力特性

據前文所述，電磁系統是高壓直流繼電器中尤為關鍵的組成部分，因此本文將電磁系統作為高壓直流繼電器優化設計的對象。對電磁系統作用進行分析，在于驅動觸頭系統，其設計要求為良好地同反力特性相匹配。故而電磁系統的優化設計應將觸頭系統的反力曲線作為參考。在執行對產品的設計作業之時，首先需要做好的工作應當是準確計算，將觸頭系統所具有的反力特性明確下來。

通過對相關資料的查閱可知，高壓直流繼電器電磁系統最小初始保持力以4.9N為宜。為了使產品可以很好地對環境指標要求予以滿足，應適當地留出些余量，確定初始保持力為6.6N；此處將270V/200A直流阻性負載作為觀察對象，對其開展開斷試驗，試驗過程可以將不低于0.6m/s的開斷速度確定下來，另一方面，如果觸點的開距超過了1.125mm，繼電器能夠穩定地開斷270V/200A直流阻性負載。為了保證后期的生產具有足夠的穩定性，對觸點的開距進行設置，以1.5mm為宜；進一步地，將觸頭燒損經驗工作作為參考依據，并與以往的相關實踐經驗進行結合，對繼電器的超行程進行設定，此值以1.2mm為宜。

同樣通過對相關資料的查閱可知，通常對接觸電阻的選用應以0.2mΩ電阻為宜，而為了確保后期的生產工作處于一個足夠穩定的狀態之下，設計環節應考慮在一定程度上將接觸電阻降低，此處將其設置為0.1mΩ。基于接觸電阻的估算公式，可將接觸壓力求解出來，取其值為13.7N，而出于對適當留出一些余量這一要求的考慮，設定此次實驗的接觸壓力為14N。通過對繼電器的分析可知，本次研究對象具有雙斷點式結構，因此可以將超程彈簧所需提供的壓力確定下來，它應當是2倍觸頭動壓力，也就是28N。

在以上分析基礎上，與大功率繼電器對負載大小、壽命次數、環境指標以及總體結構等所提要求相結合，明確繼電器反力特性，并將其求解出來，得到結果，之后可借此執行對電磁系統的設計及優化任務。

3 含節能模塊的電磁系統

對含有節能模塊在內的電磁系統展開相應的分析，把握其工作原理，可大體對其作出如下概括：在脈寬調制電路的運行支撐之下適當地增加一定的PWM波占空比，由此一來，繼電器在吸合環節會獲得較大的輸入電壓，以此為其線圈提供相對較大的吸合安匝，在此基礎之上，如果繼電器的吸合已經到位，則這一狀態可以得到相對容易的保持，只需有一個比較低的能量便可以達到這一目的。對于節能模塊來說，它能夠采取在一定程度上降低輸出占空比的方式，將繼電器線圈的輸出端電壓降低，使其到達一個比較小的水平。節能電路的存在可以在較大程度上提升繼電器設計的靈活性。當繼電器線圈輸入端能夠在一個極短的時間內提供較大吸合功率之時，節能電路能夠以對繼電器平均輸入功耗的保持為前提大幅度提升繼電器吸合安匝，有效地將電磁系統設計難度減小。不過針對一些對耐輻射及可靠性要求較高的場合，節能電路的采用會在一定程度上導致新故障的發生，且難度與成本均會在一定程度上有所增加。所以，若不含節能模塊的電磁系統能夠做到對驅動需求的滿足，電磁系統中則可以不進行節能電路的加設。

4 電磁系統優化設計

4.1 優化設計結構與原理

以觸頭系統的反力特性為依據，本文研究的電磁系統對直動式結構加以采用，圖1所示為含電磁系統在內的繼電器結構示意圖，該繼電器中的電磁系統為不含永磁的電磁式磁系統。

圖1 基于不含永磁的電磁式磁系統繼電器結構示意圖

在線圈上電以后，會有電磁磁通產生，在銜鐵極面與上軛鐵兩者之間，將會產生方向向上的電磁吸力，若是該吸力較之反力要更大，銜鐵便會在力的驅使之下向上運動，而其亦會將連桿帶動，亦即同連桿一起發生向上的運動，在此狀態之下，連桿又會進一步地對動觸點產生帶動作用，使其同樣發生向上的運動，當動、靜兩個觸點實現閉合以后，超程彈簧會發生相應的作用，由于該階段的電磁吸力比超程彈簧同反力彈簧兩者疊加起來的反力要大，因而連桿仍會在銜鐵的帶動作用之下向上運動，直至發生同上上軛鐵的相互閉合，這一狀態之下，超程彈簧會受到連桿的作用而向上壓縮。若是將線圈的電源斷開，電磁的吸力會變弱，當其比反力彈簧同超程彈簧兩者向下的反力還要小時，銜鐵則會與連桿相伴隨而逐漸向下運動，在動、靜兩個觸點斷開之后，受到反力彈簧向下反力的影響，銜鐵與連桿仍會對向下運動予以保持，并最終穩定于圖1所示的釋放位置。

4.2 輸出力性能分析

首先，明確電磁系統各零部件的參數，將它們帶入等效磁路模型，可以將銜鐵所受電磁吸力的大小求解出來。圖2所示為不同電壓條件下磁系統產生的吸力特性與反力系統產生的反力特性曲線，可知當線圈進行14V電壓的加載之時，銜鐵可以實現可靠的吸合，相對應的，24V吸力特性要明顯大于反力特性，這對于動、靜兩個觸點在閉合之時彈跳現象的發生具有有效的規避作用。不過當磁間隙達到2.7mm時，反力較之3.5V釋放電壓下的壓力要小，所以吸合位置應加一個厚度為0.05mm的墊片，以此確保當釋放電壓為3.5V時銜鐵可以可靠地釋放。

圖2 磁系統產生的吸力特性與反力系統產生的反力特性曲線示意圖

根據圖2，吸合電壓為14V時，吸力特性比反力特性要高，釋放電壓為3.5V時，通過在閉合極面增加0.05mm的墊片，吸力特性完全低于反力特性，故而該優化設計所得電磁式磁系統可以達到可靠吸合及釋放的目的。