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超小型电磁继电器负载性能提升改进

2024-10-17 90 上传者：管理员

摘要：电磁继电器负载性能是考核继电器实际应用的重要指标，对负载性能的提升研究是目前所有电磁继电器厂家都在研究攻关的课题。本文通过对某型号的超小型继电器电磁系统和接触系统优化改进，结合有限元虚拟样机仿真计算，通过装样验证，负载指标得到较大提升，对电磁继电器负载提升研究具有一定的参考。

关键词：
接触系统
有限元仿真
电磁系统
电磁继电器
负载指标
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1、引言

近年来，随着国家航空航天、舰船及兵器领域的快速发展，以及高端制造业国产化浪潮兴起，推动电子元器件行业的蓬勃发展。国内产品性能和质量得到快速提升，在许多高端领域逐渐实现对国外同类型产品等同替代，达到国际先进水平。

本文研究一种某型号超小型电磁继电器(以下简称继电器),具有体积小、重量轻、耐力学环境强和高可靠等特点，被广泛应用在航空航天及军用电子设备电路控制。继电器其原有额定负载指标为10A,28Vd.c.,完成2万次寿命，现有用户提出需要将其额定负载指标提高到15A,28Vd.c.,以满足更高要求的应用场所。

继电器通常应于整机部件关键部位电路切换，需具有较高的可靠性，故对提升负载性能的研究和改进不应影响耐力学性能。最好在继电器原有的结构基础进行优化改进，非特殊要求不可轻易大做改动，采用较多的新工艺和新材料，这样不仅延长研制周期和验证时间，甚至消耗大量的成本，若验证不充分还会影响它的可靠性。

2、国内外研究现状

国外继电器的设计研究和工艺水平一直处于领先地位，对于该型号继电器目前负载性能我们在美国Tyco公司近年样本上查到一款型号为CBW-1C的继电器与所探讨的该超小型继电器外形尺寸和电路图相同，其额定负载指标值为10A,28Vd.c.,5万次寿命，贯彻美军标MIL-R-39016,可以知道目前国外该类型继电器的负载性能尚未提升到15A,仅在原额定负载基础上将寿命次数由2万次提高到5万次。

国内对此类型继电器也有相关的研究，我公司从上个世纪90年代就开始从事此类型继电器的研发和工艺研究工作，早期研发的继电器触点负载仅达到10A,28Vd.c.,2万次寿命，能够满足大多数用户需求，但在市场竞争中处于劣势。国内其他同行也有此类产品的代表型号，近年来经过研究和改进触点负载均提升到15A,28Vd.c.,但仅能完成1万次寿命，且多数在牺牲抗环境性能指标的基础上来达到15A的负载指标，对许多高端航空航天用户的高可靠性并不能很好的满足，甚至有产品在使用过程失效情况。

3、产品改进

3.1 现结构摸底试验情况

在产品的改进前论证阶段，我们对该型号未改进前的继电器投入摸底试验，负载10A,28Vd.c.完成2万次寿命没有问题，当触点负载提升至15A,28Vd.c.时，试验效果较差，寿命次数仅达到5000次即表现为静粘动断失效。通过对失效品参数测试和开壳分析，可以判断继电器现有状态尚不能满足15A,28V d.c.负载完成2万次寿命开断的有效灭弧和触点电烧蚀消耗的补偿量。为此要想提高负载性能，须通过改进电磁系统提高电磁吸力，加大触点间隙提升大电流灭弧条件，加大触点压力和超行程提高触点消耗的补偿量。

3.2 工作原理

该继电器采用传统的平衡旋转式结构，初始状态下衔铁在复原簧片的复原力作用下保持打开，此时常闭触点闭合接通，常开触点断开；当给线圈施加额定电压激励时，线圈产生电磁场在电磁系统中形成磁回路使衔铁克服系统反力旋转闭合，作用在推杆玻璃球上的力推动中间簧片发生运动，与常闭触点分离，与常开触点闭合接通；线圈去激励后，系统中的磁回路消失，衔铁在复原簧片和接触系统的共同反力的作用下回到初始位置，常闭触点接通，常开触点断开，从而实现一次电路的转换如图1所示。

图1继电器工作原理

3.3 电磁系统改进

电磁系统是继电器的输入控制机构，是产生电磁吸力的关键部件，电磁吸力直接影响产品的振动、冲击性能，是保障触点间隙、触点压力能够调整到理想值的关键，对负载能力起到关键作用。因此要想提升负载性能，改进提升电磁系统电磁吸力是关键。

该继电器电磁系统采用传统的平衡旋转式结构，除铁心与极靴通过铆装连接，其余部件均通过点焊连接。通过改进加大衔铁贴合面到衔铁旋转中心距离来提高扭矩M,根据扭矩M=FL,作用在推杆上的力臂L不变，电磁吸力F变大。通过多组改进方案，寻找电磁吸力在衔铁运动过程中的变化规律。衔铁闭合状态吸力不宜太大，否则衔铁释放不灵活干脆，释放状态的吸力也不能太小，否则继电器工作时衔铁转换需要更大的输入电压。分析过程需与反力进行匹配。选取匹配最优方案。

对于电磁系统电磁吸力的计算，使用ANSYS maxwell模块进行计算求解，顺序依次建立模型，线圈参数和运动关系设置，网格化和后处理，可以计算得到线圈额定电压下电磁吸力选取7种方案仿真参数见表1,通过综合对比和反力系统的参数匹配分析选用方案七作为最终改进方案，改进后的电磁系统吸力平均提升0.4N。

然后依次仿真计算该方案继电器动作电压和释放电压下衔铁转换过程电磁吸力与额定电压电磁吸力变化绘制吸力曲线图如图2所示。

需检查此方案额定电压衔铁闭合状态下磁路系统磁感应强度云图，检查磁路使用效率，而此方案的磁路系统极小部位出现饱和，磁路效率高如图3所示。

图2电磁吸力曲线

图3额定电压下磁感应强度云图

表1 仿真数据对比表

3.4 接触系统改进

接触系统是继电器的输出执行机构，与产品的寿命指标和振动指标有很强的关联性，它的可靠性关系到继电器能否正常可靠的工作。接触系统由底座、焊接片、常开、常闭静簧片、动簧片构成，相关零部件通过点焊连接，触点接触形式为球面点接触，基于15A,28V d.c.大负载要求，对接触系统的动、静簧片尺寸和接触面积均进行改进，提高接触系统的散热面积和减小超行程的损耗。改进后的结构示意见图2。

图2接触系统

3.5 机械参数优化计算

在电磁系统改进后电磁吸力提升的基础上，为改善灭弧条件和提升触点消耗的补偿量。根据巴申曲线，将触点间隙设计大于0.4mm, 触点压力设计大于80mN,触点超行程设计大于0.08mm, 能够满足15A,28Vd.c.的负载要求。超行程可以在继电器实际调校中在确保继电器状态切换灵活的条件下适当提高。

继电器吸反力匹配描述了继电器实际动作过程中的物理过程，是衡量继电器性能的重要指标。对于系统反力计算，采用了虚拟样机技术进行仿真计算。根据产品衔铁运动特征，反力系统主要由初始复原力段，静压力段，触点间隙段和超行程段4个阶段组成，相关阶段反力变化与衔铁角度为线性关系。该继电器反力系统构成并不复杂，其零部件主要有动簧片和复原簧片。对于系统反力的计算，利用ANSYS static struchural模块计算可以规避复杂繁琐的公式，且不易出错，根据胡克定律，建立虚拟样机模型，创建需要的材料库和材料属性，网格化，前处理和后处理，可以得到反力零件形变云图和受力关系如图5和图6所示。

图5动簧片部分形变云图

图6复原簧片形变云图

根据参数化计算结果，通过扭矩转换，得到继电器的反力曲线特性如图7所示。

图7继电器反力曲线

得到反力曲线后，可以更进一步通过maxwell Transient 设置衔铁运动部件运动域如图8所示，图中包裹衔铁的阴影部位为运动域，运动域设置不能与固定的零件形成交叉。

图8瞬态仿真衔铁运动域设置

通过瞬态仿真对继电器的动作、释放时间进行验算，继电器动作时间为3.4ms, 释放时间为1.1ms如图9和图10所示。

图9动作时间仿真曲线

图10释放时间仿真曲线

4、试制和试验情况

产品试制装样经过两次设试改进，在样品试制过程中发现因触点间隙和接触一致性差导致试验失效，经过对底座部分焊接夹具重新设计，保证了触点间隙≥0.4mm控制要求，触点与簧片垂直接触后。达到一致性控制要求。

产品试验按GJB 2888A-2011有失效率等级的功率型电磁继电器通用规范第4.8.18条要求在125℃下进行，15A,28V d.c.,预设2万次，试验结果合格，对试验后的样品进行开壳检查测试，触点烧蚀正常，触点压力和超行程消耗符合设计规定。

5、结语

随着航空航天和军用控制电路对继电器可靠性要求不断提高，未来继电器的负载性能提升研究将是一项长期且艰难的工作，特别在小型和超小型的继电器领域，随着产品不断的改进，几乎对其狭小的内部空间利用到了极致，因此未来对于此类型继电器的负载能力提升研究，应更着重于结构材料性能方面的研究。本文对于超小型继电器负载性能提升，通过改进提升电磁系统的电磁吸力，并在此基础上改改进接触部分零部件尺寸，最后优化机械参数，借助虚拟样机仿真计算，将负载性能提升到既定目标，可为同类产品的负载指标提升研究提供思路。

参考文献:

[1]周茂详低压电器设计手册[M] 1989.

[2]张耀,谭旭等一种小型平衡力式密封电磁继电器设计[J]机电元件2021(05)12-14.

[3]王珏,刘颖等 GJB 2888A有失效率等级的功率型电磁继电器通用规范[S] 2011.

[4]邓力明高耐压磁保持继电器设计[D] 2017.7.

文章来源:吴芳正,吴端健,赏乔艳,等.超小型电磁继电器负载性能提升改进[J].机电元件,2024,44(05):47-50.