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一种使用示波器分析继电器动粘失效原因的方法

2025-02-26 60 上传者：管理员

摘要：本文通过介绍电磁继电器生产、使用过程中常出现的触点动粘(GJB/Z 128-2000中定义的动合触点在线圈不激励时，仍然保持接通的现象)失效的问题，根据电磁继电器动作过程线圈电流变化的原理，并使用一种示波器检测线圈电流变化的分析方法，通过该方法确定电磁继电器动粘的失效原因。

关键词：
动粘
失效分析
电磁继电器
示波器
自动断续
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1、引言

电磁继电器(以下简称继电器)是一种能自动断续的控制元件,其输入参量达至某一定值时,输出参量便发生跳跃式的变化,从而达到控制､保护､调节和传递信息等目的[1]｡继电器在生产､使用过程中,会出现各种原因的失效,据统计,继电器失效模式分布为触点断开44%､触点粘结40%､参数漂移14%､线圈短断路2%[2,3]｡对失效原因的准确定位和解决是提高产品可靠性和解决用户质量问题的重要工作｡在对继电器的失效进行原因分析时,有的产品失效现象比较明显,故障保持,很容易定位具体的失效原因,但有的继电器失效时,故障不易保持,且产品内部无明显的异常情况,在这种情况下,产品的失效原因很难定位,使得对其失效原因分析时,往往是根据可能的失效原因进行定位,有可能定位不准确,走入误区,导致问题得不到解决｡在我公司产品实际生产过程中,遇到一种出现动粘失效现象,难以定位失效原因的案例,为了确定产品的失效原因,通过不断的思索和研究,终于找到一种使用示波器确定产品失效原因的方法,使产品问题得到解决?£

2、继电器工作原理

继电器的工作原理为:当继电器线圈通电,线圈中有电流通过时,在由铁心､轭铁､衔铁和气隙组成的磁路内产生磁通,工作气隙内建立起磁场,产生电磁吸力,吸引衔铁｡在线圈电流达到一定值时,吸力足以克服反力弹簧和接触簧片产生的阻力时,衔铁即被吸向轭铁(有的结构继电器为铁心或极靴等)｡

在衔铁运动过程中,衔铁上的推杆推动接触簧片,使动断触点组(如图1中的5､6触点组)断开､动合触点组(如图1中的5､7触点组)闭合;当继电器线圈断电,线圈中的电流减小到一定值时,电磁吸力减小到小于反力弹簧的反力时,衔铁返回到初始位置,从而使接触系统复原,动断触点组闭合,动合触点组断开｡

图1继电器工作原理示意图

3、动粘失效原因

继电器在封装后,在后续的检验､筛选､用户测试､用户使用过程中出现失效时,通常有两种表现形式:一是触点不通,即触点在闭合状态时,电流无法导通的现象;二是触点粘接,触点粘接又分为动粘和静粘,其中动粘现象为继电器线圈从加电激励状态下断电后,动合触点组仍然保持闭合接通,接触簧片未返回的状态,静粘现象为继电器线圈在未加电状态加电后,动断触点组没有断开仍保持闭合接通的状态｡

导致触点不通或触点粘接的原因是多种多样的｡在本文所述案例中,主要是针对动粘这一失效现象进行分析｡动粘的进一步失效原因主要有以下2种原因:①线圈断电后,衔铁正常释放返回至非激励状态,此时动合触点与接触簧片粘接在一起,仍然保持接通状态,如图2所示;②线圈断电后,衔铁出现卡滞,衔铁无法返回至非激励状态,仍然保持与轭铁吸合状态,从而导致动合触点与接触簧片无法断开,保持接通状态,见图3所示｡

图2继电器动粘失效原理示意图(触点粘接)

图3继电器动粘失效原理示意图(衔铁卡滞)

当产品动粘失效故障保持时,我们可以通过X光很容易确定是图2还是图3所示的失效,或者通过继电器拆罩后观察触点的烧蚀情况判断是否是由于触点烧蚀粘接出现图2失效或是否出现多余物卡滞出现图3失效情况｡但在本文所要分析的案例中,动粘的力很小,在不触碰产品的情况下,故障保持,一旦触碰产品,产品受到轻微抖动时,动粘现象就消失,且将产品拆罩后,内部结构也无法发现异常,在这种情况下,很难确定产品失效是由于图2还是图3哪一种原因导致的,这就导致分析困难,无法确定产品失效原因,无法采取措施,导致问题无法解决｡

4、示波器法分析动粘原因

本文将通过使用示波器监测线圈电流的信号的方式来分析上节说到的我公司遇到的动粘案例｡

4.1分析原理

继电器的动作过程分为三个阶段[4]:①触动阶段,线圈加电,且衔铁未动作的过程;②吸合运动阶段,衔铁开始动作到衔铁闭合瞬间的过程;③衔铁闭合瞬间到线圈电流达到稳定电流的过程｡在整个动作过程中,继电器的运动特性符合电压平衡方程:

式中,u､i､R､ψ分别为记录线圈的电压､电流､电阻和磁链｡

在整个动作过程,线圈电流与时间的关系如图4所示｡

在触动阶段,衔铁还未运动,磁链不饱和,因此电压平衡方程可以写成:

从式(4)可得出线圈电流i是按指数规律逐渐增大的过程,即图4中的OA段｡

图4继电器动作过程中线圈电流与时间的关系

在动作运动阶段,由于电磁力大于反力,衔铁开始运动,此时,在线圈中就会产生阻碍电流增大的运动反电势iv=dLdx,刚开始,v较小,运动反电势对线圈电流的影响较小,线圈电流继续增大｡随着v不断增大,运动反电势也不断增大,对线圈电流的影响逐渐增大,使线圈电流开始减小,直至衔铁运动完毕达到动作位置,运动反电势等于0,该阶段线圈的电流如图4中的AB段｡虽然机械运动过程结束,但电磁过渡过程仍在继续,线圈电流和触动阶段一样,按指数规律继续增大,直到达到稳态值Iw为止｡

利用继电器线圈电流在动作过程中的变化规律,可以解决继电器的很多问题,例如在1995年3412厂发表论文[5]和2019年165厂发表论文[6]中提到的测量继电器超程时间的方法,将继电器动作过程中线圈电流的变化与动合触点的电压信号结合,来计算出继电器的超程时间,如图5所示｡在t1时刻,动合触点闭合,在t2时刻,衔铁运动停止,即图4中的B点,动合触点的超行程时间即为t2减去t1｡

在本文所描述的动粘案例中,同样利用继电器在动作过程中线圈电流变化的规律来分析继电器动粘是否是由于衔铁卡滞导致的｡其分析过程如下:①假设动粘失效原因是由于动合触点与接触簧片粘接,而非衔铁卡滞导致的,那么给继电器通断电时,衔铁可以正常的动作和释放,线圈的电流波形必然符合图4中所示的电流波形,即出现AB段的下滑和B点的拐点｡②反之,假设动粘失效原因是由于衔铁卡滞导致的,那么给继电器通断电时,衔铁位置不会变化,即不会产生反向电势阻碍线圈电流的增加,则线圈电流将按指数规律逐渐增大,不会出现图4所示中AB段的下滑和B点的拐点｡因此,当继电器出现动粘现象时,可通过用示波器检测继电器动作过程中线圈电流的波形,通过判断波形是否存在AB段的下滑和B点的拐点,即可判断是否是衔铁卡滞导致的动粘｡

图4继电器动作过程中线圈电流与时间的关系

4.2实物测试

为了对比合格产品与失效产品的区别,使用示波器监测合格产品线圈,给线圈加电,示波器测试波形如图6所示｡从图6中可以看到合格产品线圈电流波形与图4示意图所示相同,波形出现下滑和拐点,说明衔铁正常动作｡

图6合格产品示波器检测线圈波形图

对出现动粘失效的产品进行测试,使用示波器监测失效产品线圈,给线圈加电,示波器测试波形如图7所示｡从图7中可以看到,线圈电流波形从0以指数上升的形式上升到稳定电流Iw,中间没有下滑和拐点,即说明衔铁没有动作,因此可以判定此时继电器动粘失效的原因是由于衔铁卡滞导致｡

图7失效产品示波器检测线圈波形图

4.3适用范围

继电器的触点结构分为单组触点和多组触点结构,在单组触点结构中,针对动粘原因可以直接使用本文的方法进行测试;而在多组触点结构中,一般不会出现多组触点同时粘接的现象,可以快速定位为触点粘接导致,但在用户使用过程中,会出现使用多组触点继电器只使用其中一组触点,其它触点悬空未使用的情况,并且在继电器安装在用户电路中不方便测试悬空触点组的状态时,也可以使用该方法检测触点粘接原因｡

5、结语

本文为了解决继电器在生产､使用过程中出现动粘的问题,通过利用继电器动作过程中,线圈电流波形变化的特点,通过示波器检测线圈电流波形来判断衔铁是否出现卡滞来定位继电器动粘失效的原因｡该方法丰富了失效分析的手段,可实现动粘失效故障的快速准确定位,希望该方法能对同行厂家和元器件失效分析单位起到借鉴作用,正确定位产品失效原因,及时制定措施,解决产品质量问题｡

参考文献:

[1]最新继电器选型设计制造新工艺新技术与质量检验调试故障诊断标准规范实用手册.中国电力工业出版社(2007).

[2]宇航用电子元器件选用指南:继电器.国防科学技术工业委员会(2000).

[3]电子设备可靠性预计手册.中国人民解放军总装备部(2006).

[4]张冠生.电器理论基础(修订本),机械工业出版社(1989).

[5]吕志恭.用示波器检查继电器超行程的新方法电子产品可靠性与环境试验(1995)01.

[6]周文.浅谈示波器在电磁继电器测试中的应用.机电元件(2019)05.

文章来源:国联坤,谢林炜,黄浩.一种使用示波器分析继电器动粘失效原因的方法[J].机电元件,2025,45(01):52-55.