淺談電磁繼電器設(shè)計(jì)方法

趙富菊

（沈陽鐵路信號(hào)有限責(zé)任公司，遼寧沈陽110025）

0 引言

電磁繼電器作為自動(dòng)控制器件應(yīng)用在鐵路、航天、汽車及家用電器等多個(gè)領(lǐng)域，其工作可靠準(zhǔn)確，使用壽命長(zhǎng)，電氣及機(jī)械性能穩(wěn)定是設(shè)計(jì)者和使用者共同追求的目標(biāo)。新技術(shù)發(fā)明、新材料應(yīng)用及新系統(tǒng)需求在不斷地引領(lǐng)繼電器的發(fā)展及更新?lián)Q代，但以繼電器電磁系統(tǒng)吸力特性與機(jī)械系統(tǒng)反力特性配合為核心的繼電器設(shè)計(jì)理念從未改變。

本文從繼電器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化三個(gè)層面來分析繼電器設(shè)計(jì)方法。選擇合適的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)繼電器的第一步，對(duì)繼電器整體特性有決定性影響，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇不當(dāng)不僅會(huì)增加參數(shù)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化的難度，同時(shí)也不利于繼電器整體性能的提高；參數(shù)設(shè)計(jì)是在既有的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之上，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求、系統(tǒng)需求等輸入對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及返修案例，充分考慮繼電器內(nèi)在關(guān)聯(lián)因素及外在環(huán)境波動(dòng)對(duì)繼電器各種特性參數(shù)的影響，這對(duì)繼電器參數(shù)設(shè)計(jì)會(huì)起到有效的指導(dǎo)意義。當(dāng)然，一個(gè)科學(xué)合理、系統(tǒng)完整的參數(shù)計(jì)算推導(dǎo)是必不可少的。設(shè)計(jì)是一門藝術(shù)，一件好的作品一定具有和諧之美，繼電器參數(shù)優(yōu)化實(shí)質(zhì)是設(shè)計(jì)藝術(shù)化的過程，即要最終挖掘出設(shè)計(jì)的最佳平衡點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選取及方案確定階段，首先要根據(jù)市場(chǎng)需求、標(biāo)準(zhǔn)、RAMS需求等輸入任務(wù)確定產(chǎn)品的功能要求、性能要求、接口要求、環(huán)境要求、RAMS指標(biāo)、安裝及生產(chǎn)需求，把產(chǎn)品生命周期各個(gè)階段涉及的核心內(nèi)容均納入頂層設(shè)計(jì)范圍；然后在現(xiàn)有的技術(shù)儲(chǔ)備基礎(chǔ)上，借鑒國(guó)外同類產(chǎn)品先進(jìn)技術(shù)及國(guó)內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品的專利技術(shù)，提出多個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)方案；最后，結(jié)合輸入任務(wù)最終確定一個(gè)優(yōu)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這是一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的總體構(gòu)思過程，也是創(chuàng)新思維的過程。

繼電器的兩個(gè)核心部分是接點(diǎn)系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)，接點(diǎn)系統(tǒng)作為輸出執(zhí)行組件，是繼電器的薄弱環(huán)節(jié)，在很大程度上決定了繼電器的使用壽命；電磁系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)輸入部分，決定了繼電器的功耗；接點(diǎn)系統(tǒng)反力特性與電磁系統(tǒng)吸力特性的配合作為連接接點(diǎn)系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)的紐帶，最終反映了系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞程度。

1.1 接點(diǎn)系統(tǒng)

接點(diǎn)系統(tǒng)由觸頭、接點(diǎn)片及附屬的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)等零部件組成，觸頭直接承擔(dān)接通、斷開電路及負(fù)載電流的功能，觸點(diǎn)接觸電阻過大及觸點(diǎn)熔焊是接點(diǎn)系統(tǒng)的兩大主要失效模式；接點(diǎn)片在起到導(dǎo)電、導(dǎo)熱作用的同時(shí)，還能產(chǎn)生觸點(diǎn)壓力和觸點(diǎn)跟蹤。

接點(diǎn)接觸電阻主要與觸頭材料、觸點(diǎn)壓力、觸頭形狀及接觸形式、表面光潔度、觸頭污染及觸頭溫度有關(guān)，相比之下，觸頭污染對(duì)接點(diǎn)電阻的影響較大。觸點(diǎn)粘結(jié)較易發(fā)生在觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換過程中，尤其是大電流感性負(fù)載，觸點(diǎn)斷開過程產(chǎn)生的電弧使觸頭熔接，觸點(diǎn)斷開速度不夠快或反力不夠大均會(huì)拉不開熔接的觸點(diǎn)，最終導(dǎo)致觸點(diǎn)熔焊。為了提高觸點(diǎn)抗熔焊能力，在設(shè)計(jì)階段要考慮觸點(diǎn)間隙、觸點(diǎn)材料、觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換速度、熄弧結(jié)構(gòu)、散熱能力及反力大小等因素。共同行程主要是為了滿足觸點(diǎn)壓力和觸點(diǎn)跟蹤的需求。

綜上所述，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，接點(diǎn)系統(tǒng)要確定的主要參數(shù)是觸頭材料及尺寸結(jié)構(gòu)、接點(diǎn)片材料及尺寸結(jié)構(gòu)、觸點(diǎn)間隙及共同行程等，先根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)初步確定各個(gè)參數(shù)，然后在參數(shù)設(shè)計(jì)階段通過系統(tǒng)的計(jì)算推導(dǎo)進(jìn)一步確定各個(gè)參數(shù)值。

1.2 電磁系統(tǒng)

電磁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，由銜鐵、軛鐵、鐵芯及線圈等組成。對(duì)電磁系統(tǒng)的整體要求如下：體積小、重量輕；磁路導(dǎo)磁性好，磁能利用率較高，功耗較低；可動(dòng)部分無機(jī)械磨損或磨損在機(jī)械壽命周期內(nèi)可容忍。除此之外，還應(yīng)考慮銜鐵的轉(zhuǎn)動(dòng)部分驅(qū)動(dòng)接點(diǎn)系統(tǒng)的方式和結(jié)構(gòu)。

電磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分兩部分，首先是選擇磁路結(jié)構(gòu)，在既有的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上確定軛鐵、銜鐵及鐵芯的尺寸；再根據(jù)計(jì)算好的接點(diǎn)系統(tǒng)反力特性關(guān)系來確定線圈參數(shù)。

1.3 吸反力特性配合

性能良好的繼電器一定具有匹配較好的吸反力特性曲線，它對(duì)繼電器工作的可靠性有很大影響。與反力特性曲線相比，吸力特性曲線過于陡峭或平緩都不是最佳設(shè)計(jì)，曲線過陡會(huì)加劇觸頭與觸頭及銜鐵與鐵芯的機(jī)械撞擊，觸點(diǎn)回跳增大；曲線過緩會(huì)影響繼電器的可靠吸合，最終都不利于繼電器的可靠工作。所以，使電磁牽引特性曲線和機(jī)械反力特性曲線盡可能地接近是設(shè)計(jì)接點(diǎn)系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)的關(guān)鍵。

2 參數(shù)設(shè)計(jì)

繼電器參數(shù)設(shè)計(jì)包括接點(diǎn)系統(tǒng)參數(shù)、電磁系統(tǒng)參數(shù)及調(diào)整參數(shù)，參數(shù)數(shù)量較多，參數(shù)計(jì)算推導(dǎo)過程相對(duì)復(fù)雜?！缎盘?hào)繼電器設(shè)計(jì)》一書就繼電器接點(diǎn)系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)做了比較系統(tǒng)的計(jì)算推導(dǎo)，對(duì)繼電器設(shè)計(jì)過程有一定的指導(dǎo)意義。但是，上述計(jì)算推導(dǎo)僅針對(duì)繼電器靜態(tài)特性參數(shù)，而對(duì)影響繼電器可靠工作的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)沒做說明。

繼電器動(dòng)態(tài)特性是指參數(shù)值隨吸合、釋放過程發(fā)生變化的參數(shù)特性，包括磁通量、電磁吸力、位移、速度及加速度等電學(xué)參數(shù)及力學(xué)參數(shù)，真實(shí)反映了繼電器動(dòng)作的物理過程，在很大程度上決定了繼電器工作的可靠性。涉及繼電器動(dòng)態(tài)特性討論的文章較多，針對(duì)動(dòng)態(tài)參數(shù)求解已研究出多種方法，但這些方法對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)工作有多大的指導(dǎo)意義需要實(shí)踐檢驗(yàn)。

將繼電器動(dòng)態(tài)特性分析和計(jì)算納入繼電器參數(shù)設(shè)計(jì)過程是急需要做的工作，它對(duì)繼電器工作可靠性和電壽命都產(chǎn)生了至關(guān)重要的影響。

3 參數(shù)優(yōu)化

參數(shù)優(yōu)化是一個(gè)設(shè)計(jì)的平衡過程，其通過合理調(diào)整參數(shù)的裕度，使整體設(shè)計(jì)處于最佳的平衡點(diǎn)上。形象地講，就是將蹺蹺板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)調(diào)整成天平結(jié)構(gòu)，最大程度地減小了產(chǎn)品在樣機(jī)試制生產(chǎn)過程中質(zhì)量波動(dòng)性和離散性對(duì)設(shè)計(jì)的影響。

廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品參數(shù)優(yōu)化過程的蒙特卡洛法同樣適用于繼電器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，是采用隨機(jī)抽樣統(tǒng)計(jì)來估算計(jì)算結(jié)果的計(jì)算方法。具體來講，就是以零部件尺寸公差為研究對(duì)象，選取多個(gè)零件參數(shù)，在其公差范圍內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)組合得到一系列方案，對(duì)每個(gè)方案進(jìn)行吸反力特性計(jì)算，當(dāng)把所有組合的吸反力特性曲線都畫在同一個(gè)坐標(biāo)紙上，吸反力特性曲線就分別呈現(xiàn)出帶狀，帶越寬就表示尺寸波動(dòng)對(duì)吸反力特性影響越大，間接表明設(shè)計(jì)參數(shù)還有很大的優(yōu)化空間。

4 結(jié)語

本文圍繞繼電器設(shè)計(jì)方法討論了設(shè)計(jì)開發(fā)內(nèi)容，討論的內(nèi)容有限，而繼電器涉及機(jī)、電、磁、熱、物理、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科，在設(shè)計(jì)繼電器時(shí)，只有考慮到各種因素，才能在各個(gè)層面都做出較好的設(shè)計(jì)選擇。一套有效的設(shè)計(jì)方法在一定程度上可以約束設(shè)計(jì)行為，是設(shè)計(jì)具有優(yōu)良性能產(chǎn)品的基本保障。

[1]李毓鼎，鄭胡德.信號(hào)繼電器設(shè)計(jì)[M].北京：人民鐵道出版社，1979.

[2]翟國(guó)富，陳興文，張青森，等.電磁繼電器時(shí)間參數(shù)綜合測(cè)試分析系統(tǒng)的研究[J].低壓電器，2003（2）：48-52.