高壓直流繼電器關(guān)鍵組成部分電磁系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

蘭州現(xiàn)代職業(yè)學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院 劉成山

在新能源產(chǎn)業(yè)中，高壓直流繼電器可為新能源汽車以及充電樁等的穩(wěn)定運(yùn)行提供保證。目前，我國(guó)針對(duì)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(guān)鍵組成部分之一，電磁系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)現(xiàn)在仍是促進(jìn)我國(guó)高壓直流繼電器技術(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)展與進(jìn)步的一個(gè)重要問題，本文對(duì)此展開研究。具體地，基于對(duì)高壓直流繼電器結(jié)構(gòu)與工作原理的分析，研究電磁系統(tǒng)是否對(duì)節(jié)能模塊加以采用，之后提出不含永磁的電磁式磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，對(duì)其靜態(tài)吸力特性進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)吸合電壓與釋放電壓要求的滿足。

1 高壓直流繼電器結(jié)構(gòu)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(fā)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(guān)設(shè)備一起使用，可以從綜合層面上達(dá)到對(duì)系列電路的控制與保護(hù)目的。通常，高壓直流繼電器由滅弧裝置、觸頭系統(tǒng)以及電磁系統(tǒng)三大模塊構(gòu)成。其中，直流滅弧裝置的原理是在自身或是外加磁場(chǎng)的作用下讓電弧受力，然后將其帶入電弧室，并進(jìn)行加強(qiáng)冷卻處理，將電離消除，以此達(dá)到熄滅電弧的目的；觸頭系統(tǒng)含多對(duì)常開觸點(diǎn)在內(nèi)，靜接觸頭在密封的陶瓷罩上面固定，動(dòng)觸點(diǎn)則能夠沿著接觸的方向移動(dòng)，高壓直流繼電器通過兩個(gè)觸點(diǎn)的閉合與分離達(dá)到對(duì)電路中電流的控制目的；對(duì)于直流接觸繼電器來說，內(nèi)含電磁系統(tǒng)非常重要，發(fā)揮著主要驅(qū)動(dòng)力的作用，在電磁原理作用下令鐵芯產(chǎn)生一定的動(dòng)能，可以達(dá)到閉合或開端觸頭的目的。

對(duì)直流繼電器的工作原理進(jìn)行分析，可以大致概括為：對(duì)線圈通電，這時(shí)會(huì)有相應(yīng)的磁場(chǎng)產(chǎn)生，動(dòng)鐵芯磁化并在電磁吸力的作用下向上運(yùn)動(dòng)，這又會(huì)對(duì)推動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生帶動(dòng)作用，使其同樣向上運(yùn)動(dòng)。在此過程中，返回彈簧會(huì)逐漸壓縮，與動(dòng)、靜兩個(gè)觸點(diǎn)的接觸相伴隨，超程彈簧也會(huì)開始?jí)嚎s，一直到動(dòng)鐵芯同軛鐵板實(shí)現(xiàn)完全吸合，這時(shí)的繼電器也會(huì)完成其閉合動(dòng)作。而在線圈斷電之后，磁場(chǎng)會(huì)不復(fù)存在，此時(shí)電磁力與動(dòng)鐵芯的動(dòng)力也同樣都會(huì)消失，在超程彈簧與返回彈簧對(duì)的推動(dòng)機(jī)構(gòu)作用之下，系統(tǒng)內(nèi)之前儲(chǔ)存下來的彈性勢(shì)能會(huì)向動(dòng)能轉(zhuǎn)化，動(dòng)鐵芯會(huì)由此而向下運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致動(dòng)、靜兩個(gè)觸頭相互分離，繼電器的拉斷動(dòng)作得以完成。

2 觸頭系統(tǒng)反力特性

據(jù)前文所述，電磁系統(tǒng)是高壓直流繼電器中尤為關(guān)鍵的組成部分，因此本文將電磁系統(tǒng)作為高壓直流繼電器優(yōu)化設(shè)計(jì)的對(duì)象。對(duì)電磁系統(tǒng)作用進(jìn)行分析，在于驅(qū)動(dòng)觸頭系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)要求為良好地同反力特性相匹配。故而電磁系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)將觸頭系統(tǒng)的反力曲線作為參考。在執(zhí)行對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)作業(yè)之時(shí)，首先需要做好的工作應(yīng)當(dāng)是準(zhǔn)確計(jì)算，將觸頭系統(tǒng)所具有的反力特性明確下來。

通過對(duì)相關(guān)資料的查閱可知，高壓直流繼電器電磁系統(tǒng)最小初始保持力以4.9N為宜。為了使產(chǎn)品可以很好地對(duì)環(huán)境指標(biāo)要求予以滿足，應(yīng)適當(dāng)?shù)亓舫鲂┯嗔浚_定初始保持力為6.6N；此處將270V/200A直流阻性負(fù)載作為觀察對(duì)象，對(duì)其開展開斷試驗(yàn)，試驗(yàn)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(diǎn)的開距超過了1.125mm，繼電器能夠穩(wěn)定地開斷270V/200A直流阻性負(fù)載。為了保證后期的生產(chǎn)具有足夠的穩(wěn)定性，對(duì)觸點(diǎn)的開距進(jìn)行設(shè)置，以1.5mm為宜；進(jìn)一步地，將觸頭燒損經(jīng)驗(yàn)工作作為參考依據(jù)，并與以往的相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)合，對(duì)繼電器的超行程進(jìn)行設(shè)定，此值以1.2mm為宜。

同樣通過對(duì)相關(guān)資料的查閱可知，通常對(duì)接觸電阻的選用應(yīng)以0.2mΩ電阻為宜，而為了確保后期的生產(chǎn)工作處于一個(gè)足夠穩(wěn)定的狀態(tài)之下，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)考慮在一定程度上將接觸電阻降低，此處將其設(shè)置為0.1mΩ?；诮佑|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(duì)適當(dāng)留出一些余量這一要求的考慮，設(shè)定此次實(shí)驗(yàn)的接觸壓力為14N。通過對(duì)繼電器的分析可知，本次研究對(duì)象具有雙斷點(diǎn)式結(jié)構(gòu)，因此可以將超程彈簧所需提供的壓力確定下來，它應(yīng)當(dāng)是2倍觸頭動(dòng)壓力，也就是28N。

在以上分析基礎(chǔ)上，與大功率繼電器對(duì)負(fù)載大小、壽命次數(shù)、環(huán)境指標(biāo)以及總體結(jié)構(gòu)等所提要求相結(jié)合，明確繼電器反力特性，并將其求解出來，得到結(jié)果，之后可借此執(zhí)行對(duì)電磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化任務(wù)。

3 含節(jié)能模塊的電磁系統(tǒng)

對(duì)含有節(jié)能模塊在內(nèi)的電磁系統(tǒng)展開相應(yīng)的分析，把握其工作原理，可大體對(duì)其作出如下概括：在脈寬調(diào)制電路的運(yùn)行支撐之下適當(dāng)?shù)卦黾右欢ǖ腜WM波占空比，由此一來，繼電器在吸合環(huán)節(jié)會(huì)獲得較大的輸入電壓，以此為其線圈提供相對(duì)較大的吸合安匝，在此基礎(chǔ)之上，如果繼電器的吸合已經(jīng)到位，則這一狀態(tài)可以得到相對(duì)容易的保持，只需有一個(gè)比較低的能量便可以達(dá)到這一目的。對(duì)于節(jié)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(dá)一個(gè)比較小的水平。節(jié)能電路的存在可以在較大程度上提升繼電器設(shè)計(jì)的靈活性。當(dāng)繼電器線圈輸入端能夠在一個(gè)極短的時(shí)間內(nèi)提供較大吸合功率之時(shí)，節(jié)能電路能夠以對(duì)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(tǒng)設(shè)計(jì)難度減小。不過針對(duì)一些對(duì)耐輻射及可靠性要求較高的場(chǎng)合，節(jié)能電路的采用會(huì)在一定程度上導(dǎo)致新故障的發(fā)生，且難度與成本均會(huì)在一定程度上有所增加。所以，若不含節(jié)能模塊的電磁系統(tǒng)能夠做到對(duì)驅(qū)動(dòng)需求的滿足，電磁系統(tǒng)中則可以不進(jìn)行節(jié)能電路的加設(shè)。

4 電磁系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與原理

以觸頭系統(tǒng)的反力特性為依據(jù)，本文研究的電磁系統(tǒng)對(duì)直動(dòng)式結(jié)構(gòu)加以采用，圖1所示為含電磁系統(tǒng)在內(nèi)的繼電器結(jié)構(gòu)示意圖，該繼電器中的電磁系統(tǒng)為不含永磁的電磁式磁系統(tǒng)。

圖1 基于不含永磁的電磁式磁系統(tǒng)繼電器結(jié)構(gòu)示意圖

在線圈上電以后，會(huì)有電磁磁通產(chǎn)生，在銜鐵極面與上軛鐵兩者之間，將會(huì)產(chǎn)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(huì)在力的驅(qū)使之下向上運(yùn)動(dòng)，而其亦會(huì)將連桿帶動(dòng)，亦即同連桿一起發(fā)生向上的運(yùn)動(dòng)，在此狀態(tài)之下，連桿又會(huì)進(jìn)一步地對(duì)動(dòng)觸點(diǎn)產(chǎn)生帶動(dòng)作用，使其同樣發(fā)生向上的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)動(dòng)、靜兩個(gè)觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)閉合以后，超程彈簧會(huì)發(fā)生相應(yīng)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(huì)在銜鐵的帶動(dòng)作用之下向上運(yùn)動(dòng)，直至發(fā)生同上上軛鐵的相互閉合，這一狀態(tài)之下，超程彈簧會(huì)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(huì)變?nèi)?，?dāng)其比反力彈簧同超程彈簧兩者向下的反力還要小時(shí)，銜鐵則會(huì)與連桿相伴隨而逐漸向下運(yùn)動(dòng)，在動(dòng)、靜兩個(gè)觸點(diǎn)斷開之后，受到反力彈簧向下反力的影響，銜鐵與連桿仍會(huì)對(duì)向下運(yùn)動(dòng)予以保持，并最終穩(wěn)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(tǒng)各零部件的參數(shù)，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(tǒng)產(chǎn)生的吸力特性與反力系統(tǒng)產(chǎn)生的反力特性曲線，可知當(dāng)線圈進(jìn)行14V電壓的加載之時(shí)，銜鐵可以實(shí)現(xiàn)可靠的吸合，相對(duì)應(yīng)的，24V吸力特性要明顯大于反力特性，這對(duì)于動(dòng)、靜兩個(gè)觸點(diǎn)在閉合之時(shí)彈跳現(xiàn)象的發(fā)生具有有效的規(guī)避作用。不過當(dāng)磁間隙達(dá)到2.7mm時(shí)，反力較之3.5V釋放電壓下的壓力要小，所以吸合位置應(yīng)加一個(gè)厚度為0.05mm的墊片，以此確保當(dāng)釋放電壓為3.5V時(shí)銜鐵可以可靠地釋放。

圖2 磁系統(tǒng)產(chǎn)生的吸力特性與反力系統(tǒng)產(chǎn)生的反力特性曲線示意圖

根據(jù)圖2，吸合電壓為14V時(shí)，吸力特性比反力特性要高，釋放電壓為3.5V時(shí)，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(yōu)化設(shè)計(jì)所得電磁式磁系統(tǒng)可以達(dá)到可靠吸合及釋放的目的。