磁保持继电器工作原理与开发困境

      摘要：近年来, 随着科技各个方面的发展, 对低压电器性能的要求也越来越高。因此, 发展智能低压产品是一大趋势。最近几年单项磁保持继电器和三相磁保持继电器是一种发展起来的新型继电器, 越来越受到人们的青睐。三相磁保持继电器常常应用于工业领域发挥着举足轻重的作用, 对保持生产的正常稳定性具有十分重要的意义。因为磁保持继电器的动态性能直接影响其控制的电路是否能正常工作。因此研究磁保持继电器 (三相) 具有非常重要的意义。

　　关键词：三相磁; 继电器; 难点;

　　随着科技发展的越来越迅猛, 对继电器的要求也越来越高。尤其对于航空航天军用继电器而言, 体积小, 结构紧凑, 轻便可靠, 低功耗继电器更加备受青睐。因此成为人们相续研究的对象。这种继电器的显着的特点是它不需要长时间通电。一旦施加动作和复位脉冲, 它就可以切换触点状态。因此, 磁锁或脉冲继电器。电磁机构中带有永磁体的电磁保持继电器与极化继电器非常相似。并且具有灵敏度高, 动作快, 对极化继电器的环境条件耐受性高等优点。于普通的继电器相比, 磁保持继电器具有更加可靠的稳定性, 由于磁保持继电器的衔铁要比一般的继电器的质量大一些, 可以更加有效的防止外界信号的干扰, 换句话说抗干扰性更强。因此, 磁保持继电器具有更加可靠的能力, 适应性更加广泛, 得到人们广泛的应用。

　　1 磁保持继电器发展趋势

　　随着计算机技术的快速发展, 三维软件辅助设计的日趋成熟, 三维动画设计的仿真模型目的是创建一个与实际物理原型相匹配的数字仿真模型。三维仿真可使人们更加直观的了解产品的表面特征和机械性能等相关问题, 具有许多优点, 因此, 在许多领域中都需要仿真模型或者三维辅助。低压断路器的结构制造等等领域都直接或间接渗透着三维仿真。对于磁保持继电器, 它依靠永磁作用进行工作。通常磁作用在施加线圈两端的动作脉冲时, 使静触头和动触头保持断开或闭合状态。

　　2 磁保持继电器的术语和特性

　　2.1 磁保持继电器术语

　　(1) 电压的概念其中主要是各种类型的状态 (动作与不动作、释放与吸合) ;

　　(2) 时间的概念, 主要指释放时间, 释放回跳, 吸合, 吸合回跳;

　　(3) 触点压力, 根部压力;

　　(4) 接触电阻, 回路电阻, 线圈电阻, 绝缘电阻, 取样电阻;

　　(5) 保持力, 即衔铁组件闭合和释放。

　　2.2 磁保持继电器的特性

　　特性主要包括闭合电压、释放电压、闭合时间、释放时间、脉冲宽度、线圈功率、接触电阻、触点压力、触点间耐压、触点与线包间耐压。

　　3 工作原理具体介绍

　　3.1 磁保持继电器结构简介

　　磁保持继电器的主要结构, 如图1电磁继电器电机结构简图所示。磁保持继电器包括永久磁铁, 轭铁, 铁线、线圈组成。永久磁铁包括上磁极和下磁极。磁保持继电器可以进行驱动整个接触机构工作, 是通过轭铁与衔铁组件之间的电磁力的作用。磁保持继电器的材料需选择具有高磁导率的磁性材料 (如电工纯铁DT4E) , 因为铁芯与轭铁必须牢固结合。具体的磁保持继电器的形式如图2所示产品实物图。

　　图2 产品实物图

　　接触机构是磁保持继电器的主要动作机构。它的部件包括动触电、静触电、静片、动簧片、导电片等部件组成。具体的结构简图如图3接触机构结构简图。通过静片和导电片之间的动簧片组件进行连接而导通, 从而使产品导通或断开。磁保持继电器的两个触点间, 需保持一个空载压力。接触结构的材料必须选择电阻率低的材料 (如负载段选用纯铜T2, 动簧片选用铍青铜) 。

　　图1 电磁继电器电机结构简图

　　图3 接触机构结构简图

　　磁保持继电器在电路中起到开关的作用。它是通过自身的磁性来维持工作的状态, 例如开通或者断开, 即保持电路的闭合。由于磁保持继电器无需外部施加任何力量来实现接通或者断开的状态。因此在保持电路具有一定的功能时, 只需要对其施加脉冲电信号即可。

　　3.2 磁保持继电器工作原理

　　磁保持继电器的工作原理。磁保持继电器包括触点闭合和断开时的电磁、热、机械等过程。磁保持继电器通电时, 根据同极相排斥, 异极相吸引的原理。线圈通电后, 便产生相应的磁力。这个时候, 当极相吸引时便会产生闭合的状态, 称为磁继电器保持闭合状态。同理, 当通电后, 磁力相排斥时, 就会打开, 称为磁保持继电器的打开状态。这是磁保持继电器的双稳态。安装板包裹上, 下磁极和永磁体, 并被顶部球体推动。安装板上各有一柱状突起上下表面通过衔铁组件的突出部被固定在整个继电器壳体的槽内, 上部需要新的夹板与衔铁组件一起尽可能旋转轴线发生小的偏移。当电磁机构处于不稳定状态时, 左、右磁路呈对称分布的磁路结构。当线圈工作没有电流, 由永久磁铁通过磁场磁极、磁轭之间的空气间隙分别产生磁通, 磁通, 在中间位置的衔铁四条件下在对称的吸力产生, 空气间隙相等, 所以力是相同的。磁保持继电器是依靠永磁作用, 保持触头断开或闭合, 只有对线圈端施加磁场脉冲动作, 以抵消永磁线圈电流的磁闭锁继电器动作。

　　图4 电气动作原理图

　　磁保持继电器的电气动作原理, 主要是因为永磁体具有一定的磁极方向, 并通过铁芯, 磁轭, 磁极和永磁体进行动作。如图4电气动作原理图所示, 图中的箭头所示, 由于气隙1、4的尺寸比气隙2、3的尺寸小得多, 因此整个组件受到以下的影响:只有由闭合磁路中的永磁体与线圈A逆时针转矩相交, 电磁转矩的稳定状态与磁阻反转方向相反, 并阻止平衡铁 (磁钢中心轴, 衔铁组件在1、3号空气间隙中分别以相同尺寸的4、2号空气间隙相反) 回复。施加电压后, 线圈电流逐渐增加。衔铁组件开始转动, 组件上的球状体使推杆驱动接触器机构运动, 直到磁极被轭铁再次阻塞, 衔铁组件再次停止。当脉冲电压从线圈中去除时, 衔铁组件在永磁体的作用下保持在其最终位置。

　　3.3 磁保持继电器开发难点

　　开发一款磁保持电磁继电器, 如果无法实现量产, 即量产工艺无法实现, 开发结果是失败的, 所以在开始开发设计前需注意以下关键设计点和工艺设计点:

　　3.3.1 关键设计点

　　3.3.1. 1 换向保持力

　　影响的因素有: (1) 磁铁的厚度; (2) 轴孔的配合间隙; (3) 衔铁片与轭铁的接触面积; (4) 衔铁片与轭铁间的距离比。

　　3.3.1. 2 磁路设计

　　注意点: (1) 铁芯的设计方法 (常用叠合法和铆接法) ; (2) 注意漏磁 (掌握电磁和永磁的磁通量) ; (3) 永磁铁与轭铁的厚度比例。

　　3.3.1. 3 接触机构设计

　　注意点: (1) 必须考虑洛伦磁力的影响 (左手定律) ; (2) 负载零件的材料和厚度的选择 (温升影响) ; (3) 触点头部尺寸的选择; (4) 触点间压力的预设定。

　　3.3.1. 4 推动片的设计

　　注意点: (1) 空行程 (衔铁组件在推动片内的行程) ; (2) 超行程 (动簧片组件的位置) 。

　　3.3.1. 5 外壳 (基座和上盖) 的设计

　　注意点: (1) 线圈组件中轭铁的位置 (基座中的位置) ; (2) 静片的位置 (基座中位置) ; (3) 静片固定后的强度; (4) 基座的壁厚需均匀; (5) 基座和盖间隙控制。

　　3.3.2 关键工艺设计点

　　(1) 工艺文件 (BOM表, 工艺流程图, 作业指导书等) ;

　　(2) 工装治具设计 (轭铁整形, 铆接强度等) ;

　　(3) 热老练工序 (基座, 推动卡, 衔铁组件, 半成品等) ;

　　(4) 焊接、铆合工序 (焊接强度, 铆接强度、延展和阻值) ;

　　(5) 测量工序 (根部压力, 触点压力, 综合测试, 接触电阻等) 。

　　以上都是为了保证磁保持继电器在设计开发, 工艺设计方面前期需考虑的内容, 但还需结合实际情况, 对发现的异常进行优化, 例如有客户对电磁继电器外观的要求, 比如外露三只相角的平面度≤0.1mm, 为了保证关键尺寸, 需要高精密设计, 并对该尺寸重点把控, 采用专用的检具进行检验, 设计成通规和止规, 即上下公差的值。或者由于过程控制非常严格, 参数控制的较小, 如单相回路电阻不得大于0.5mΩ, 因产品零件本身有电阻, 而且有多道工序是进行铆合完成, 会导致整个零件报废, 并使流水线停滞的现象。所以在每道工序参数的设定时, 又进行了加严控制, 使得在零件辅助时发现铆合导电片工序。还有工装的夹具上的定位针设计时未过盈, 导致产品在铆合时, 上模下压受力后, 因下模顶针未顶到位, 使凸点会先下降顶住顶针后才能铆紧, 在装配后进行产品检测后, 会出现松动现象, 导致接触电阻变化, 无法使产品合格, 从这里就能看出, 细节决定最终结果。

　　4 开发案例分析

　　某公司开发一款高性能的三相磁保持继电器, 性能为额定电流为120A, 线圈电压为9V, 功率为5W, 符合UC4标准, 机械寿命100万次, 电气寿命10000次 (功率因素0.5为5000次, 功率因素1.0为5000次) , 是一款国际上还未有批量量产、达到型式试验UC4标准的产品。此产品最大的难点是技术指标高, 在设计的阶段在单相的动触头设计成双触点, 并且把双触点设计成剪刀差形状, 并且上触点设计成主动, 下触点设计成被动, 并考虑了电动斥力, 洛伦磁力的因素, 把导电片结构设计成Z字型, 使动触点在冲击试验时有一个正向的电磁力, 加大触点的压力, 使产品能更轻松的通过实验。该产品是由导电片1和导电片2焊接组成, 并排排列成3组, 整个的平面度不得大于0.1mm, 这就需要导电片1和导电片2在分别单独冲压时保证必须保证在一个合理范围内, 要求宽度为6mm, 这两个零件的公差必须都为正公差, 并且公差范围在0mm-0.5mm间, 为了保证此关键尺寸, 要求尺寸重点把控, 采用专用的检具进行检验, 设计成通规和止规, 即上下公差的值。在焊接时又专门设计了一套气动工装设备, 先把零件定位好, 经过继电器的延时控制, 用气动把这两个零件进行固定后焊接机进行焊接加工, 保证焊接出来的部件的平面度准确。因该产品为三相的磁保持继电器, 需要三相相同的部件进行组装进基座中, 但因基座为塑料材质, 在压制过程中无法有效避免收缩, 基本会存在变形, 但为了保证三相的平面度不大于0.1mm, 必须还是从工装方面入手, 把工装设计成一个方柱型, 内部尺寸控制在客户的要求范围内, 把三相的引脚直接插入进平面度工装夹具中, 首先保证了产品的三相的平面度, 但这虽然保证了平面度, 但离开工装夹具后, 又恢复到原始状态, 后来又想方案, 把这几个引脚在基座内部进行点胶进行固定, 使平面度永久固定在一个地方, 从而到达客户的平面度要求。最后, 该项目每次出货前, 都需要进行CPK能力指数进行计算, 需要达A级, 指数需要达到1.33以上, 代表能力良好, 性能稳定。更保障了产品的质量可靠性。

　　5 结语

　　本文讲述了磁保持继电器开发难点的研究, 通过案例说明在磁保持继电器开发过程中需要中意的问题 (换向保持力、接触机构设计、推动片设计以及工艺设计难点等等) 。说明在科技日益发展的今天, 仿真具有不可取代的意义。仿真模型技术依靠其生成复杂的机械系统模型的能力, 实现并可视化所有在真实物理样机中发生的物理过程, 缩短开发周期, 降低投入成本。在低压电器产品开发中占有越来越多的优势。在有限的条件下, 根据计算结果优化电磁系统的局部结构, 使设计指标达到最优。

　　参考文献

　　[1]周志敏.低压断路器的发展与市场分
　　[2]傅启国.低压断路器智能控制器设计与研究[D].南京:南京理工大学, 2008.
　　[3]何瑞华.我国低压电器现状及国内外发展趋势[J].低压电器, 1998 (03) :3~8.
　　[4]许志红, 孙园, 洪祥钦, 等.基于磁保持继电器的智能交流接触器[J].低压电器, 2007 (11) :13~17.
　　[5]蔺菲, 何海洋, 刘景妹, 等.基于磁保持继电器驱动电路的新型三相电能表检定装置的研究[J].计量与测试技术, 2013 (08) :58~59, 62.
　　[6]钟国芳, 陈惠强.磁保持继电器应用中的问题及改进措施[J].华电技术, 2009 (08) :45~47, 50, 80.
　　[7]胡云华.磁保持继电器触头的选择问题探讨[J].机电信息, 2011 (18) :53~55.
　　[8]曾作钦, 郑立新, 郑美海.磁保持继电器短耐试验通电时间的波动问题研究[J].质量技术监督研究, 2012 (03) :32~35.