淺談繼電器常見電磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求及分析

李東俠

(廈門宏發(fā)電聲有限公司，福建廈門361007)

1 引言

繼電器是由控制電流通過線圈所產(chǎn)生的電磁吸力驅(qū)動(dòng)磁路中的可動(dòng)部分而實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)開、閉或轉(zhuǎn)換功能的電磁機(jī)構(gòu)。

繼電器主要由磁路系統(tǒng)、返回系統(tǒng)及接觸系統(tǒng)三大部分組成。

圖1 繼電器三大組成部分示意圖

2 電磁系統(tǒng)功能及組成

2．1 電磁系統(tǒng)功能

本文中的電磁系統(tǒng)即是指繼電器中的磁路部分，是繼電器的重要組成部分，是繼電器的心臟部分，負(fù)責(zé)通過銜鐵將能量由電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，一個(gè)良好的電磁系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊，能量轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)。

2．2 電磁系統(tǒng)組成

電磁系統(tǒng)通常包含軛鐵、鐵芯、銜鐵、線圈架、線圈等。其裝配關(guān)系通常如下:

圖2 電磁系統(tǒng)裝配關(guān)系圖

3 電磁系統(tǒng)的分類及結(jié)構(gòu)

3．1 電磁系統(tǒng)分類

根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，電磁系統(tǒng)的分類方式有多種。本文是根據(jù)電磁系統(tǒng)是否使用了永磁體，將電磁系統(tǒng)分為非極化繼電器(電磁系統(tǒng)沒有使用永磁體)和極化繼電器(在電磁系統(tǒng)使用了永磁體)。

3．2 電磁系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

3．2．1 典型的非極化繼電器電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電磁系統(tǒng)沒有使用永磁鐵的電磁系統(tǒng)，一般情況下，線圈沒有極性，但有繼電器內(nèi)部的線圈回路設(shè)置有可吸收線圈浪涌電流的二吸管時(shí)，線圈就有極性，如下圖所示:

圖3 非極化繼電器電磁系統(tǒng)原理圖

一般常見的電磁系統(tǒng)有以下幾種:

典型電磁系統(tǒng)的舉例分析:

第一類型非極化電磁系統(tǒng):

特點(diǎn):

②銜鐵、軛鐵采取L型結(jié)構(gòu);

②鐵芯為圓柱帶極靴形狀，與軛鐵通過鉚壓而成為一整體。

③壓簧壓在銜鐵與軛鐵配合的刀口位置。

該種磁路結(jié)構(gòu)零件較多，但加工難度不大，需要注意的是:

②鐵芯與軛鐵刀口的落差要注意控制，其大小直接影響磁路磁阻的大小，進(jìn)而影響磁路的吸力。

②軛鐵與鐵芯通過鉚接連接，其配合的緊密程度直接影響磁路磁阻的大小，進(jìn)而影響磁路的吸力。

一般鉚接方式有:

A、壓鉚:用垂直于鉚接處的沖擊力進(jìn)行鉚接。零件壓鉚時(shí)易變形。

B、旋鉚:用旋轉(zhuǎn)擠壓力使鉚釘處鉚牢的鉚接。鍍層易發(fā)生起皮，但鐵心、軛鐵鉚接時(shí)，貼合度較好。

第一類

第二類型非極化電磁系統(tǒng):特點(diǎn):

第二類

②銜鐵為平片結(jié)構(gòu);

②軛鐵與鐵芯合為一體為U型;

③壓簧壓在銜鐵與軛鐵配合的刀口位置。

該種磁路結(jié)構(gòu)少一個(gè)零件，導(dǎo)磁性較好，但為保證裝配后兩端軛鐵面落差，因而對(duì)模具精度及設(shè)計(jì)要求高，加工難度較大。需要注意的是:

①保證U型軛鐵兩極面的落差，及張口的大小，其直接影響磁路的吸力。

②注意軛鐵的固定，保證與線圈相對(duì)位置穩(wěn)定，否則產(chǎn)品性能會(huì)不穩(wěn)。注意產(chǎn)品磁路抗沖擊能力。

第三類型非極化電磁系統(tǒng):

特點(diǎn):

第三類

①銜鐵為平片結(jié)構(gòu);

②軛鐵為L(zhǎng)型狀;

③鐵芯為柱狀帶極靴形狀，與軛鐵通過鉚壓而成為一整體。

④銜鐵與軛鐵通過動(dòng)簧連接。

該種磁路結(jié)構(gòu)少一個(gè)壓簧、及底座零件，線圈架承擔(dān)底座支承件的功能，產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，但這類設(shè)計(jì)輸入與輸出端的隔離距離較短，產(chǎn)品要做到加強(qiáng)絕緣較難。需要注意的是:

①芯與軛鐵刀口的落差要注意控制，其大小直接影響磁路磁阻的大小，進(jìn)而影響磁路的吸力。

②軛鐵與鐵芯通過鉚接連接，其配合的緊密程度直接影響磁路磁阻的大小，進(jìn)而影響磁路的吸力。

一般鉚接方式有:

A壓鉚:用垂直于鉚接處的沖擊力進(jìn)行鉚接。零件壓鉚時(shí)易變形。

B旋鉚:用旋轉(zhuǎn)擠壓力使鉚釘處鉚牢的鉚接。鍍層易發(fā)生起皮，鐵心、軛鐵鉚接時(shí)，貼合度較好。

③對(duì)動(dòng)簧加工要求較高，壓彎角度多個(gè)，其直接影響產(chǎn)品反力。

3．2．2 典型的極化繼電器電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電磁系統(tǒng)使用永磁鐵的電磁系統(tǒng)，線圈保持極性為極化繼電器。其永磁鐵和線圈相互作用，提高了靈敏度，降低了線圈功耗，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，同時(shí)由于永磁鐵的存在動(dòng)作也更加快速。

若根據(jù)永磁鐵裝配位置，一般可分為串聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)、并聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)及橋式磁路結(jié)構(gòu)。

若根據(jù)電磁系統(tǒng)中磁路數(shù)量分類，一般又可分為單磁路結(jié)構(gòu)及雙磁路結(jié)構(gòu)。單磁路結(jié)構(gòu)一般都是串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。

圖3 三種典型的極化電磁系統(tǒng)

圖4 極化繼電器電磁系統(tǒng)原理圖

典型磁路舉例分析如下:

第一類型串聯(lián)單磁路極化電磁系統(tǒng):

圖4 極化繼電器電磁系統(tǒng)原理圖

特點(diǎn):

①永磁鐵串聯(lián)在磁路中，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，工藝上較好實(shí)現(xiàn)，在非極化磁路上稍用改動(dòng)，就可實(shí)現(xiàn)極化磁路。

②只產(chǎn)生一個(gè)方向的吸力，永磁磁通只有一路，因而置位及復(fù)位電壓較難調(diào)整，一般會(huì)有置位電壓小，復(fù)位電壓大，而造成繼電器難復(fù)位的情況。

③由于磁通要通過磁阻較大的永磁鐵，故這種結(jié)構(gòu)的磁勢(shì)力勢(shì)要求較大，靈敏度相對(duì)其它類型較低。

④在設(shè)計(jì)相同的銜鐵與鐵芯氣隙下，常閉觸點(diǎn)間壓力較小，負(fù)載能力較差。

第二類型并聯(lián)磁路電磁系:

這種電磁系統(tǒng)也稱為差動(dòng)式，因?yàn)樽饔糜阢曡F上的力是二氣隙的電磁力之差。

圖4 極化繼電器電磁系統(tǒng)原理圖

②磁路體積較大，不容易實(shí)現(xiàn)極化磁路與百極化磁路的兼容。

③永磁鐵通過兩個(gè)氣隙，產(chǎn)生二個(gè)磁通，從而形成二個(gè)抗抗衡的磁力矩共同作用于銜鐵兩端，先穩(wěn)定于小氣隙一端，根據(jù)線圈通電電流產(chǎn)生磁來實(shí)現(xiàn)銜鐵的轉(zhuǎn)動(dòng)。

④由于線圈產(chǎn)生的控制磁通不經(jīng)過永磁鐵，因而磁勢(shì)小，靈敏度較高，工作性能穩(wěn)定。

⑤該種結(jié)構(gòu)永磁鐵在設(shè)計(jì)時(shí)如果不能實(shí)現(xiàn)鑲件注塑，則要重點(diǎn)注意其表面處理，防止使用過程中生銹。

4 典型電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)吸力分析

4．1 非極化電磁系統(tǒng)吸力及與反力配合

理想的吸、反力配合要求:

A．當(dāng)電磁繼電器線圈電流增加到動(dòng)作電流后，吸力曲線完全位于反力曲線的上方。這樣，電磁繼電器可很順利的完成動(dòng)作。

B．當(dāng)電磁繼電器線圈電流減小到釋放電流后，吸力曲線完全位于反力曲線下方。這樣，電磁繼電器可很順利的完成釋放動(dòng)作。

C．在常開觸點(diǎn)超行程上下限內(nèi)，釋放電流不會(huì)低于設(shè)計(jì)的最小釋放值。

D．在常閉觸點(diǎn)超行程范圍內(nèi)，動(dòng)作電流都不會(huì)高于設(shè)計(jì)的最大值。

E．吸力曲線的斜率要大于反力曲線的斜率。

圖5 非極化電磁系統(tǒng)吸反力曲線

理想的吸、反力配合要求:

A．當(dāng)電磁繼電器線圈電流增加到動(dòng)作電流后，吸力曲線完全位于反力曲線的上方。這樣，電磁繼電器可很順利的完成動(dòng)作。

B．當(dāng)電磁繼電器線圈電流減小到釋放電流后，吸力曲線完全位于反力曲線下方。這樣，電磁繼電器可很順利的完成釋放動(dòng)作。

C．在常開觸點(diǎn)超行程上下限內(nèi)，釋放電流不會(huì)低于設(shè)計(jì)的最小釋放值。

D．在常閉觸點(diǎn)超行程范圍內(nèi)，動(dòng)作電流都不會(huì)高于設(shè)計(jì)的最大值。

E．吸力曲線的斜率要大于反力曲線的斜率。

4．2 電磁系統(tǒng)吸力計(jì)算:

經(jīng)驗(yàn)公式:F=3．04 ×10－4(IN)2

式中，A——鐵芯極面面積;μ0——空氣功磁導(dǎo)率;σ——銜鐵與鐵芯間隙。

4．3 極化電磁結(jié)構(gòu)吸力與反力配合

圖6 極化雙電磁路轉(zhuǎn)換型電磁繼電器的吸反力曲線

1)從整體形狀看，吸反力曲線的斜率配合是否合理，主要看磁鋼力與反力曲線即可。磁鋼力的調(diào)整，主要通過調(diào)整磁鋼大小、磁鋼磁能積來實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于動(dòng)作電流、釋放電流是否合適，則要進(jìn)一步加入線圈電磁力來分析，如動(dòng)作電流過大，可能是線圈安匝值不足，或者反力和磁鋼力均太大;如動(dòng)作電流過小，可能是線圈安匝值過大，或者反力和磁鋼均太小，需要結(jié)合實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷。

2)從“常開觸點(diǎn)接觸過程”的吸反力曲線配合情況分析

對(duì)于吸反力配合不良的調(diào)整，主要通過以下方面:

a．磁鋼磁性強(qiáng)弱，在對(duì)磁鋼力整體有影響的同時(shí)，也調(diào)整此階段磁鋼力斜率的大小。

b．極面大小，調(diào)整此階段磁鋼力斜率的大小。

c．隔磁層厚薄，調(diào)整保持力大小。一般對(duì)于極化繼電器，銜鐵和/或鐵芯的極面上要鍍薄薄的隔磁層，以減小閉合后的保持力。

3)從“常閉觸點(diǎn)接觸過程”的吸反力曲線配合情況分析

對(duì)于吸反力配合不良的調(diào)整，主要通過以下方面:

a．磁鋼磁性強(qiáng)弱，在對(duì)磁鋼力整體有影響的同時(shí)，也調(diào)整此階段磁鋼力斜率的大小。

b．極面大小，調(diào)整此階段磁鋼力斜率的大小。

c．不導(dǎo)磁材料層厚薄，調(diào)整保持力大小、和此階段磁鋼力斜率的大小。

對(duì)于非極化磁路系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)相對(duì)較簡(jiǎn)單，且成本較低，極化繼電器由于增加磁鋼，因而成本會(huì)增大，且結(jié)構(gòu)和制造的工藝變的更加復(fù)雜，但同時(shí)也是因?yàn)橛写配摚潇`敏度更高，線圈安匝低，體積可設(shè)計(jì)更小。總之各有所長(zhǎng)，可根據(jù)實(shí)際使用條件加以考慮。

5 電磁部分裝配及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5．1 軛鐵與鐵芯極面落差需要進(jìn)行控制，且鐵芯壓縮量要適當(dāng)，因?yàn)檫@直接關(guān)系產(chǎn)品跟蹤大小。

5．2 對(duì)于軛鐵的刀口要特別注意，在鉚接過程中不可損傷。

5．3 在鉚接過程中注意對(duì)線圈的保護(hù)，防止漆包線損傷。

5．4 磁路的固定部分要牢固可靠，安裝到位，防止因裝配不到位而導(dǎo)致參數(shù)的變化。

5．5 對(duì)于極化繼電器，注意磁鋼的選擇及磁鋼充磁方向的確定，有需要時(shí)要進(jìn)行防錯(cuò)方面的設(shè)計(jì)。

5．6 注意磁路部分對(duì)線圈觸點(diǎn)間耐壓的影響，在進(jìn)行磁路設(shè)計(jì)時(shí)要考慮安全認(rèn)證方面對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)空氣間隙及爬電距離的要求。

6 磁路部分的技術(shù)要求的內(nèi)容

對(duì)于磁路部分，在技術(shù)上應(yīng)進(jìn)行如下要求:

6．1 明確鐵芯極面低于軛鐵刀口具體尺寸。

6．2 規(guī)定軛鐵和鐵芯必須鉚牢，且應(yīng)有測(cè)試方法。

6．3 要求軛鐵與線圈架端面貼合良好，不允許歪斜、單邊有縫隙。

6．4 裝配過程不能損傷漆包線，避免產(chǎn)生塑料屑。

6．5 周轉(zhuǎn)器皿應(yīng)要求:防靜電、防塵、防擠壓。

本文只是淺顯對(duì)常見電磁部分從設(shè)計(jì)要求及分析方面做一個(gè)闡述，還存在很多不全面及不深入的地方。因而，本文旨在開拓讀者的思路，進(jìn)行更好的交流及相互了解。