基于理論計算的大間隙快速切換繼電器時間參數設計研究

林景煌

（廈門宏發電聲股份有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

用于計算機、辦公自動化、通信（以服務器電源和基站電源）、工業機械、國防軍工、航空航天、電力和鐵路等眾多領域的雙電源系統，大部分使用繼電器進行切換，但傳統的繼電器存在以下應用缺點：僅適用于交流系統、繼電器之間無法形成機械連鎖、雙電源之間短路燒毀的風險較高、同步性較差、數據傳輸延遲較高、數據丟失風險高、待機功耗大等。

本文研究設計的大間隙快速切換繼電器，從具有技術前沿性的5G通信服務器電源的應用特點出發，結合傳統電源應用存在的風險，研究如何實現繼電器在大觸點間隙下，具備較快切換速度（切換時間短），以確保數據傳輸和存儲的快速性、低延遲性、可靠性及不間斷性。

1 大間隙快速切換繼電器總體結構設計

大間隙快速切換繼電器總體結構如圖1所示，其基本動作原理為：線圈勵磁→銜鐵組合受吸力作用動作→銜鐵組合推動滑動塊組合運動→觸點接通→銜鐵組合閉合保持→完成動作。

圖1 大間隙快速切換繼電器模型

因該繼電器屬于對稱式磁路結構，其動作和復歸理論上一樣，因此，以下只針對動作過程進行各階段時間參數的影響因子分析研究[1-3]。

2 繼電器快速切換影響因子研究

以繼電器線圈的時間特性曲線為基礎，繪制HFRelay繼電器線圈電流特性曲線。如圖2所示，Ic代表線圈的勵磁電流；Iw代表線圈的穩態電流；tc代表勵磁時間（線圈添加激勵開始，到銜鐵剛要運動的時間）；tf代表觸點飛行時間（銜鐵運動起始到常開觸點閉合瞬間）；t代表動作時間；tb代表超行程段銜鐵的運動時間；a代表銜鐵運動起始點；b代表常開觸點剛接觸起始點；c代表銜鐵組合穩定閉合點。

圖2 HF-Relay繼電器線圈電流特性曲線

為了實現繼電器快速切換的目的，主要研究以下三個問題：①如何縮短繼電器勵磁時間；②實現繼電器的運動機構在特定行程下具備較高的運動速度，以獲得較小的飛行時間；③研究觸點碰撞過程能量的損失、轉化及吸收，減小觸點的彈跳時間[4-5]。注：以下分析不考慮渦流及線圈發熱的影響。

2.1 勵磁時間影響因子分析

根據動態過程的電壓平衡方程：

式中：U代表線圈勵磁電壓；R代表線圈電阻，是θ的函數；i代表線圈電流；Ψ代表電磁系統磁鏈，磁鏈。在線圈通電后，隨著電流增長，電流產生的磁場強度Hcoil逐漸抵消掉小氣隙處磁鋼的磁場強度H。

式中：N為線圈匝數，l為磁鋼厚度。當Hcoil=H時，線圈電流達到a點。此時，銜鐵組合尚未運動，仍處于初始狀態（氣隙δ0處），磁路中的磁鏈Ψ處于直線段，即Ψ=Li（L為線圈電感量，在勵磁階段視為不變的量值）。電壓平衡方程公式（1）可變形為：

在銜鐵組合未動之前，可認為dL/dt=0，因此a點之前的電流i(t)只由上式的兩項決定，即：

式中：T為電磁時間常數，T=L/R。將公式（2）帶入公式（4），可得到勵磁時間：

由公式（5）可知，勵磁時間tc的關鍵影響因子有：L、N、H、l（因線圈激勵電壓和線圈電阻為規定定值，這里不做考慮）。

2.2 飛行時間影響因子分析

線圈電流過a點后，線圈在氣隙處對銜鐵產生的吸力F1、磁鋼對銜鐵產生的吸力F2、靜合壓力的合力F3（4對常閉靜簧的預壓力）的共同作用，促使銜鐵組合推著滑動塊組合開始運動。當滑動塊組合運動至靜合壓力的合力F3=0時（即滑動塊組合走了常閉觸點的超行程段），作用于滑動塊組合上的力只剩線圈產生吸力以及磁鋼對銜鐵組合的吸力，兩個吸力的疊加促使滑動塊組合繼續加速運動，直至動觸點與常開靜觸點接觸[6-7]。根據該繼電器的機械結構，建立數學模型如圖3。

圖3 繼電器機械結構數學模型

根據數學模型可知，線圈產生的吸力和磁鋼對銜鐵組合的吸力折算至滑動塊的作用力（水平方向）分別為：

滑動塊組合的總運動行程為：

根據該繼電器的實際運動過程，將該繼電器的飛行過程分為兩個階段進行研究：

（1）第一運動階段：銜鐵組合開始運動到靜合壓力為0。

式中：m為滑動塊組合質量m1和銜鐵組合歸算質量m2之和；（為滑動摩擦系數），代表滑動塊組合與底座支撐面的滑動摩擦力[8]。

（2）第二運動階段：靜合壓力為0起始至常開觸點剛接觸。

根據方程（9）～（14），求積分，并將公式（6）～（8）代入F1、F2得到繼電器飛行時間為：

由公式（15）可知，飛行時間tf的關鍵影響因子有：m1、m2、N、H、S、A、。

2.3 回跳時間影響因子分析

因銜鐵組合閉合穩定在線圈電流時間特性曲線的b點時，此時，觸點仍處于機械彈跳的過程中，無法根據時間特性曲線及動態特性的微分方程進行分析。此處主要采用動力學理論進行研究。從觸點碰撞—彈跳—到穩定后，根據能量守恒定律有：

從能量守恒定律方程可以獲知，為較小觸點回跳時間，需要考慮如何降低觸點碰撞時的速度（因需獲取較短的勵磁和飛行時間，此處暫不考慮降低速度），以及如何在觸點第一次回跳時（靜觸點彈開距離最遠處）吸收大部分能量，以減小觸點第二次、第三次...第n次撞擊時的能量，進而減小整體的回跳時間，所以在模型優化上主要考慮如何在觸點發生第一次撞擊時的能量吸收[9-10]。

3 實測驗證及其與理論計算值對比

樣品實際勵磁時間為0.5ms、飛行時間為3.2ms、回跳時間為2.1ms。

3.1 時間參數對比

（1）勵磁時間對比：理論計算值為0.25ms，實測值為0.5ms；

（2）飛行時間對比：理論計算值為2.7ms，實測值為3.2ms；

（3）飛行時間對比：理論計算值為3.7ms，實測值為2.1ms。

4 結論

本文基于理論數學模型及微分方程對HF-Relay繼電器勵磁時間、飛行時間以及觸點回跳時間進行了系統分析，研究出影響勵磁時間、飛行時間的關鍵因子，為模型優化確定了明確的方向。并通過理論值、實測值進行對比，印證了所推導的數學方程的準確性，使得HF-Relay產品的開發更具科學性，同時為后續對時間參數有要求的繼電器新產品的研發奠定了理論基礎，為觸點回跳的研究改善提供了方向。