電磁繼電器吸力的分析改善

陳玉清

(廈門宏發電聲股份有限公司，福建廈門，360100)

1 引言

電磁繼電器廣泛應用于航空、航天、船舶、家電等領域，主要完成信號傳遞、執行控制、系統配電等功能，是各系統中關鍵電子元器件之一。電磁繼電器機械和電氣參數是繼電器的關鍵參數，而吸反力曲線配合情況直接影響著產品機械和電氣參數。

電磁系統吸力特性進行計算一般存在兩種計算方法，一種是使用“路”的方法；另一是采用“場”的方法。傳統的計算通常使用阻抗網絡方法對電磁系統進行計算，該方法是建立在計算工作氣隙的氣隙磁導基礎上，即“路”的方法，該計算過程復雜，同時也不能保證計算結果的準確性。近幾年來，電子計算機的應用越來越廣泛，計算電子技術也在不斷的發展，這極大地改變了電磁場的計算方法，電磁吸力以及電磁場的計算能夠得到更加準確的解，這都依賴于數值計算方法的使用，我們稱這種數值計算方法為“場”的方法，這種方法能夠對磁場的連續問題進行離散化處理，用有限個節點上的計算數值去取代無限個點上的計算數值，它的本質過程就是用每一個單一的單元作用力方程去整合系統的單元，用其組成系統方程，進而求解得到系統方程解，這種方法被稱為有限元分析方法[1]。

本文利用有限元分析對某型號直流電磁繼電器進行仿真，繪制出吸力特性曲線來驗證繼電器電磁系統的設計是否合理。

2 靜吸力特性與反力特性配合

在分析吸反力配合情況時，電磁繼電器在銜鐵在整個運動過程中，流在線圈中電流是不斷變化的，因此對動態吸力特性曲線進行準確地測量就變得十分困難，甚至無法真實的與實際情況符合。靜態吸力特性曲線具有檢測方便的優點，且靜吸力曲線和反力曲線的能否有效配合直接影響到電磁繼電器的工作可靠性和工作效率，因此用靜態吸力特性曲線代替電磁吸力特性曲線。

2.1 測試原理

靜吸力特性與反力特性曲線采用自制的吸反力測試儀器測試。該吸反力測試儀采用千分表、力傳感器和步進電機驅動系統構成。如圖1所示，給線圈施加激勵銜鐵閉合，通過電控平臺帶動壓力傳感器以固定的步距下壓銜鐵，讀取力傳感器的值，即可得到吸力曲線[2]。在有接觸系統作用下，不給線圈施加激勵，通過電控平臺帶動壓力傳感器以固定的步距下壓銜鐵，讀取力傳感器的值，即可得到反力曲線。

圖1 靜吸力測試原理

2.2 靜吸力特性與反力特性曲線

通過自制吸反力測試儀器測試出某型號電磁繼電器的實際的靜吸力特性與反力特性曲線，通過Minitab軟件繪制配合情況見圖3。通過分析某型號12V電磁繼電器吸反力配合，發現在U=6.0V的激勵作用下，銜鐵在運動過程小氣隙階段局部出現吸力小于反力，可能會出現銜鐵運動過程卡滯的現象(二次動作，簡稱二動)。

圖2 反力測試原理

圖3 某型號12V電磁繼電器吸反力配合情況

3 電磁吸力特性的影響分析

根據電磁系統的電磁吸力能量公式，如(3-1)所示。

(3-1)

式中：負號表示力F是指向氣隙減小的方向；

δ表示氣隙大??；

Uδ表示氣隙磁壓降；

Λδ氣隙磁導。

根據麥克斯韋電磁吸力公式，考慮在實際電磁系統中，在小氣隙內磁場可認為是集中均勻分布，且漏磁導又不隨氣隙變化時，電磁吸力的公式可簡化為

(3-2)

式中：A表示氣隙處的磁極極端面面積。

電磁系統通常是在兩種條件下工作：恒磁勢(IN)條件(如直流并激電磁系統)和恒磁鏈條件(如交流并激電磁系統)。該型號電磁系統U型拍合式直流電磁系統，在恒磁勢條件下，當氣隙處于較大氣隙行程時，磁路不飽和，可不計鐵心及非工作氣隙磁阻，式(3-1)可改寫為

(3-3)

如不計氣隙磁通的磁極邊緣效應，則(3-3)又可簡寫為

(3-4)

可見在恒磁勢條件，大氣隙時，電磁系統的電磁吸力與磁極極端面面積A成正比。結合式(3-2)，小氣隙是，電磁系統的電磁吸力與磁極極端面面積A成反比。因此從理論上分析磁極極端面面積越小，吸力特性越陡峭，如圖4所示。

圖4 不同磁極極端面面積理論的吸力特性

綜上所述，磁極極端面面積太大或太小，對于直流電磁系統都是不利的，需要選擇合適是磁極極端面面積。從圖3某型號12V電磁繼電器吸反力配合情況，小氣隙時吸力曲線偏低，考慮通過優化鐵心極面面積來改善。接下來利用有限元分析軟件對某型號直流電磁繼電器吸反力特性進行仿真分析。

4 靜態吸力仿真

4.1 有限元分析軟件的介紹

有限元分析廣泛應用于各個工程電磁領域，它不僅可以對單個磁路機構進行仿真分析，還可以對整個系統進行聯合仿真[3]。它的計算原理是根據麥克斯韋微分方程，采用有限元離散形式，將工程中的電磁場計算轉變為矩陣求解，直接計算磁場強度和電流分布，再由磁場強度獲得磁通密度典型的應用包括電機、變壓器、接觸器等[3]。

4.2 有限元軟件三維磁場仿真步驟

圖5 有限元軟件三維磁場仿真步驟

現有鐵心帽徑為6mm，根據前文分析適當減小鐵心極面可能改善產品二動的問題。使用有限元軟件三維磁場仿真鐵心帽徑分別為5.0mm、5.5mm、6.0mm的吸力曲線見圖6。從仿真結果分析鐵心帽徑5.0mm在銜鐵閉合位置的吸力比帽徑6.0mm大1.5N，但初始吸力下降0.2N，結合反力配合曲線可能導致產品初始吸力不足。若帽徑由6mm改為5.5mm后初始端吸力差異較小，50%U與70%U的吸力末端明顯增大，20%U的吸力末端增加相對前兩者增加小了一半左右，這種增加趨勢對于降低產品二動不良，同時又不降低釋放電壓理論是可行的。

圖6 某產品鐵心不同帽徑吸反力匹配仿真

5 驗證仿真結果

通過仿真分析鐵心帽徑由6.0mm改為5.5mm可以改善該產品二動不良，為了驗證實際改善效果，特制帽徑為5.5mm的進行驗證。通過公司自制的吸反力測試儀測試改善前后吸反力曲線配合情況見圖7，趨勢與仿真結果相近。

圖7 鐵心不同帽徑吸反力匹配實際改善情況

6 結束語

本文通過有限元仿真分析方法，快速且準確地驗證繼電器電磁系統設計是否合理，從而達到降低設計成本，提高設計效率的目的。工程人員還可以利用仿真結果，分析電磁系統磁感應強度的分布、漏磁大小等，為繼電器的優化設計提供有效的手段。