一種雙導向電磁結構研究與設計

周成龍，袁寶武，王 吉，焦 陽

(1.陜西群力電工有限責任公司,陜西寶雞,721300；(2.哈爾濱工業大學電器與電子可靠性研究所,黑龍江哈爾濱,150001)

1 簡介

接觸器是利用輸入線圈電路內電流(電壓)在電磁鐵鐵心與銜鐵間產生一定大小和方向的電磁吸力而工作的元器件，可遠距離、頻繁地接通和分斷交、直流電路，具備小功率輸入控制大功率輸出的功能。廣泛應用于自動裝置、大功率動力設備及電力保護等領域的電路通斷控制，是自動控制系統中的重要元件之一。

本文介紹一種上下雙導向電磁結構設計，保證了內部運動部件動作的靈活性及同軸度。

2 電磁結構研究與設計

2.1 電磁結構設計

1)該電磁系統采用螺線管式結構，由線圈、鐵芯、軛鐵、銜鐵、氣隙組成磁路，電磁效率高，吸力及行程大。

2)銜鐵部分為機構內可運動部件，由托架、軸套、銜鐵、推桿裝配而成，托架選用抗熱變形性能良好的熱固性絕緣材料，中間及兩側平臺用于裝配動簧組件，各組間設計隔弧墻，防止產品工作時觸點相間擊穿，利于隔弧。

3)推桿設計為階梯狀，選用抗拉強度高不導磁不銹鋼材料，推桿中部凸臺用于固定銜鐵，推桿上部加工M4螺紋，與托架內嵌M4螺母配合緊固，使運動部分形成一個整體。

圖1 電磁系統剖視圖

圖2 銜鐵部分剖視圖

4)銜鐵外圓面環形凹槽(讓位設計)，切削深度0.2mm，切削高度8mm，使銜鐵與外軛鐵間隙為0.35 mm(如圖5所示)，可有效減小銜鐵運動摩擦對產品性能的影響。

5)電磁系統頂端設計導筒零件(材料H65)，導筒外圓裝配在基座沉臺，導筒內壁與銜鐵T型臺間隙配合，為銜鐵運動提供導向作用。

圖3 環形凹槽銜鐵剖視圖 圖4 導筒示意圖

6)電磁系統底部小軸套內孔與推桿間隙配合(如圖5所示)，也具有導向作用，使得電磁系統具備上下雙導向設計，保證了銜鐵、推桿等運動部分的同軸度及靈活性。

圖5 產品結構剖示圖

2.2 工作原理

當對線圈加電時，電磁系統內氣隙處產生一定大小和方向的電磁吸力，此時銜鐵受電磁吸力克服復原彈簧的反力作用，通過推桿帶動動簧部分運動，使觸點閉合，實現電路切換。

當線圈去激勵后，隨著電磁系統內的電磁力消失，銜鐵在復位彈簧推力的作用下返回到初始狀態，通過推桿傳動觸點也返回至初始狀態，等待下一次工作。

2.3 電磁系統理論計算與仿真分析

2.3.1 動作線圈計算

啟動線圈電阻R=5.5Ω，匝數為700匝，技術要求動作電壓≤15Vd.c.，取動作電壓為13Vd.c.，則動作電流=13/5.5≈2.364A，因此IW≈1654.8安匝。

2.3.2 電磁吸力

F吸=6.4(IW)2Sσ-2.10-8(Kg)

計算作用在銜鐵上的電磁吸力(以13Vd.c.為例)：

F吸=6.4×(1654.8)2×2.1×(0.38)-2×10-8

=2.54(Kg)

式中：IW—安匝值(安匝)

S—工作氣隙的有效截面積(cm2)

δ—工作氣隙總長度(cm)

表1 啟動線圈不同電壓下電磁吸力

2.3.3 磁路磁通仿真分析

用FLUX軟件對電磁系統中軛鐵、線圈、導磁筒和銜鐵四個部分，在整個磁路中的分布情況分別進行了仿真。該產品的線圈電壓變化范圍是0到28V，銜鐵位移變化范圍是0～3.8mm，設置仿真腳本的電壓步長為1V，位移步長設置為0.1mm。對模型進行仿真計算，結果如圖6所示。

a)磁感應強度分布云圖

繪制電壓、電磁吸力、位移三個變量之間的關系圖，如圖7所示。

圖7 磁通、電磁吸力隨位移的變化趨勢圖

從以上6個仿真結果圖可以看出，隨著銜鐵位移的增大、線圈電壓的增大，磁通和電磁吸力均逐漸增大。銜鐵中的磁感應強度B值最大約為2.001T，而電工純鐵DT4E飽和磁感應強度Bs≈2.18T，仿真模擬為理想狀態，實際由于各種誤差及漏磁通存在，真實的磁感應強度B值略小于仿真值。因此本設計保證了在該體積下電磁力最大、磁路不飽和，通過以上分析對比說明了該產品電磁系統的設計是合理、正確的。

2.3.4 切削銜鐵對磁力影響仿真分析

使用Flux軟件仿真銜鐵外徑切削厚度與電磁吸力變化的曲線關系，如圖8所示。

圖8 電磁吸力與銜鐵切削厚度關系圖

通過Flux軟件仿真分析，銜鐵在切削0.2mm時，13V和28V接觸器電磁吸力值下降減少，對產品整體吸反力配合影響較小。切削后的銜鐵，即保證了接觸器的吸合電壓在設計要求范圍內，又減少因銜鐵摩擦對產品電壽命、機械壽命等性能的影響。

3 電磁吸力、機械反力實測

對電磁系統進行電磁吸力、機械反力測試并記錄數據，與仿真結果進行對比，驗證理論分析結果與實測是否一致。

3.1 電磁吸力測試

在銜鐵與鐵心之間分別塞入四種規格銅墊片，分別為0.98mm、2.02mm、3.01mm和3.88mm。可以測出五個位置的電磁吸力，分別為銜鐵和鐵芯間距離為0mm、0.98mm、2.02mm、3.01mm和3.88mm，其中0mm代表吸合位置，3.88mm代表釋放位置，繪制實測電磁吸力曲線，具體測試數據如表2及表3所示。

表2 不同電壓下單線圈電磁吸力測試值

表3 雙線圈不同電壓電磁吸力測試值

3.2 機械反力測試

反力曲線測試，利用推拉力計向下推連桿，記錄推動力及位移變化。初始力即復原彈簧初壓力(A)，推動連桿至輔助觸點(B)的外接指示燈熄滅，完成輔助觸點和復原彈簧反力共同作用下力的測試，繼續推動連桿至線圈轉換觸點外接燈熄滅(C)，外接燈熄滅完成由內線圈到外線圈的轉換，此時整體反力為復原彈簧反力、線圈轉換簧片剛度和輔助觸點簧片剛度，將此時測力計示數與三組主觸點跟蹤彈簧初壓力相加，得到(D)，繼續推動推拉力計至位移走完3.8mm。記錄此時位移初始位置及結束位置，繼續推動推拉力計至完成整體銜鐵行程，記錄終值即為反力曲線的終點值，測試如圖9所示，繪制單雙線圈吸反力匹配圖，如圖10所示。

圖9 電磁系統反力測試步驟及測試結果

由圖10可知，單線圈13V電磁吸力曲線大于反力曲線，可保證接觸器在單線圈13V時動作正常，雙線圈13V電磁吸力也大于反力曲線，保證了接觸器單雙線圈切換后可穩定保持，而3V單線圈電磁吸力小于反力曲線，可正常釋放。實測數據與仿真分析一致度高達90%，說明了該產品電磁系統結構設計合理、正確，達到了設計要求。

圖10 實測單、雙線圈電磁吸力與反力對比

4 測試與試驗

按本研究結果和設計進行了產品裝配和測試,動作電壓和釋放電壓見表4。

表4 動作電壓、釋放電壓測試記錄

從以上數據可以看出，產品動作電壓、釋放電壓與理論計算、仿真結果一致性高。按該型接觸器詳細規范進行全套試驗結果合格，產品其余各項性能指標、參數也達到了設計要求。

5 結論

以某接觸器為例，針對電磁系統結構特點，重點對雙導向電磁機構進行了研究分析，對銜鐵及運動導向進行了優化設計，提高了動作靈活性；對電磁系統進行了理論計算與仿真分析，經過產品試制、測試及試驗，各項性能參數檢測合格，為同類型產品優化設計積累了相關理論基礎及實踐經驗。