某電磁繼電器觸點同步時間超差分析及對策研究

安虹銘，高冬冬，付 斌，王劍飛

(1．貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009；2．哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱，150001)

1 引言

電磁繼電器是實現控制目標、信號傳遞、電路隔離的關鍵元器件,在自動控制系統、電力保護系統以及通信系統中,起控制、檢測、保護和調節作用,是國防尖端技術、先進的工業和民用設備不可或缺的基本元件之一[1-2]。電磁機構和接觸系統是電磁繼電器的兩個重要組成部件,裝配完成后兩者均被密封在金屬殼內,所以繼電器觸點壓力、超行程等機械參數在激光封焊后無法測量。性能良好的繼電器,線圈加電后產生的吸力特性曲線和簧片產生的反力特性曲線必須匹配良好,這種配合關系到電磁系統的效率和繼電器工作的可靠性[3-4]。因此,要求繼電器各觸點組機械參數和電氣參數的一致性是保證觸點系統動作一致性和可靠性的前提。

觸點同步時間是指繼電器具有兩組以上觸點對時,第一個觸點對接觸(斷開)時的吸合值(釋放值)與最后一個觸點對接觸(斷開)時的吸合值(釋放值)的時間差。觸點同步時間超差(>1ms)嚴重影響了產品觸點動作的一致性和可靠性,同時因觸點同步時間超差剔除也影響產品的合格率,增加生產成本。本文針對某電磁繼電器觸點同步時間超差問題進行分析,結合繼電器吸、反力特性曲線對觸點壓力、超行程等機械參數進行優化,從而提升繼電器觸點參數的一致性,有效控制該繼電器觸點同步時間超差問題。

2 同步時間超差原因分析

本文研究電磁繼電器為銜鐵旋轉式結構,具有四組轉換觸點,通過對裝配過程的10只同步時間超差產品進行機械參數測試并激光封殼后使用繼電器測試儀記錄同步時間如表1所示。

表1 同步時間超差產品機械參數記錄情況

從測試數據可以看出,同一繼電器的不同觸點組其觸點壓力和超行程等參數一致性較差,結合產品裝配過程及調試參數分析,觸點壓力及超行程等機械參數一致性是否良好是影響觸點同步時間的關鍵參數。對同步時間超差產品進行吸、反力特性曲線繪制如圖1所示。

圖1 不合格產品吸反力特性匹配曲線

從圖1中圈圓處放大圖可以看出吸力曲線與反力曲線存在明顯的交叉,說明產品在吸合過程中銜鐵存在被卡住的現象,即二次吸合現象,引起觸點組吸合時間延長,受不同觸點組簧片反力一致性影響最終出現同步時間超差現象。

3 采取有效措施及效果

3.1 根據電磁吸力公式

(1)

式(1)中,IW為安匝值,μ0=1.25×10-6H/m (常數),μb為工作氣隙的磁壓降,Sb為氣隙面積,δ為工作氣隙。

忽略產品吸合時的磁壓降、氣隙面積及工作氣隙情況下,繼電器電磁吸力與線圈安匝值成正比,根據安匝值計算公式:

(2)

在線圈額定電壓、線徑、匝數等一定條件下,適當降低線圈電阻以增大線圈安匝值,從而提升電磁吸力。該繼電器線圈電阻為1000(1±10%)Ω,根據理論分析線圈電阻按工藝規定下限進行控制。

3.2 觸點壓力控制

對同步時間合格產品的觸點壓力進行測試并繪制如圖2所示,從圖2中可看出觸點壓力主要集中在(0.10～0.12)N范圍,根據測試結果將觸點壓力規定在(0.08～0.13)N范圍。

圖2 生產過程觸點壓力統計分析圖

3.3 超行程控制

對同步時間合格產品的觸點超行程進行測試并繪制如圖3所示,從圖3可看出觸點超行程主要集中在(0.25～0.50)N范圍,根據測試結果將觸點超行程規定在(0.20～0.50)N范圍。

圖3 生產過程超行程統計分析圖

通過對產品線圈電阻、觸點壓力及超行程等參數作了明確規定,調試時控制不同觸點組各機械參數的一致性,最后通過測試觸點同步時間超差問題得到有效控制。

對參數優化后觸點同步時間合格產品的吸反力特性曲線進行測試并繪制如圖4所示。

圖4 合格產品吸反力特性匹配曲線

對圖4曲線各階段進行簡單的闡述:

(1)在a1點,銜鐵處于釋放位置,作用于復原簧片的初始反力Fa1是保證繼電器受到振動、沖擊或加速度等外力作用時,銜鐵不至于產生誤動作。

(2)銜鐵從a1運動到b1點,其行程對應為推動球與動簧片之間的間隙,即銜鐵在自由行程階段僅需要克服復原簧片的反力,對應曲線為a1b1段。

(3)從b1點開始,推動球與動簧片開始接觸,一直運動到c1點,相對應為靜觸點的跟蹤,所克服的反力是動觸點對靜觸點的壓力和復原簧片反力之和,故曲線斜率突增,對應曲線b1c1段,在c1點動觸點與常閉靜觸點開始分離。

(4)銜鐵從c1點運動到d1點,這段距離與觸點間隙相對應。銜鐵所受到的力是動簧片的彎曲變形反力與復原簧片反力之和,對應曲線c1d1段,在d1點動觸點與常開靜觸點開始接觸。

(5)銜鐵繼續從d1點運動到e1點,這段對應動合觸點跟蹤,即銜鐵的超行程階段,由此超行程產生一定的動合壓力保證動合觸點接觸可靠。銜鐵受到的反力是由動簧片、靜簧片、復原簧片三者的反力之和(忽略摩擦力及可動部分重力),對應曲線d1e1段,曲線較陡。

圖4中曲線①為吸合電壓下的吸力曲線,即線圈安匝值IW=(IW)吸動值時的吸力特性曲線,曲線上所有各點超過反力特性曲線上的相應各點。表示銜鐵在各個位置上,作用在它之上的電磁吸力超過機械反力,所以繼電器能夠吸合到底。曲線③為釋放電壓下的吸力曲線,即線圈安匝值IW=(IW)釋放值時的吸力特性曲線,此時吸力特性曲線上的各點都低于反力特性曲線上的各相應點,表示銜鐵在各個位置上,作用在它之上的電磁吸力都小于機械反力,所以繼電器的銜鐵被釋放。從圖4可以看出參數優化后電磁吸力有所提升,減少了吸反力的交叉,進而減少了銜鐵二次吸合的現象,銜鐵運動比較干脆連貫,縮短了繼電器觸點動作的時間,保證各組觸點組的同步性。經過批產驗證,采取一系列措施后共生產800套產品,統計其同步時間超差比例由原來的13.40%降低至3.52%,同步時間超差問題得到有效控制。

4 結論

本文通過對觸點同步時間超差產品的吸、反力特性曲線進行分析,采取對線圈電阻、觸點壓力及超行程等參數進行控制,保證了同一繼電器不同觸點組機械參數的一致性,通過對參數的優化,有效改善繼電器吸、反力曲線交叉的問題,避免了繼電器二次吸合現象,縮短了產品加電過程的吸合時間,從而控制繼電器觸點同步時間超差問題,有效提升了繼電器觸點運動的一致性和可靠性。