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磁保持繼電器工作原理與開發(fā)困境論文
摘要：近年來, 隨著科技各個方面的發(fā)展, 對低壓電器性能的要求也越來越高。因此, 發(fā)展智能低壓產(chǎn)品是一大趨勢。最近幾年單項磁保持繼電器和三相磁保持繼電器是一種發(fā)展起來的新型繼電器, 越來越受到人們的青睞。三相磁保持繼電器常常應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用, 對保持生產(chǎn)的正常穩(wěn)定性具有十分重要的意義。因為磁保持繼電器的動態(tài)性能直接影響其控制的電路是否能正常工作。因此研究磁保持繼電器 (三相) 具有非常重要的意義。
關(guān)鍵詞：三相磁; 繼電器; 難點;
隨著科技發(fā)展的越來越迅猛, 對繼電器的要求也越來越高。尤其對于航空航天軍用繼電器而言, 體積小, 結(jié)構(gòu)緊湊, 輕便可靠, 低功耗繼電器更加備受青睞。因此成為人們相續(xù)研究的對象。這種繼電器的顯著的特點是它不需要長時間通電。一旦施加動作和復(fù)位脈沖, 它就可以切換觸點狀態(tài)。因此, 磁鎖或脈沖繼電器。電磁機(jī)構(gòu)中帶有永磁體的電磁保持繼電器與極化繼電器非常相似。并且具有靈敏度高, 動作快, 對極化繼電器的環(huán)境條件耐受性高等優(yōu)點。于普通的繼電器相比, 磁保持繼電器具有更加可靠的穩(wěn)定性, 由于磁保持繼電器的銜鐵要比一般的繼電器的質(zhì)量大一些, 可以更加有效的防止外界信號的干擾, 換句話說抗干擾性更強(qiáng)。因此, 磁保持繼電器具有更加可靠的能力, 適應(yīng)性更加廣泛, 得到人們廣泛的應(yīng)用。
1 磁保持繼電器發(fā)展趨勢
隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展, 三維軟件輔助設(shè)計的日趨成熟, 三維動畫設(shè)計的仿真模型目的是創(chuàng)建一個與實際物理原型相匹配的數(shù)字仿真模型。三維仿真可使人們更加直觀的了解產(chǎn)品的表面特征和機(jī)械性能等相關(guān)問題, 具有許多優(yōu)點, 因此, 在許多領(lǐng)域中都需要仿真模型或者三維輔助。低壓斷路器的結(jié)構(gòu)制造等等領(lǐng)域都直接或間接滲透著三維仿真。對于磁保持繼電器, 它依靠永磁作用進(jìn)行工作。通常磁作用在施加線圈兩端的動作脈沖時, 使靜觸頭和動觸頭保持?jǐn)嚅_或閉合狀態(tài)。
2 磁保持繼電器的術(shù)語和特性
2.1 磁保持繼電器術(shù)語
(1) 電壓的概念其中主要是各種類型的狀態(tài) (動作與不動作、釋放與吸合) ;
(2) 時間的概念, 主要指釋放時間, 釋放回跳, 吸合, 吸合回跳;
(3) 觸點壓力, 根部壓力;
(4) 接觸電阻, 回路電阻, 線圈電阻, 絕緣電阻, 取樣電阻;
(5) 保持力, 即銜鐵組件閉合和釋放。
2.2 磁保持繼電器的特性
特性主要包括閉合電壓、釋放電壓、閉合時間、釋放時間、脈沖寬度、線圈功率、接觸電阻、觸點壓力、觸點間耐壓、觸點與線包間耐壓。
3 工作原理具體介紹
3.1 磁保持繼電器結(jié)構(gòu)簡介
磁保持繼電器的主要結(jié)構(gòu), 如圖1電磁繼電器電機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖所示。磁保持繼電器包括永久磁鐵, 軛鐵, 鐵線、線圈組成。永久磁鐵包括上磁極和下磁極。磁保持繼電器可以進(jìn)行驅(qū)動整個接觸機(jī)構(gòu)工作, 是通過軛鐵與銜鐵組件之間的電磁力的作用。磁保持繼電器的材料需選擇具有高磁導(dǎo)率的磁性材料 (如電工純鐵DT4E) , 因為鐵芯與軛鐵必須牢固結(jié)合。具體的磁保持繼電器的形式如圖2所示產(chǎn)品實物圖。
接觸機(jī)構(gòu)是磁保持繼電器的主要動作機(jī)構(gòu)。它的部件包括動觸電、靜觸電、靜片、動簧片、導(dǎo)電片等部件組成。具體的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3接觸機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖。通過靜片和導(dǎo)電片之間的動簧片組件進(jìn)行連接而導(dǎo)通, 從而使產(chǎn)品導(dǎo)通或斷開。磁保持繼電器的兩個觸點間, 需保持一個空載壓力。接觸結(jié)構(gòu)的材料必須選擇電阻率低的材料 (如負(fù)載段選用純銅T2, 動簧片選用鈹青銅) 。
磁保持繼電器在電路中起到開關(guān)的作用。它是通過自身的磁性來維持工作的狀態(tài), 例如開通或者斷開, 即保持電路的閉合。由于磁保持繼電器無需外部施加任何力量來實現(xiàn)接通或者斷開的狀態(tài)。因此在保持電路具有一定的功能時, 只需要對其施加脈沖電信號即可。
3.2 磁保持繼電器工作原理
磁保持繼電器的工作原理。磁保持繼電器包括觸點閉合和斷開時的電磁、熱、機(jī)械等過程。磁保持繼電器通電時, 根據(jù)同極相排斥, 異極相吸引的原理。線圈通電后, 便產(chǎn)生相應(yīng)的磁力。這個時候, 當(dāng)極相吸引時便會產(chǎn)生閉合的狀態(tài), 稱為磁繼電器保持閉合狀態(tài)。同理, 當(dāng)通電后, 磁力相排斥時, 就會打開, 稱為磁保持繼電器的打開狀態(tài)。這是磁保持繼電器的雙穩(wěn)態(tài)。安裝板包裹上, 下磁極和永磁體, 并被頂部球體推動。安裝板上各有一柱狀突起上下表面通過銜鐵組件的突出部被固定在整個繼電器殼體的槽內(nèi), 上部需要新的夾板與銜鐵組件一起盡可能旋轉(zhuǎn)軸線發(fā)生小的偏移。當(dāng)電磁機(jī)構(gòu)處于不穩(wěn)定狀態(tài)時, 左、右磁路呈對稱分布的磁路結(jié)構(gòu)。當(dāng)線圈工作沒有電流, 由永久磁鐵通過磁場磁極、磁軛之間的空氣間隙分別產(chǎn)生磁通, 磁通, 在中間位置的銜鐵四條件下在對稱的吸力產(chǎn)生, 空氣間隙相等, 所以力是相同的。磁保持繼電器是依靠永磁作用, 保持觸頭斷開或閉合, 只有對線圈端施加磁場脈沖動作, 以抵消永磁線圈電流的磁閉鎖繼電器動作。
磁保持繼電器的電氣動作原理, 主要是因為永磁體具有一定的磁極方向, 并通過鐵芯, 磁軛, 磁極和永磁體進(jìn)行動作。如圖4電氣動作原理圖所示, 圖中的箭頭所示, 由于氣隙1、4的尺寸比氣隙2、3的尺寸小得多, 因此整個組件受到以下的影響:只有由閉合磁路中的永磁體與線圈A逆時針轉(zhuǎn)矩相交, 電磁轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定狀態(tài)與磁阻反轉(zhuǎn)方向相反, 并阻止平衡鐵 (磁鋼中心軸, 銜鐵組件在1、3號空氣間隙中分別以相同尺寸的4、2號空氣間隙相反) 回復(fù)。施加電壓后, 線圈電流逐漸增加。銜鐵組件開始轉(zhuǎn)動, 組件上的球狀體使推桿驅(qū)動接觸器機(jī)構(gòu)運(yùn)動, 直到磁極被軛鐵再次阻塞, 銜鐵組件再次停止。當(dāng)脈沖電壓從線圈中去除時, 銜鐵組件在永磁體的作用下保持在其最終位置。
3.3 磁保持繼電器開發(fā)難點
開發(fā)一款磁保持電磁繼電器, 如果無法實現(xiàn)量產(chǎn), 即量產(chǎn)工藝無法實現(xiàn), 開發(fā)結(jié)果是失敗的, 所以在開始開發(fā)設(shè)計前需注意以下關(guān)鍵設(shè)計點和工藝設(shè)計點:
3.3.1 關(guān)鍵設(shè)計點
3.3.1. 1 換向保持力
影響的因素有: (1) 磁鐵的厚度; (2) 軸孔的配合間隙; (3) 銜鐵片與軛鐵的接觸面積; (4) 銜鐵片與軛鐵間的距離比。
3.3.1. 2 磁路設(shè)計
注意點: (1) 鐵芯的設(shè)計方法 (常用疊合法和鉚接法) ; (2) 注意漏磁 (掌握電磁和永磁的磁通量) ; (3) 永磁鐵與軛鐵的厚度比例。
3.3.1. 3 接觸機(jī)構(gòu)設(shè)計
注意點: (1) 必須考慮洛倫磁力的影響 (左手定律) ; (2) 負(fù)載零件的材料和厚度的選擇 (溫升影響) ; (3) 觸點頭部尺寸的選擇; (4) 觸點間壓力的預(yù)設(shè)定。
3.3.1. 4 推動片的設(shè)計
注意點: (1) 空行程 (銜鐵組件在推動片內(nèi)的行程) ; (2) 超行程 (動簧片組件的位置) 。
3.3.1. 5 外殼 (基座和上蓋) 的設(shè)計
注意點: (1) 線圈組件中軛鐵的位置 (基座中的位置) ; (2) 靜片的位置 (基座中位置) ; (3) 靜片固定后的強(qiáng)度; (4) 基座的壁厚需均勻; (5) 基座和蓋間隙控制。
3.3.2 關(guān)鍵工藝設(shè)計點
(1) 工藝文件 (BOM表, 工藝流程圖, 作業(yè)指導(dǎo)書等) ;
(2) 工裝治具設(shè)計 (軛鐵整形, 鉚接強(qiáng)度等) ;
(3) 熱老練工序 (基座, 推動卡, 銜鐵組件, 半成品等) ;
(4) 焊接、鉚合工序 (焊接強(qiáng)度, 鉚接強(qiáng)度、延展和阻值) ;
(5) 測量工序 (根部壓力, 觸點壓力, 綜合測試, 接觸電阻等) 。
以上都是為了保證磁保持繼電器在設(shè)計開發(fā), 工藝設(shè)計方面前期需考慮的內(nèi)容, 但還需結(jié)合實際情況, 對發(fā)現(xiàn)的異常進(jìn)行優(yōu)化, 例如有客戶對電磁繼電器外觀的要求, 比如外露三只相角的平面度≤0.1mm, 為了保證關(guān)鍵尺寸, 需要高精密設(shè)計, 并對該尺寸重點把控, 采用專用的檢具進(jìn)行檢驗, 設(shè)計成通規(guī)和止規(guī), 即上下公差的值�；蛘哂捎谶^程控制非常嚴(yán)格, 參數(shù)控制的較小, 如單相回路電阻不得大于0.5mΩ, 因產(chǎn)品零件本身有電阻, 而且有多道工序是進(jìn)行鉚合完成, 會導(dǎo)致整個零件報廢, 并使流水線停滯的現(xiàn)象。所以在每道工序參數(shù)的設(shè)定時, 又進(jìn)行了加嚴(yán)控制, 使得在零件輔助時發(fā)現(xiàn)鉚合導(dǎo)電片工序。還有工裝的夾具上的定位針設(shè)計時未過盈, 導(dǎo)致產(chǎn)品在鉚合時, 上模下壓受力后, 因下模頂針未頂?shù)轿? 使凸點會先下降頂住頂針后才能鉚緊, 在裝配后進(jìn)行產(chǎn)品檢測后, 會出現(xiàn)松動現(xiàn)象, 導(dǎo)致接觸電阻變化, 無法使產(chǎn)品合格, 從這里就能看出, 細(xì)節(jié)決定最終結(jié)果。
4 開發(fā)案例分析
某公司開發(fā)一款高性能的三相磁保持繼電器, 性能為額定電流為120A, 線圈電壓為9V, 功率為5W, 符合UC4標(biāo)準(zhǔn), 機(jī)械壽命100萬次, 電氣壽命10000次 (功率因素0.5為5000次, 功率因素1.0為5000次) , 是一款國際上還未有批量量產(chǎn)、達(dá)到型式試驗UC4標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。此產(chǎn)品最大的難點是技術(shù)指標(biāo)高, 在設(shè)計的階段在單相的動觸頭設(shè)計成雙觸點, 并且把雙觸點設(shè)計成剪刀差形狀, 并且上觸點設(shè)計成主動, 下觸點設(shè)計成被動, 并考慮了電動斥力, 洛倫磁力的因素, 把導(dǎo)電片結(jié)構(gòu)設(shè)計成Z字型, 使動觸點在沖擊試驗時有一個正向的電磁力, 加大觸點的壓力, 使產(chǎn)品能更輕松的通過實驗。該產(chǎn)品是由導(dǎo)電片1和導(dǎo)電片2焊接組成, 并排排列成3組, 整個的平面度不得大于0.1mm, 這就需要導(dǎo)電片1和導(dǎo)電片2在分別單獨(dú)沖壓時保證必須保證在一個合理范圍內(nèi), 要求寬度為6mm, 這兩個零件的公差必須都為正公差, 并且公差范圍在0mm-0.5mm間, 為了保證此關(guān)鍵尺寸, 要求尺寸重點把控, 采用專用的檢具進(jìn)行檢驗, 設(shè)計成通規(guī)和止規(guī), 即上下公差的值。在焊接時又專門設(shè)計了一套氣動工裝設(shè)備, 先把零件定位好, 經(jīng)過繼電器的延時控制, 用氣動把這兩個零件進(jìn)行固定后焊接機(jī)進(jìn)行焊接加工, 保證焊接出來的部件的平面度準(zhǔn)確。因該產(chǎn)品為三相的磁保持繼電器, 需要三相相同的部件進(jìn)行組裝進(jìn)基座中, 但因基座為塑料材質(zhì), 在壓制過程中無法有效避免收縮, 基本會存在變形, 但為了保證三相的平面度不大于0.1mm, 必須還是從工裝方面入手, 把工裝設(shè)計成一個方柱型, 內(nèi)部尺寸控制在客戶的要求范圍內(nèi), 把三相的引腳直接插入進(jìn)平面度工裝夾具中, 首先保證了產(chǎn)品的三相的平面度, 但這雖然保證了平面度, 但離開工裝夾具后, 又恢復(fù)到原始狀態(tài), 后來又想方案, 把這幾個引腳在基座內(nèi)部進(jìn)行點膠進(jìn)行固定, 使平面度永久固定在一個地方, 從而到達(dá)客戶的平面度要求。最后, 該項目每次出貨前, 都需要進(jìn)行CPK能力指數(shù)進(jìn)行計算, 需要達(dá)A級, 指數(shù)需要達(dá)到1.33以上, 代表能力良好, 性能穩(wěn)定。更保障了產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性。
5 結(jié)語
本文講述了磁保持繼電器開發(fā)難點的研究, 通過案例說明在磁保持繼電器開發(fā)過程中需要中意的問題 (換向保持力、接觸機(jī)構(gòu)設(shè)計、推動片設(shè)計以及工藝設(shè)計難點等等) 。說明在科技日益發(fā)展的今天, 仿真具有不可取代的意義。仿真模型技術(shù)依靠其生成復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)模型的能力, 實現(xiàn)并可視化所有在真實物理樣機(jī)中發(fā)生的物理過程, 縮短開發(fā)周期, 降低投入成本。在低壓電器產(chǎn)品開發(fā)中占有越來越多的優(yōu)勢。在有限的條件下, 根據(jù)計算結(jié)果優(yōu)化電磁系統(tǒng)的局部結(jié)構(gòu), 使設(shè)計指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。
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