張 耀，譚 旭，劉艷艷，劉國蕊

(陜西群力電工有限責任公司，陜西寶雞，721300)

1 引言

本產(chǎn)品是一種方形"TO-5"封裝形式的微型密封電磁繼電器，隨著裝備使用環(huán)境更加惡劣，要求繼電器的工作性能及環(huán)境指標更加嚴格，用戶提出了一種高沖擊指標(980m/s2)的微型密封電磁繼電器[1]。本產(chǎn)品采用了新的磁路結(jié)構(gòu)形式及裝配工藝手段，同時運用仿真分析及計算，合理設置了機械參數(shù)。經(jīng)測試證明，產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠，沖擊指標高，機-電匹配合理。本文介紹了產(chǎn)品的電磁系統(tǒng)、鐵芯部分的、接觸系統(tǒng)機械參數(shù)的設計。

2 結(jié)構(gòu)方案

2.1 主要技術(shù)指標

該產(chǎn)品為方形TO-5繼電器，有一個控制繞組和兩組轉(zhuǎn)換觸點，可切換低電平到1A、28Vd.c.額定負載。安裝方式和引出端形式符合軍用密封電磁繼電器系列型譜GJB/Z39.2-2001的規(guī)定。可供航空、航天等領(lǐng)域作電路切換用。其主要技術(shù)指標見表1所示。

表1 主要技術(shù)指標

2.2 關(guān)鍵技術(shù)特點

沖擊指標為980m/s2。

2.3 繼電器方案設計

2.3.1 總體結(jié)構(gòu)設計

該產(chǎn)品為微型密封電磁繼電器，總體結(jié)構(gòu)采用拍合式。繼電器機構(gòu)見圖1，由電磁系統(tǒng)與接觸系統(tǒng)通過軛鐵連接組成，該結(jié)構(gòu)可最大限度地利用微型繼電器內(nèi)部有限的空間，且整體結(jié)構(gòu)剛性較好。

圖1 繼電器機構(gòu)

2.3.2 電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

繼電器電磁系統(tǒng)見圖2，采用拍合式結(jié)構(gòu)。

圖2 電磁系統(tǒng)

電磁系統(tǒng)由鐵芯、軛鐵、線圈、銜鐵、推桿、固定架、碗形墊圈組成。其結(jié)構(gòu)特點是：

1)該結(jié)構(gòu)可最大限度地利用微型繼電器內(nèi)部有限的空間，且整體結(jié)構(gòu)剛性較好。

2)線圈與鐵芯極面間有一碗狀金屬墊圈，因而避免了線圈變形而影響銜鐵行程。

3)銜鐵轉(zhuǎn)動部分采用懸掛式結(jié)構(gòu)，以固定架見圖3作為轉(zhuǎn)軸，固定架與鐵芯點焊連接，固定架兩側(cè)與銜鐵見圖4槽配合 。

圖3 固定架圖4 銜鐵

2.3.3 接觸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

接觸系統(tǒng)(見圖5)采用半柔性線形接觸形式。主要由動簧片、觸點、擋片、底座和復原簧片構(gòu)成。其中，底座為底板和焊腳采用玻璃絕緣子燒接而成，簧片部分和觸點分別點焊在對應焊腳上，擋片和復原簧片分別點焊在底板上。

圖5 接觸系統(tǒng)

2.3.3.1 接觸系統(tǒng)可靠性設計

a. 材料的選擇，該產(chǎn)品采用柱面與平面的接觸形式；繼電器觸點采用鍍金的方式，簧片選用銀鎂鎳帶，觸點選用六元合金。

b. 觸點間隙的確定

(1)保證觸點在斷開時，分斷電弧能可靠熄滅。

可根據(jù)伏安特性得到電弧臨界長度表達式。一般情況下，將觸點間隙設計為0.5～0.8倍的電弧臨界長度，所以觸點間隙應為：

式中，U0為觸點電源電壓；R為觸點回路電阻；c，n為常數(shù)(對于在空氣中的電弧，取c=80，n=0.5)；K為速度因子，一般取為0.5～0.8。

經(jīng)計算，觸點間隙可暫取為0.05mm。

(2)保證在試驗電壓下，觸點間可靠絕緣。

圖6 帕邢曲線

該產(chǎn)品介質(zhì)耐電壓為500 Vr.m.s.，為保證設計余量，將介質(zhì)耐電壓提高到600 Vr.m.s.，查上表可知承受600 Vr.m.s.介質(zhì)耐電壓需要0.07mm的間隙，由于繼電器內(nèi)部充有惰性氣體，因此將觸點間隙取為0.06mm。

c.觸點壓力的確定

觸點壓力可根據(jù)觸點材料和負載來確定，查閱資料，見下表：

觸點材料銀及銀合金金及金合金銀-氧化鎘系數(shù)(N/A)0.015～0.050.02～0.0250.01～0.015

該產(chǎn)品觸點為六元合金，簧片為銀鎂鎳，表面鍍金，負載為1A，因此觸點初始壓力為(0.02～0.025)N/A×1A=(0.02～0.025)N。取產(chǎn)品觸點壓力為0.025N。

d. 觸點超行程

觸點超行程的目的是補償磨損，也是產(chǎn)生足夠觸點壓力，使觸點磨損不致于嚴重影響其正常工作。要產(chǎn)生觸點超行程必然出現(xiàn)動靜觸點表面間的相對滑動，這樣可將觸點表面的氧化薄膜和灰塵等擦掉，以利于接觸可靠。但從減小電磁系統(tǒng)動作功率和結(jié)構(gòu)尺寸來說，又希望觸點超行程盡量小一些。

由于觸點磨損量很難計算，因此依靠經(jīng)驗數(shù)據(jù)，通常微型密封電磁繼電器觸點超行程應部小于0.03mm。因此取觸點超行程為0.03mm。

通過以上可靠性設計，產(chǎn)品可滿足1A、28Vd.c.(阻性)1×105要求。

2.3.3.2 耐力學環(huán)境的參數(shù)設計

針對980m/s2(脈沖持續(xù)時間：6ms)沖擊指標，根據(jù)前期試驗數(shù)據(jù)，該產(chǎn)品出現(xiàn)沖擊試驗失效的狀態(tài)主要表現(xiàn)為，去激勵狀態(tài)下靜合觸點斷開抖動。影響產(chǎn)品沖擊條件下，觸點發(fā)生斷開的可能是靜合觸點壓力不夠，導致產(chǎn)品出現(xiàn)斷開抖動現(xiàn)象，或者銜鐵轉(zhuǎn)動產(chǎn)生位移，推動動簧片，出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，現(xiàn)在對以上兩種情況進行分析：

圖7 接觸系統(tǒng)模型

由以上計算可知，當繼電器受到980m/s2沖擊時，簧片產(chǎn)生的撓度小于施加壓力時簧片產(chǎn)生的撓度，所以不會引起斷開抖動。

針對以上問題，采取如下設計方案：

1.由于銜鐵反力是由點焊在底板上的復原彈簧提供，為避免產(chǎn)品在去激勵情況下出現(xiàn)靜合觸點斷抖，故設定復原簧片反力為≥0.018N。

2.增加吸力。

增大軛鐵工作面，見圖8所示，在以往的設計中，為了減小漏磁通，把軛鐵與鐵芯極靴面間的距離d設計的比較大。事實上，漏磁的大小是與工作磁通相對而言的，理論估算和實際測量表明，在一定范圍內(nèi)適當減小軛鐵與鐵芯極面間的距離，雖然會導致漏磁通變大，但由于此時工作氣隙δ亦減小，且軛鐵工作面面積增大，工作磁通增長的幅度更大，有利于提高吸合靈敏度和吸合后的電磁吸力，見圖9所示：

圖8 原電磁系統(tǒng)

圖9 改進后電磁系統(tǒng)

根據(jù)拍合式電磁系統(tǒng)靜態(tài)吸合力公式：

其中，uδ為該氣隙的磁壓降(安匝)，μ0為空氣磁導率，S為極靴面積，δ為氣隙距離。

比較以上兩種電磁系統(tǒng)，帶入公式中計算。

=0.1N

=0.15N

電磁力的增加，可以保證本產(chǎn)品在高溫條件下可靠動作，從而保證了產(chǎn)品的高溫電壽命要求。

通過以上接觸系統(tǒng)可靠性設計及耐力學環(huán)境參數(shù)設計，保證了該產(chǎn)品的沖擊指標要求。

3 基于有限元軟件的電磁及力學仿真計算

建立產(chǎn)品虛擬樣機靜態(tài)吸力計算模型，可以實現(xiàn)對原設計的電磁吸力，靜態(tài)磁鏈，磁場分布的計算。

首先建立該型繼電器的電磁系統(tǒng)模型，在該模型中包含鐵芯、線圈、銜鐵、軛鐵，在建模過程中該模型的固定部分與轉(zhuǎn)動部分以不同坐標導入到模型中(如圖10所示)。

建模完畢后，建立若干不同的分網(wǎng)點，每個分網(wǎng)點都設置不同的分網(wǎng)密度，然后在根據(jù)實際問題的需要將模型中的點劃分到這幾個分網(wǎng)節(jié)點中，從而來實現(xiàn)對模型的不同區(qū)域進行不同密度的分網(wǎng)，這樣既可以節(jié)省計算時間又可以方便地觀察試驗結(jié)果。分網(wǎng)效果圖(如圖11所示)。

圖10 電磁系統(tǒng)模型圖11 分網(wǎng)效果圖

對實驗結(jié)果進行后處理可以得到整個電磁系統(tǒng)以及單一截面的磁感應強度云圖和磁感應強度矢量圖和動作電壓和釋放電壓下的電磁吸力圖，如圖12所示。

圖12 仿真結(jié)果圖

4 結(jié)論

本文介紹了一種高沖擊指標的微型密封電磁繼電器，其總體采用拍合式結(jié)構(gòu)，接觸系統(tǒng)采用半柔性接觸形式。通過合理設計零部件結(jié)構(gòu)尺寸，并通過理論計算和仿真分析驗證了設計方案可滿足產(chǎn)品的性能要求。本產(chǎn)品經(jīng)過三個批次的裝配及試驗，已順利通過我公司產(chǎn)品設計定型。今后可將本產(chǎn)品的設計方案推廣至我公司同類型微型密封電磁繼電器，進一步滿足武器裝備科研生產(chǎn)的要求。