微电机在继电器中的应用

叶彬

摘要：电磁式继电器是利用通电线圈磁场，结合弹簧弹力，控制磁铁往返运动，从而在继电器触点间建立闭合～分离工作机制。此类继电器如果在复杂的磁场环境中使用，可能因为外部磁场干扰造成继电器功能失效或误动作导致意外事故。

微电机是较为普通的驱动元件，将微电机应用到继电器中，通过特定传动机构将电机转矩转变为直线运动，通过改变电机转动方向，可实现闭合～分离动作，实现继电器功能。电机外壳具有屏蔽磁场作用，并且电机继电器动作时间仅20ms，复杂电磁场对电机影响有限，在电磁复杂场所，比电磁式继电器要可靠。

关键词：微电机；继电器；螺杆传动；复杂电磁场环境；误动作

前言

根据2011年5月实施的GBT14598.9-2010 量度继电器与保护装置第22-3部分，电气骚扰实验辐射电磁场抗扰度的规定，继电器要求在300mT的强磁场环境中正常工作【1】。这个规定要求继电器的驱动要不受强磁场的影响，防止因为外部磁场干扰造成继电器功能失效或误动作导致严重后果。

电机机壳具有电磁场屏蔽作用，受电磁场影响有限，将电机运用到继电器中，利用电机扭矩作为继电器触点开关动作的动力源，比普通继电器更可靠，可以有效地适用于新实施的行业标准，应用于复杂电磁场环境。

1.原理对比

电磁式继电器由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等部件组成。线圈通电产生磁场，吸引衔铁移动，断电时磁力消失，衔铁在弹簧弹力作用下反向移动，从而实现继电器的通断电动作。如果继电器所处环境电磁场复杂，比如继电器受强磁场干扰时，继电器可能会因线圈磁场受干扰导致磁场减弱无法驱动衔铁移动，或外部磁场太强引起衔铁移动，轻则继电器功能失效，重则因继电器意外闭合～分离动作，导致事故发生，对生命财产造成损害。

电机是常用的电驱动元件，电机输出的是圆周运动（继电器衔铁是直线运动），改变电机电流方向就改变电机运动方向，输出力矩方向随之改变。通过传动机构将电机圆周运动转换为直线运动，就能推动传动机构实现往返运动，推动继电器触点实现闭合～分离，这就是电机式继电器。电机式继电器“闭合”或“分离”时间约20毫妙，其他时间处于断电闭锁状态，不受外部环境影响。

2.详细方案

电机式继电器的关键在于传动结构的设计。传动结构要满足以下几点：

（1）电机响应时间短，运转顺畅，扭力适度；

（2）传动结构将圆周运动转换为直线运动，传动结构行程精准， 准确推动簧片的“闭合”或“分离”；

（3）传动结构闭锁合理有效，能有效抵抗振动等外部因素的影响。

常用的传动结构中，圆周运动转换为直线运动的结构有凸轮结构、曲柄结构、齿轮齿条结构、螺旋轴结构。综合考虑，选择螺旋轴连杆结构进行方案设计，力矩较大，电机驱动结构原理如下图1。

螺旋轴连杆结构通过电机正反转，带动螺旋轴推动内螺纹套筒做往返运动。该结构通过连杆结构放大电机力矩，给推杆提供所需的推力和拉力，利用滚轮将滑动摩擦改为滚动摩擦，从而减小阻力，行程通过对套筒限位来控制。

优点：1.有效控制控制行程；

2.传动稳定，静止状态也稳定，不会反弹；

缺点：1.螺旋轴和推管需要特殊加工；

2.堵转时，由螺纹承受力，需要考虑齿牙强度。

3.设计方案

3.1参数预设

预设连杆长度12mm，初始时连杆与水平方向夹角锐角为35°，推杆行程2mm，19°时开始受阻力力，则，套筒行程为4.87mm，结束时夹角为10°。另设，推杆所受阻力为4N。通过对结构做受力分析可知，螺旋轴推力与推杆推力的关系为：

F螺/F推=tanθ， θ为与水平方向锐角夹角

当螺旋轴推力一定时，在运动过程中，θ逐渐变小，则推杆的推力会逐渐加大，θ=35°时推杆推力与螺旋轴推力相等，也就是说当θ≦45°时，结构满足省力条件，则，连杆19度时，取推杆所受阻力为4N，套筒推力与推杆推力的比值为tan19°，则套筒所需推力1.377N。结束时，套筒推力与推杆推力的比值为tan10°，套筒保持推力1.377N，则推杆推力为7.81N 3.2螺旋轴力矩换算与条件设定

螺纹传动传动力矩与传动力的换算公式为： T=Q*tan（ψ+ρ）*d2/2

其中，Q为轴向推力，即1.377N，ψ为螺纹升角，tanψ=P/（πd2），（P是螺纹螺距，d2为螺旋轴中径），ρ为摩擦角。要满足螺纹自锁，则ρ≧ψ，所以，tanρ≧tanψ= P/（πd2）

tan（ψ+ρ）= （tanψ+tanρ）/（1-tanψ*tanρ）

= （P+πd2 * tanρ） /（πd2-P*tanρ）

因为， tanρ≧tanψ= P/（πd2）

所以，tan（ψ+ρ） ≧2P*πd2/[（πd2）2-P2]

螺旋轴选择M4*0.7时，P=0.7mm， d2=3.70mm，齿高=5/8H=0.379mm，H=0.8666025P【2】。

则有tan（ψ+ρ）≧0.121 T≧0.308N.mm=3.018gf.cm

螺旋軸转动6.97圈，动作时间20ms，则要求电机负载转速约为20910r/min

4.强磁场对电机的影响

用强磁场干扰电机，验证电机在强磁场下能否完成动作。

将电机用支撑治具固定，接通电源，利用频闪灯测定电机转速，通过电流表，读取工作电流，首先通过控制强磁铁与电机之间的距离，测定在不同距离时，电机的电器特性，然后改变强磁铁与电机贴近面的极性，测定不同极性条件下电机的电器特性，最后将强磁铁贴在电机上，测定电机启动电压。得出的实验结果制成表格及曲线图，如下：

实验表明：

（1）N极靠近时，电机会出现速度先加大，随后减小的现象；S极靠近时，电机转速会持续上升，随着磁场强大增大，转速上升率越大；随着磁场的增大，电机的工作电流会增大，S极靠近时，变化明显；

（2）启动电压受磁场影响较大，0.5V的启动电压在加强磁场后，会变成1.2V左右；

综合实验结果，磁场会对电机转速有一定的影响，但在300mT磁场环境下，磁场不会造成电机工作失效或停止工作，可以正常使用。

将电机应用到继电器中可以有效地解决强磁场环境中继电器误动作的问题，使继电器可以适用于新的行业标准，设计中所运用的结构均为通用结构，同样的，运用电机来实现往返运动的设计也可用于同类产品的设计中。

5.小结

通过设计传动结构，选择合适的电机作为驱动力，可以实现继电器的开关动作。

参考文献：

[1]中国电器工业协会，GB/T14598，中国标准出版社，2011.

[2]吴宗泽.《机械设计师手册》.机械工业出版社，2002.1