基于多体动力学的高压直流电磁继电器触点振动特性研究

黄 宇

（沈阳特种设备检测研究院， 辽宁 沈阳 110035）

0 引言

电磁继电器结构复杂并且涉及到众多交叉学科，高压直流继电器作为一个具有高效处理能力的高功率控制元件，在高电压、强电流等高频的条件下拥有普通的电磁继电器所无可代替的高寿命和坚固可靠等优点。 高压直流继电器的振动特性是衡量其使用性能的重要指标之一，目前国外主要从理论、仿真、拟态试验等方向进行设计与探究。 但因这方面的资料研究大部分涉及到国防领域的关键保密技术，所以可进行的借鉴十分稀少，因此我们国家对于该继电器的研究内容很少，本文依托仿真，进行关于高压直流继电器振动特性的研究， 针对某一影响因素研究其对继电器动态特性的影响， 为同型号继电器的优化提供依据。

1 继电器三维建模

1.1 三维建模

该继电器的传动方式为 “动铁芯—推杆—超程弹簧—动触点”传动方式。 这种传动方式由动铁芯经过推杆和超程弹簧间接作用到簧片上。 明确各部件的运动及固定方式之后，建立继电器内各零件的三维模型并导入RecurDyn。

根据导入后的模型方向设置系统重力方向和图标尺寸，将陶瓷罩和金属罩删除，合并推动系统。 模拟实际工况将超程弹簧拆分为上下两部分，并在两部分之间添加弹簧力，总体结构如图1 所示。

图1 仿真前处理示意图Fig.1 Schematic diagram of simulation pretreatment

1.2 设置材料

考虑到模型部分零件的材料与RecurDyn 的材料数据库中的有所不同，为使仿真结果更加接近实际，并保证继电器接通后的良好导电性和机械性能， 高压直流电磁继电器各零件材料如表1 所示。

表1 继电器各零件材料对照表Tab.1 Material comparison table of each part of the relay

1.3 创造约束与接触

创造约束与接触需要五个条件： 建立marker 点和face 面；添加基础约束；添加弹簧力；进行接触设置。

marker 点的主要作用是确定弹簧的作用点和弹簧的运动方向，根据弹簧实际作用位置建立。超程弹簧上端作用点选在动触点与凸台接触面的中心； 超程弹簧下端作用点选在推动系统与凸台交界处的中心； 返回弹簧上端作用点在轭铁板大小凹槽交界处中心； 返回弹簧下端作用点在动铁芯大小凹槽交界处中心。

设置与大地的固定铰为固定副， 推移卡与外壳的滑移副为移动副，动触点和静触点的实体接触为接触。

1.4 添加驱动力

高压直流继电器工作时，其所有的动力都源自动铁芯受到的电磁力，当继电器通电时动铁芯再在电磁力的作用下上运动，首先克服自身重力、推杆间摩擦力和弹簧的弹力使继电器闭合。 继电器仿真的驱动采用由Maxwell 计算出的电磁力，即：当电流恒定时，动铁芯处于不同角度时的受力情况。由于继电器工作由电脑控制，因此在继电器其工作时线圈中的电流可近似为恒定值。在进行仿真时驱动力的数值由动铁芯与轭铁相对位置决定，需要将上述计算出来的离散数据调入到RecurDyn 中， 系统会根据输入的离散数据拟合出一条动铁芯不同角度下受到电磁力的曲线。 完成曲线的创建后编写样条插值函数，软件就会根据当前时刻动铁芯所处的位置来输出动铁芯上电磁力的大小。

表2 电磁力参数大小Tab.2 Electromagnetic force parameters size

图2 电磁力矩样条曲线Fig.2 Electromagnetic moment spline curve

2 仿真

图3 触点开距示意图Fig.3 Schematic diagram of contact distance

考虑继电器的结构条件， 为揭示触点开距对弹跳的影响，寻找最佳的触点开距（动触点与静触点的距离），选取表3 中7 个位置进行实验。

由动触点位移震动曲线可知，0s～0.009s 动触点加速向上运动过程直至动触点与静触点发生第一次碰撞速度骤减，由于触点开距不同所以动静触点发生碰撞的时间也有一定差距，开距越小动触点与静触点第一次碰撞越早。 0.009s-0.020s 过程中动触点与静触点不断碰撞直至静止，由于多体动力学分析的是继电器理论的振动效果， 因此动触点的振动次数和振幅与实际存在一定的差异但是两者的趋势和遵守的物理规律是相同的。0.020s之后动触点与静触点稳定接触但由于此时动铁芯还在跳动因此0.020s 之后位移图像还会有微小的振动，这些振动可以忽略。

根据动触点位移图像可知； 随着触点开距的增加， 动触点位移的最大振幅整体呈现先增加后减小的的趋势； 振动总时长呈现先增加后减小的的趋势。 触点开距为0.75mm 时振幅和振动时间最小，且振动次数较少。 因此触点开距为0.75mm较好。

表3 触点开距仿真设计Tab.3 Contact distance simulation design

图4 动触点位移振动曲线图Fig.4 Vibration curve of moving contact displacement

图5 动触点速度振动曲线图Fig.5 Moving contact velocity vibration curve

图6 动铁芯位移振动曲线Fig.6 Displacement vibration curve of moving iron core

图7 动铁芯速度振动曲线Fig.7 Velocity vibration curve of moving iron core

根据动触点速度图像可知： 随着触点开距的增大最大波动呈现减小趋势，通过速度波动次数和时间分析，可知0.75mm 时图像振动波动最小。

由动铁芯位移可知，0.009s～0.014s 曲线斜率减小。0.014s～0.025s 过程中动铁芯与轭铁板不断碰撞直至静止， 因此将着重分析这一段时间内动触点的振动，0.025s之后动铁芯与轭铁板稳定接触。 在整个过程中微小振动可以忽略，只关注较大的振动。

由动铁芯速度曲线可知，0s～0.009s 动触点加速向上运动直至动触点与静触点发生第一次碰撞速度骤减。0.009s～0.014s 过 程中由于动触点与静触点的碰撞，动铁芯速度减小后继续增加直至动铁芯与与轭铁板发生碰撞，0.014s～0.028s 过程中动铁芯与轭铁板不断碰撞直至静止。 0.028s 之后动铁芯与轭铁板稳定接触，0.028s 之后速度图像还会有微小的变化，这些振动可以忽略。

增大触点开距， 速度波动时间和次数呈现无明显规律，最大速度振幅也相对稳定。综合分析振动情况选择最佳的触点开距。发现动触点振动时开距为0.75mm 效果最好， 由于继电器动触点的振动特性最终影响继电器的通断特性，因此0.75mm 是触点开距的最优位置。

3 结论

本章建立并简化了高压直流电磁继电器的三维模型和动力学模型。利用RecurDyn 软件研究继电器触点开距对继电器振动的影响，得到各参数与继电器振动情况的对应关系和各参数的最优范围。 为进一步研究继电器振动特性的问题提供了理论依据。