一种小型平衡力式密封电磁继电器的设计

张 耀，谭 旭，史利兵，刘艳艳，刘国蕊

(陕西群力电工有限责任公司，陕西宝鸡，721300)

1 引言

本产品是1立方英寸平衡力式密封电磁继电器，随着装备使用要求的提升，要求继电器的工作性能及环境指标更加可靠，用户提出了一种具有三组动合触点，一组转换触点的密封电磁继电器。本产品采用了平衡力式磁路结构形式及带转换功能的接触系统，同时运用仿真分析及计算，合理设置了机械参数。经测试证明，产品性能稳定可靠，机-电匹配合理。本文介绍了产品的电磁系统、衔铁部分、转换功能接触系统的设计。

2 结构方案

2.1 主要技术指标

该小型平衡力式密封直流电磁继电器为1立方英寸平衡力式电磁继电器，具有一个控制绕组、三组动合触点和一组转换触点，可切换25A×28Vd.c.(主触点)、2A×28Vd.c.(辅助触点)负载。该产品的主要特点是体积小，负载体积比大，结构紧凑，环境适应性强。产品采用熔焊密封，可广泛用于航天、航空等环境条件恶劣的电子设备中。

表1 主要技术指标

2.2 关键技术特点

1)触点功能3H1Z；

2)高温电寿命5×104次。

2.3 继电器方案设计

2.3.1 电磁系统结构设计

目前的平衡力式电磁系统典型结构为Balance Force(平衡力)电磁结构[1]。

平衡力电磁系统结构见图1。无论是拍合式还是平衡衔铁式结构继电器，其静合触点的触点压力都由返回弹簧提供，一般要小于动合触点闭合后的触点压力(该触点压力由电磁力提供)。所以在衔铁打开、静合触点闭合时会产生较大的弹跳，其耐振动和耐冲击性能也较差。为此，美国Leach公司在1966年以后发展了抗震性能更好，功耗更小、体积和质量也更小的平衡力继电器。这种继电器的吸合是靠线圈产生的电磁力，返回是靠永磁回路产生的永磁力。因此，作用在动合触点上的保持力由线圈产生的电磁力提供，作用在静合触点上的保持力由永磁力提供。设计时使动合电磁力与返回永磁力相等，从而使动合触点保持力与静合触点保持力相等，因此国外称之为平衡力继电器，直译为“等力式继电器”。这种继电器具有环境指标高、切换可靠、适用功率继电器切换容量大的特点。美军标MIL-R-6106中，多数产品采用这种结构，这种产品在世界航空领域被大量使用。

图1 平衡力电磁系统结构

该结构的优点是：

(1)若设计合理； 激励和非励磁时衔铁受力相等， 亦即所谓的平衡。

(2)绕线窗口面积大，电磁效率高。

(3)励磁磁通不通过磁钢，磁路磁阻小，磁损耗低。

(4)保持力较高，可承受较高的加速度下的冲击、振动。

本产品电磁系统结构选择Balance Force电磁结构，电磁系统见图3，主要由磁路部分、衔铁组件用固定架点焊连接[2,3]。

图3 电磁系统

该电磁系统结构设计中采用双线圈并联电磁结构，双线圈并联电磁结构虽然成本较高，但能够在较小空间获得最大的电磁效率。同时，由于双线圈绕线窗口面积大，同规格下可采用比单线圈粗的漆包线，吸合安匝高，且在同等功耗下可保证较大的电磁吸力。由于电磁吸力较大，故选用了高磁能积、耐高温的永久磁钢，以提供与电磁力相匹配的复原反力(磁钢保持力)，实现电磁吸力与复原反力的平衡匹配(力平衡)。另外，线圈散热面积大，发热小，可保证继电器在高温环境下长期工作的可靠性。

轭铁、铁心、线圈采用旋铆工艺铆接在一起，连接牢固，漏磁小，磁损耗低，可确保该结构电磁系统提供较大的电磁吸力。

该结构中磁钢作为主要的复原装置，可使继电器动合触点压力与静合触点压力对称平衡；克服了电磁继电器单纯用复原簧片使衔铁复原，弹簧易谐振和疲劳失效的缺点；提高了电磁系统长期工作情况下抗冲击、振动的性能。

2.3.2 衔铁部分结构设计

衔铁部分见图4，由簧片排、小轴架、衔铁、轴、固定架、推杆组件构成。将簧片排通过小轴架及轴与衔铁紧固成一体，首先点焊两个小轴架，然后将轴从陶瓷块的孔中穿过，通过两个小轴架的“V”形槽和固定架将轴“抱紧”，将簧片排紧固在衔铁上，最后在衔铁上点焊推杆组件，通过衔铁运动带动推杆组件，实现触点的转换功能。该结构通过绝缘的陶瓷块，将动簧组件与衔铁结合成一体。该结构刚性好，能够保证触点可靠接触，满足切换负载要求。

图4 衔铁部分

2.3.3 接触系统方案设计

接触系统结构见图5,静触点组件、支撑、辅助触点、辅助簧片点焊在焊脚上，该结构刚性、工艺性好。为满足一组转换功能，在接触系统中设计了转换触点部分，既能保证触点功能，又可以在继电器激励时，提供足够的反力。

图5 接触系统

2.3.3 继电器结构设计

继电器机构见图6，主要由电磁系统、接触系统通过支架点焊连接，并安装有U型连接卡，通过连接卡实现电磁系统中簧片排与接触系统连接。连接卡采用银镁镍合金带，可保证良好的接触性能和弹性。

图6 继电器机构

3 基于有限元软件的电磁仿真

建立产品虚拟样机静态吸力计算模型，可以实现对原设计的电磁吸力，静态磁链，磁场分布的计算[4,5]。

首先建立该型继电器的电磁系统模型，在该模型中包含铁芯、线圈、衔铁、轭铁，在建模过程中该模型的固定部分与转动部分以不同坐标导入到模型中(见图7)。

图7 电磁系统模型

建模完毕后，建立若干不同的分网点，每个分网点都设置不同的分网密度，然后在根据实际问题的需要将模型中的点划分到这几个分网节点中，从而来实现对模型的不同区域进行不同密度的分网，这样既可以节省计算时间有可以方便地观察试验结果。分网效果如图8所示。

图8 磁感应强度矢量图

对实验结果进行后处理可以得到整个电磁系统以及单一截面的磁感应强度云图和磁感应强度矢量图和动作电压和释放电压下的电磁吸力图，如图9所示。

图9 电磁吸力图

4 结论

本文介绍了一种平衡力式密封电磁继电器，其总体采用平衡力式结构，接触系统设计有转换触点功能。通过合理设计零部件结构尺寸，并通过理论计算和仿真分析验证了设计方案可满足产品的性能要求。本产品经过三个批次的装配及试验，已顺利通过我公司产品设计定型鉴定。