浅谈电磁继电器设计方法

赵富菊

（沈阳铁路信号有限责任公司，辽宁沈阳110025）

0 引言

电磁继电器作为自动控制器件应用在铁路、航天、汽车及家用电器等多个领域，其工作可靠准确，使用寿命长，电气及机械性能稳定是设计者和使用者共同追求的目标。新技术发明、新材料应用及新系统需求在不断地引领继电器的发展及更新换代，但以继电器电磁系统吸力特性与机械系统反力特性配合为核心的继电器设计理念从未改变。

本文从继电器系统结构设计、参数设计及优化三个层面来分析继电器设计方法。选择合适的系统结构是设计继电器的第一步，对继电器整体特性有决定性影响，系统结构选择不当不仅会增加参数设计和参数优化的难度，同时也不利于继电器整体性能的提高；参数设计是在既有的系统结构之上，根据标准要求、系统需求等输入对产品进行设计实现，结合以往设计经验及返修案例，充分考虑继电器内在关联因素及外在环境波动对继电器各种特性参数的影响，这对继电器参数设计会起到有效的指导意义。当然，一个科学合理、系统完整的参数计算推导是必不可少的。设计是一门艺术，一件好的作品一定具有和谐之美，继电器参数优化实质是设计艺术化的过程，即要最终挖掘出设计的最佳平衡点。

1 系统结构设计

在系统结构选取及方案确定阶段，首先要根据市场需求、标准、RAMS需求等输入任务确定产品的功能要求、性能要求、接口要求、环境要求、RAMS指标、安装及生产需求，把产品生命周期各个阶段涉及的核心内容均纳入顶层设计范围；然后在现有的技术储备基础上，借鉴国外同类产品先进技术及国内外相关产品的专利技术，提出多个系统架构方案；最后，结合输入任务最终确定一个优化的系统结构。这是一个产品设计的总体构思过程，也是创新思维的过程。

继电器的两个核心部分是接点系统和电磁系统，接点系统作为输出执行组件，是继电器的薄弱环节，在很大程度上决定了继电器的使用寿命；电磁系统作为驱动输入部分，决定了继电器的功耗；接点系统反力特性与电磁系统吸力特性的配合作为连接接点系统和电磁系统的纽带，最终反映了系统架构设计的好坏程度。

1.1 接点系统

接点系统由触头、接点片及附属的传动结构等零部件组成，触头直接承担接通、断开电路及负载电流的功能，触点接触电阻过大及触点熔焊是接点系统的两大主要失效模式；接点片在起到导电、导热作用的同时，还能产生触点压力和触点跟踪。

接点接触电阻主要与触头材料、触点压力、触头形状及接触形式、表面光洁度、触头污染及触头温度有关，相比之下，触头污染对接点电阻的影响较大。触点粘结较易发生在触点转换过程中，尤其是大电流感性负载，触点断开过程产生的电弧使触头熔接，触点断开速度不够快或反力不够大均会拉不开熔接的触点，最终导致触点熔焊。为了提高触点抗熔焊能力，在设计阶段要考虑触点间隙、触点材料、触点转换速度、熄弧结构、散热能力及反力大小等因素。共同行程主要是为了满足触点压力和触点跟踪的需求。

综上所述，在系统结构设计阶段，接点系统要确定的主要参数是触头材料及尺寸结构、接点片材料及尺寸结构、触点间隙及共同行程等，先根据以往设计经验初步确定各个参数，然后在参数设计阶段通过系统的计算推导进一步确定各个参数值。

1.2 电磁系统

电磁系统实现了电能到机械能的转换，由衔铁、轭铁、铁芯及线圈等组成。对电磁系统的整体要求如下：体积小、重量轻；磁路导磁性好，磁能利用率较高，功耗较低；可动部分无机械磨损或磨损在机械寿命周期内可容忍。除此之外，还应考虑衔铁的转动部分驱动接点系统的方式和结构。

电磁系统的设计分两部分，首先是选择磁路结构，在既有的结构基础上确定轭铁、衔铁及铁芯的尺寸；再根据计算好的接点系统反力特性关系来确定线圈参数。

1.3 吸反力特性配合

性能良好的继电器一定具有匹配较好的吸反力特性曲线，它对继电器工作的可靠性有很大影响。与反力特性曲线相比，吸力特性曲线过于陡峭或平缓都不是最佳设计，曲线过陡会加剧触头与触头及衔铁与铁芯的机械撞击，触点回跳增大；曲线过缓会影响继电器的可靠吸合，最终都不利于继电器的可靠工作。所以，使电磁牵引特性曲线和机械反力特性曲线尽可能地接近是设计接点系统和电磁系统的关键。

2 参数设计

继电器参数设计包括接点系统参数、电磁系统参数及调整参数，参数数量较多，参数计算推导过程相对复杂。《信号继电器设计》一书就继电器接点系统和电磁系统参数设计做了比较系统的计算推导，对继电器设计过程有一定的指导意义。但是，上述计算推导仅针对继电器静态特性参数，而对影响继电器可靠工作的动态特性参数没做说明。

继电器动态特性是指参数值随吸合、释放过程发生变化的参数特性，包括磁通量、电磁吸力、位移、速度及加速度等电学参数及力学参数，真实反映了继电器动作的物理过程，在很大程度上决定了继电器工作的可靠性。涉及继电器动态特性讨论的文章较多，针对动态参数求解已研究出多种方法，但这些方法对实际设计工作有多大的指导意义需要实践检验。

将继电器动态特性分析和计算纳入继电器参数设计过程是急需要做的工作，它对继电器工作可靠性和电寿命都产生了至关重要的影响。

3 参数优化

参数优化是一个设计的平衡过程，其通过合理调整参数的裕度，使整体设计处于最佳的平衡点上。形象地讲，就是将跷跷板结构的设计调整成天平结构，最大程度地减小了产品在样机试制生产过程中质量波动性和离散性对设计的影响。

广泛应用于电子产品参数优化过程的蒙特卡洛法同样适用于继电器产品的设计开发过程，是采用随机抽样统计来估算计算结果的计算方法。具体来讲，就是以零部件尺寸公差为研究对象，选取多个零件参数，在其公差范围内进行随机组合得到一系列方案，对每个方案进行吸反力特性计算，当把所有组合的吸反力特性曲线都画在同一个坐标纸上，吸反力特性曲线就分别呈现出带状，带越宽就表示尺寸波动对吸反力特性影响越大，间接表明设计参数还有很大的优化空间。

4 结语

本文围绕继电器设计方法讨论了设计开发内容，讨论的内容有限，而继电器涉及机、电、磁、热、物理、化学等多个学科，在设计继电器时，只有考虑到各种因素，才能在各个层面都做出较好的设计选择。一套有效的设计方法在一定程度上可以约束设计行为，是设计具有优良性能产品的基本保障。

[1]李毓鼎，郑胡德.信号继电器设计[M].北京：人民铁道出版社，1979.

[2]翟国富，陈兴文，张青森，等.电磁继电器时间参数综合测试分析系统的研究[J].低压电器，2003（2）：48-52.