旋转式磁保持继电器动态特性优化研究

车 赛， 迟长春， 左少林， 王泽涛

(上海电机学院 电气学院, 上海 201306)

作为低压电器中最重要的控制元件之一，继电器在通信、遥控、遥测、机电一体化、自动控制和电力电子等领域发挥着重要作用[1]。磁保持继电器相比于传统的电磁式继电器，结构更加简单，且无需长时间通电，只需通入一定宽度的动作、复位脉冲，继电器就能实现闭合断开状态的切换，当外加脉冲失效后仍有电磁力使其保持在稳态，控制方便。由于线圈不持续通电，大大减小了继电器的发热量，比传统电磁式继电器节省大量电能，且温升和噪声较小，受电网波动的影响很小。因此，智能型磁保持继电器的研发将成为未来的一个发展趋势[2-4]。目前，国内外学者对磁保持继电器已做了诸多工作，如磁保持继电器的电气参数检测系统及参数优化设计[5-10]、影响电弧因素及动态特性的研究[11-13]等。

研究显示磁保持继电器在闭合过程中达到稳态之前，由于碰撞会发生弹跳。长期的弹跳过程产生的短电弧使得接触部位产生高温，由于熔池内外存在很大的温度梯度，熔池内金属快速凝固结晶，使得接触部位形成熔焊点[14]。当触点的熔焊力大于触点分断力时就会产生熔焊，严重损害磁保持继电器的可靠性和使用寿命[15-16]。因此，探寻改善磁保持继电器动态特性的方法，实现磁保持继电器动态合闸过程优化，提高磁保持继电器的使用寿命和整体性能，对磁保持继电器的研究开发与加工生产具有理论意义与实用价值。

1 Ansys建模与仿真

1.1 研究对象

本文对YK818-B系列磁保持继电器进行研究，分析产品如图1所示。线圈额定电压9 V(DC)，单线圈电阻范围为72～89.1 Ω，额定功率1 W，额定电流范围0.101～0.125 A，吸合释放时间小于20 ms。内部结构由电磁系统、推动机构、触点系统、动簧片和分流片4个部分组成，如图2所示。电磁力矩的变化能推动执行机构运动，实现触点系统的闭合与关断，其中，动簧片具有载流、散热与产生压力的功能。

1.2 电磁机构

旋转式磁保持继电器的电磁机构包括：衔铁组件(包括永久磁铁和磁极片)、铁芯、轭铁和线圈，电磁机构简图如图3所示。通过轭铁与上下两磁极片之间的工作气隙和衔铁组件，可以将电磁能转换为机械能，从而带动整个接触机构工作[17]。磁保持继电器的永久磁铁型号采用Y30BH，轭铁和铁芯均采用电工纯铁DT4E，并牢固结合在一起。

图1 YK818B磁保持继电器

图2 磁保持继电器内部结构框图

图3 旋转式磁保持继电器电磁机构示意图

1.3 电磁机构仿真与分析

旋转式的磁保持继电器的电磁机构中没有弹簧，并且其反力由永久磁铁所提供。磁保持继电器的工作原理为：当线圈中没有脉冲电流时，衔铁组件因受到永久磁场的作用，产生顺时针方向的电磁力使得上磁极片与右轭铁紧密吸合，此时处于初始状态也就是闭合状态。当线圈接通正向脉冲电流时，铁芯以及两个轭铁内部产生与永久磁铁磁场方向相反的磁场，并克服永久磁场的作用，使得衔铁组件受到电磁力作用沿永磁体中心逆时针方向旋转，向左带动推动片使得常闭触点断开。当上磁极片旋转至与左轭铁完成接触后，线圈脉冲电流消失，在永久磁铁作用下，使得衔铁组件稳定保持在该位置，此时称为磁保持继电器的断开状态。反之，当线圈中通过反向的脉冲电流时，铁芯以及两个轭铁内部产生与永久磁铁磁场方向相反的磁场，当脉冲电流产生的电磁力大于永磁铁电磁力时，衔铁组件发生顺时针旋转的电磁力。当上磁极片旋转至与右轭铁完成接触后，正向电流消失，恢复成初始状态，也就是闭合状态。由于永久磁场产生的电磁力依然存在，使得衔铁组件稳定维持在该位置，这就是磁保持继电器的双稳态[18]。

在Ansys软件中的Maxwell 3D Design中建立电磁机构仿真模型，永磁铁材料为Y30BH，铁芯和轭铁为电工纯铁。网格划分时，衔铁组件附近的网格划分更细，精度更高，其余部件自由划分。电磁机构网格划分如图4所示。

图4 电磁机构网格划分

在三维模型中的衔铁组件上设置力矩参数，衔铁组件旋转角度(α)范围为-7°～7°，添加线圈安匝数范围为0～390 A，进行参数化分析，得出磁保持继电器合闸过程中在不同旋转角度及不同电流的合力矩特性曲线，各曲线规律性一致，其中部分曲线如图5所示。

图5 合力矩特性曲线

磁保持继电器合闸过程中，衔铁组件旋转方向从7°～-7°，由图5可见，随着α从-7°～7°，合力矩逐渐增大，且安匝数越大，合力矩越变大，表明了衔铁组件在闭合过程初始阶段所受合力矩较小，末尾阶段即动静触头快接触时，合力矩较大。

2 动态特性仿真与优化

2.1 动态数学模型建立

磁保持继电器电磁机构闭合和关断的动态过程中，涉及到电磁、热能变化及机械运动等多方面因素，数学模型建立需要简洁且完整地包含以上多种因素。因此需要在电磁系统上加电压平衡方程，磁场上加麦克斯韦方程，机械运动上遵循达朗贝尔运动方程，以及在热力学上则应遵循热平衡方程，这些相互联系的方程构成了描述机构动态过程的微分方程组[19]，即：

(1)

初始条件为ψ|t=0=ψ0，ω|t=0=0，α|t=0=α0。

式中：u为线圈励磁电压，V；R为线圈电阻，Ω；i、ψ分别为线圈电流及电磁系统磁链，A、Wb；T、Tf分别为电磁转矩和反作用力矩，N·m；J为衔铁组件的转动惯量，kg·m2；ω为衔铁组件角速度，rad/s；α为衔铁组件旋转角度，(°)。

2.2 模糊控制器设计

从衔铁组件合力矩曲线及动态数学模型可以看出，衔铁组件在闭合过程中的合力矩与线圈的安匝数、衔铁组件旋转角速度及所在的角度相关。因此，设计模糊控制规则中的输入量为衔铁组件旋转角度α和旋转角速度ω，输出量为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)占空比D，模糊控制规则表如表1所示，其中XS、S、M、L、XL分别表示很小、小、中、大、很大。

表1 模糊控制规则表

表1的模糊条件为：如果α和ω为XS则D为XL，即当衔铁组件α和ω为很小时，那么输出的D应当很大，此时线圈通入很大的脉冲电流，增大衔铁组件的合力矩，衔铁组件ω增大，从而达到快速闭合的目的，提高磁保持继电器可靠性。反之，当D很小时，减少衔铁组件在动静触头碰撞前的角速度，达到减少触头间的弹跳的目的。

2.3 动态系统仿真与分析

在Simulink中搭建主电路、机械运动模块以及模糊控制模块构成动态系统，220 V交流电源降压整流滤波后通过模糊控制施加不同D实时改变磁保持继电器线圈两端的电压，从而实现动态特性的调节。输出为衔铁组件α及ω，当输出角度到达-7°时，运动系统仿真完成。

模型中将原始系统与模糊控制系统输出进行对比仿真，α及ω仿真结果如图6和图7所示。

图6 角度对比仿真图

图7 角速度对比仿真图

图6和图7的仿真结果表明，系统经模糊控制优化后，整个合闸过程的时间控制在20 ms内，符合可靠闭合时间要求。且衔铁组件在合闸末尾时即α=-7°时，角速度明显小于原始系统角速度，这将大大减小动静触头间的弹跳，对磁保持继电器使用寿命的提高、能耗的降低及动态特性的改善具有重要作用。

3 结 语

本文通过Ansys软件对磁保持继电器的电磁机构进行建模仿真分析，得到不同电流大小和不同旋转角度时的合力矩特性曲线，分析了磁保持继电器的动态特性，建立了磁保持继电器动态数学模型。利用Matlab建立了动态系统仿真模型，并使用模糊PWM控制的方法对合闸特性进行优化分析，仿真了合闸过程中衔铁组件的运动曲线。从仿真结果可以看出：采用模糊PWM控制的方法能够有效地改善磁保持继电器动态特性，从而减少触头弹跳现象，提高磁保持继电器可靠性及使用寿命。