高压直流继电器的振动危害分析

黄 宇

（沈阳特种设备检测研究院， 辽宁 沈阳 110035）

0 引言

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， 在新能源设备以及充电配套设备、风力发电、光能发电、云盘系统服务的电源及大型的机械动力设备等高压直流的领域方面取得了越来越多的使用与发展。本文依托动力学方程，进行关于造成高压直流继电器危害性的因素进行分析研究。

1 高压直流继电器结构原理及危害分析

高压直流继电器接触器的电磁部分由线圈、动铁芯、上轭铁、孔轭铁、外壳等构成该类型继电器的其工作原理为：对线圈通电产生磁场，动铁芯磁化并受到电磁吸力向上运动，带动推动机构向上运动，在向上运动的过程中返回弹簧压缩，随着动触点与静触点的接触，动铁芯继续向上运动此时超程弹簧开始压缩， 直到动铁芯与轭铁板完全吸合，继电器完成其闭合动作。

高压直流电磁继电器的驱动线圈通电后动触点向上运动与静触点接合使主电路从断开状态切换到导通状态，动触点与静触点发生接触后发生碰撞，触点多次弹跳后才能达到稳定的接触状态，这段过程会造成触点间的磨损，在两触点表面接触和分离的时候，由于主电路的电流较大，会在触点间产生炽热电弧，腐蚀动触点和静触点的表面，使表面变得凹凸不平，影响触点间的接触，严重时还可能出现触点间的“粘连”现象使继电器失效。 另外，在继电器向上运动的过程中，由于动铁芯和轭铁板的碰撞可能使本已经稳定接触的触点表面间再次发生分离现象。

2 继电器动力学运动方程

2.1 分段线性动力学方程

由分析可知， 高压直流继电器闭合过程中动触点与静触点， 动铁芯与轭铁在拉断过程中推动杆系统与轭铁板等部件在运动过程发生碰撞， 使得继电器整个运动过程具有分断线性的特点。 同时高压直流电磁继电器的运动过程可以近似看作是沿着竖直方向上下运动， 忽略其他方向上的运动。 对继电器运动简化后可以近似将其看成一种，每个运动部件均具有单自由度，且存在相同类型间隙的碰撞冲击系统。

图1 高压直流继电器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of high voltage DC relay structure

为处理动铁芯与上轭铁间的碰撞接触， 引入等效接触刚度来描述其间的接触状态， 建立如图1 所示的高压直流电磁继电器的在电磁激励的作用下运动部件构成的分段线性碰撞弹跳的动力学模型，根据运动形式，将整个动铁芯的吸合运动过程中，等效为以下形式。

（1）当0

动铁芯受到的合力F1和动触点受到超程弹簧的推力F2，如式（2）所示：

式中：Fm—动铁芯受到的电磁力；ff—返回弹簧的预压力；fd—U 型支架和动触点间的作用力；fp2—动触点和静触点间的接触力。

动触点与静触点间的接触力fp2，如式（3）所示：

其中：kj2—两触点间的接触刚度；n—力的指数；δ—动触头和静触头之间的相对渗透深度；Cj2—等效接触阻尼系数。

（2）当yk

式中：F3—作用在动铁芯上的受迫力，可表示为：

式中：fp1—铁芯与轭铁之间的接触力，其表达式可用分段函数来表示：

式中：kj1—动铁芯和轭铁之间的等效接触刚度， 其大小与接触两物体的曲率半径以 及材料属性有关；δ—动铁芯和轭铁之间的相对渗透深度；Cj1—等效接触阻尼系数。

2.2 碰撞弹跳的运动学动力方程

考虑到动铁芯与轭铁， 动触头与静触头间具有可分合的接触特征，其碰撞接触面都为平面，因此其碰撞类型为面-面碰撞，此时其力的指数n=1。 假设接触面是方形的，其边长为2a，其平均变形可表示为：

式中：p—截面所受压力；E—材料的杨氏模量；μ—材料的泊松比。

结构碰撞的相对渗透深度等于两碰撞体的变形之和，其表达式为：

两物体间的接触力可表示为：

联立方程式（8）和（9）可得：

其中：

式中：E1、E2—发生碰撞接触的两物体的杨氏模量；μ1、μ2—发生碰撞的两物体的泊松比。

因此，结构等效接触刚度kji（i=1，2）的表达式如下：

在计算中考虑了接触阻尼对碰撞接触的影响， 等效接触阻尼系数的取值一般为接触刚度的0.1%～1%。

3 高压直流继电器触点弹跳因素分析

3.1 触点开距对接触器碰撞的影响

在高压直流继电器工作过程中，动、静触点间开距是影响继电器触点碰撞的重要因素，如图2 所示，动、静触点间由于开距的不同，会导致弹跳的现象不同。在增加触点间开距时，会导致衔铁与轭铁间碰撞时间和幅值增加，因此在后续考虑碰撞关系过程中， 应去找到合适的触点开距，已满足动静触点间碰撞最小，且满足衔铁与轭铁间碰撞也为最小。

图2 触点开距Fig.2 Contact opening

3.2 超程弹簧预压力对接触器碰撞的影响

在闭合过程中由仿真实验可知，如图3 所示，在闭合时两触点发生接触，推动杆、动铁芯、U 型支架等部分继续向上运动同时超程弹簧压缩，超程弹簧有抑制振动的作用，随着超程弹簧预压力的增加，触点弹跳时间和幅值逐渐减小。因此，在结构设计过程中应尽可能加大超程弹簧的预压力， 后续会对超程弹簧预压力施加进行相关性研究。

图3 闭合状态碰撞过程Fig.3 Closed-state collision proc

3.3 返回弹簧预压力对接触器碰撞的影响

返回弹簧预压力在断开和闭合过程中均对系统跳动存在较大影响。 返回弹簧预压力对接触器碰撞的影响也主要表现为对动静触点间及轭铁与衔铁间碰撞的影响。因此查阅相关资料发现，随着超程弹簧预压力的增大，动静触点及衔铁与轭铁间碰撞都为先增大后减小， 达到一定大小时碰撞弹跳时间与幅值达到最大。因此，在研究超程弹簧对接触器的碰撞弹跳影响过程中， 应综合考虑弹簧的弹性属性，及各件间相互作用关系，已达到动静触点及衔铁与轭铁间碰撞达到最小。

3.4 U 架与动触点接触位置的宽度与动触点长度的比例

U 架与动触点接触位置的宽度越长在跳动过程中动触点越稳定，但如果宽度过大时容易造成静触点的短路，因此应在后续研究中分析U 架与动触点接触位置的宽度与动触点长度的最优比例。

3.5 磁间隙对接触器弹跳的影响

推动杆与动铁芯间通过螺纹连接， 动铁芯与轭铁板的距离称为磁间隙如图4 所示。 磁间大小一方面影响小弹簧的预压力从而影响弹跳。 一方面磁间隙大小决定动铁芯的行程动铁芯带动推杆和动触点向上运动， 当动触点与静触点发生碰撞时，动铁芯在磁力的作用下向上加速运动，磁间隙的大小决定着动铁芯与轭铁板发生碰撞前的加速距离。通过研究可知加速距离越大动铁芯与轭铁板碰撞时的动能越大产生振动越严重。 因此在研究磁间隙对振动的影响时应综合考虑以上因素得到最佳磁间隙。

图4 磁间隙Fig.4 Magnetic gap

4 总结

本文主要对高压直流电磁继电器的结构及工作原理进行介绍，并对继电器工作过程中产生的振动危害进行分析；建立高压直流电磁继电器的分段运动的动力学方程及触点间弹跳的动力学方程，最终确定继电器触点开距、超程弹簧预压力、返回弹簧预压力、U 型支架宽度和磁间隙大小是造成继电器工作稳定性的重要因素。