电磁继电器吸力的分析改善

陈玉清

(厦门宏发电声股份有限公司，福建厦门，360100)

1 引言

电磁继电器广泛应用于航空、航天、船舶、家电等领域，主要完成信号传递、执行控制、系统配电等功能，是各系统中关键电子元器件之一。电磁继电器机械和电气参数是继电器的关键参数，而吸反力曲线配合情况直接影响着产品机械和电气参数。

电磁系统吸力特性进行计算一般存在两种计算方法，一种是使用“路”的方法；另一是采用“场”的方法。传统的计算通常使用阻抗网络方法对电磁系统进行计算，该方法是建立在计算工作气隙的气隙磁导基础上，即“路”的方法，该计算过程复杂，同时也不能保证计算结果的准确性。近几年来，电子计算机的应用越来越广泛，计算电子技术也在不断的发展，这极大地改变了电磁场的计算方法，电磁吸力以及电磁场的计算能够得到更加准确的解，这都依赖于数值计算方法的使用，我们称这种数值计算方法为“场”的方法，这种方法能够对磁场的连续问题进行离散化处理，用有限个节点上的计算数值去取代无限个点上的计算数值，它的本质过程就是用每一个单一的单元作用力方程去整合系统的单元，用其组成系统方程，进而求解得到系统方程解，这种方法被称为有限元分析方法[1]。

本文利用有限元分析对某型号直流电磁继电器进行仿真，绘制出吸力特性曲线来验证继电器电磁系统的设计是否合理。

2 静吸力特性与反力特性配合

在分析吸反力配合情况时，电磁继电器在衔铁在整个运动过程中，流在线圈中电流是不断变化的，因此对动态吸力特性曲线进行准确地测量就变得十分困难，甚至无法真实的与实际情况符合。静态吸力特性曲线具有检测方便的优点，且静吸力曲线和反力曲线的能否有效配合直接影响到电磁继电器的工作可靠性和工作效率，因此用静态吸力特性曲线代替电磁吸力特性曲线。

2.1 测试原理

静吸力特性与反力特性曲线采用自制的吸反力测试仪器测试。该吸反力测试仪采用千分表、力传感器和步进电机驱动系统构成。如图1所示，给线圈施加激励衔铁闭合，通过电控平台带动压力传感器以固定的步距下压衔铁，读取力传感器的值，即可得到吸力曲线[2]。在有接触系统作用下，不给线圈施加激励，通过电控平台带动压力传感器以固定的步距下压衔铁，读取力传感器的值，即可得到反力曲线。

图1 静吸力测试原理

2.2 静吸力特性与反力特性曲线

通过自制吸反力测试仪器测试出某型号电磁继电器的实际的静吸力特性与反力特性曲线，通过Minitab软件绘制配合情况见图3。通过分析某型号12V电磁继电器吸反力配合，发现在U=6.0V的激励作用下，衔铁在运动过程小气隙阶段局部出现吸力小于反力，可能会出现衔铁运动过程卡滞的现象(二次动作，简称二动)。

图2 反力测试原理

图3 某型号12V电磁继电器吸反力配合情况

3 电磁吸力特性的影响分析

根据电磁系统的电磁吸力能量公式，如(3-1)所示。

(3-1)

式中：负号表示力F是指向气隙减小的方向；

δ表示气隙大小；

Uδ表示气隙磁压降；

Λδ气隙磁导。

根据麦克斯韦电磁吸力公式，考虑在实际电磁系统中，在小气隙内磁场可认为是集中均匀分布，且漏磁导又不随气隙变化时，电磁吸力的公式可简化为

(3-2)

式中：A表示气隙处的磁极极端面面积。

电磁系统通常是在两种条件下工作：恒磁势(IN)条件(如直流并激电磁系统)和恒磁链条件(如交流并激电磁系统)。该型号电磁系统U型拍合式直流电磁系统，在恒磁势条件下，当气隙处于较大气隙行程时，磁路不饱和，可不计铁心及非工作气隙磁阻，式(3-1)可改写为

(3-3)

如不计气隙磁通的磁极边缘效应，则(3-3)又可简写为

(3-4)

可见在恒磁势条件，大气隙时，电磁系统的电磁吸力与磁极极端面面积A成正比。结合式(3-2)，小气隙是，电磁系统的电磁吸力与磁极极端面面积A成反比。因此从理论上分析磁极极端面面积越小，吸力特性越陡峭，如图4所示。

图4 不同磁极极端面面积理论的吸力特性

综上所述，磁极极端面面积太大或太小，对于直流电磁系统都是不利的，需要选择合适是磁极极端面面积。从图3某型号12V电磁继电器吸反力配合情况，小气隙时吸力曲线偏低，考虑通过优化铁心极面面积来改善。接下来利用有限元分析软件对某型号直流电磁继电器吸反力特性进行仿真分析。

4 静态吸力仿真

4.1 有限元分析软件的介绍

有限元分析广泛应用于各个工程电磁领域，它不仅可以对单个磁路机构进行仿真分析，还可以对整个系统进行联合仿真[3]。它的计算原理是根据麦克斯韦微分方程，采用有限元离散形式，将工程中的电磁场计算转变为矩阵求解，直接计算磁场强度和电流分布，再由磁场强度获得磁通密度典型的应用包括电机、变压器、接触器等[3]。

4.2 有限元软件三维磁场仿真步骤

图5 有限元软件三维磁场仿真步骤

现有铁心帽径为6mm，根据前文分析适当减小铁心极面可能改善产品二动的问题。使用有限元软件三维磁场仿真铁心帽径分别为5.0mm、5.5mm、6.0mm的吸力曲线见图6。从仿真结果分析铁心帽径5.0mm在衔铁闭合位置的吸力比帽径6.0mm大1.5N，但初始吸力下降0.2N，结合反力配合曲线可能导致产品初始吸力不足。若帽径由6mm改为5.5mm后初始端吸力差异较小，50%U与70%U的吸力末端明显增大，20%U的吸力末端增加相对前两者增加小了一半左右，这种增加趋势对于降低产品二动不良，同时又不降低释放电压理论是可行的。

图6 某产品铁心不同帽径吸反力匹配仿真

5 验证仿真结果

通过仿真分析铁心帽径由6.0mm改为5.5mm可以改善该产品二动不良，为了验证实际改善效果，特制帽径为5.5mm的进行验证。通过公司自制的吸反力测试仪测试改善前后吸反力曲线配合情况见图7，趋势与仿真结果相近。

图7 铁心不同帽径吸反力匹配实际改善情况

6 结束语

本文通过有限元仿真分析方法，快速且准确地验证继电器电磁系统设计是否合理，从而达到降低设计成本，提高设计效率的目的。工程人员还可以利用仿真结果，分析电磁系统磁感应强度的分布、漏磁大小等，为继电器的优化设计提供有效的手段。