双线圈绕组的航空接触器动作特性分析

2023-10-23郝世勇战祥新张元峰于春风孟欣

环境技术 2023年8期

郝世勇，战祥新，张元峰，于春风，孟欣

（海军航空大学青岛校区，青岛 266041）

引言

航空接触器作为飞机供配电系统的电磁控制开关，广泛应用于一次配电装置、二次配电装置、控制盒等控制装置中完成电路的切换、自动控制、保护等功能[1]。航空接触器的动作主要由内部的电磁机构决定，因此其动作特性参数（包括吸合时间、释放时间、触点回跳时间、接触电阻等）直接影响着供配电回路的工作状态与可靠性[2,3]。随着全电飞机、多电飞机系统的不断发展，飞机供配电系统对接触器的外形尺寸、重量、电寿命、抗振性和可靠性要求越来越高，这些优化目标的实现均与接触器的动作特性息息相关[4,5]。

航空接触器动作特性调控目标可分为吸合时间、释放时间的调控，回跳时间的调控，吸合电压、释放电压的调控等。动作特性的调控方法一方面体现在电磁机构型式、尺寸参数和铁磁材料的设计，另一方面体现在线圈电路拓扑结构、线圈驱动方式的设计。双线圈绕组结构普遍存在于我国航空接触器产品中，具有起动电磁驱动力大，保持闭合状态下线圈功耗小的优点。

为了更好地理解具有双线圈绕组的航空接触器产品特点，从而更好地指导航空接触器及控制盒的运维工作，本文首先介绍了双线圈绕组的设计原理，进而通过实验测试了某接触器的吸合过程和释放过程的动作特性曲线，最后分析了线圈电压对其动作特性参数的影响。

1 双线圈绕组的设计原理

常规接触器的电磁机构吸力与反力配合关系如图1中曲线1和2所示，这种情况下可造成触头闭合过程中产生机械弹跳，严重时可导致触头熔焊粘接失效现象的发生。

图1 接触器电磁机构的吸力与反力配合

为改善吸力和反力间的配合关系，人们设想了一种图1中曲线3的理想吸力曲线。衔铁触动后，吸力迅速增大使衔铁加速运动，而当衔铁积累一定动能后使吸力小于反力，衔铁积累的动能又转变为克服反力所需的功，在吸合终了位置时吸力再次上升大于反力，达到稳定吸持的作用。

双线圈绕组结构是一种典型的适用于航空接触器电磁机构吸力特性的方法。双线圈绕组其一为起动绕组Wqd，也称加速绕组；其二为保持绕组Wbc，如图2（a）所示。起动绕组的导线直径较大，但匝数很少，绕组所占的截面积也较小，一般只占整个线圈窗口面积的1/3～1/4，而保持绕组的导线直径较细，但匝数较多，绕组所占的窗口面积较大，接线如图2（b）所示，Wqd和Wbc为串联联接，但保持绕组被一对辅助触头K所短路。在衔铁处于打开位置时。K是闭合的，而当衔铁运动到某一位置时，通过与衔铁联动的推杆将K打开。

图2 双绕组电磁铁

起动时，K是闭合的，电压全部加在起动绕组，电流和磁势较大。且起动绕组的尺寸小使得电时间常数较小，因此，电流增长速度快，使衔铁加速吸合。由于起动时间短，故绕组发热不严重。当衔铁运动接近至闭合位置时，辅助开关K打开，使保持绕组串入电路中。由于保持绕组的电阻较大，线圈电流显著减小可达到减速的效果。

2 实验测试电路

测试电路如图3所示，被测件为螺管式电磁接触器，接触器主触点为一组常开触点，动触点为桥式结构。触点测试回路电源电压为6 V、串入负载电阻R1（阻值为60 Ω），从而触点吸合后回路中理论上将产生100 mA电流。将公共端子连接至测试回路的正极，两个静触点均连接至测试回路的负极。接触器线圈两端施加直流激励电压，线圈回路中串入一只低温漂采样电阻R2（阻值为0.5 Ω）。外接放大电路采集R2两端的电压降，经过换算可以得到回路的线圈电流，测量分辨率1 mA；同时，使用放大电路同步采集接触器公共端子和静触点之间的电压值，测量分辨率10 mV。上述数据信号通过数据采集卡采集并传输给上位计算机，采样频率250 kHz，采样精度16位。上位机采用LabVIEW软件编写实验数据处理和显示程序。

图3 实验电路原理框图

3 实验数据分析

图4所示为接触器吸合过程的线圈电流与触点电压波形图。如图所示，对于线圈电压为DC28V条件，11 ms时刻线圈上电，线圈电流迅速上升至1.7 A，在41 ms时达到最大值3.25 A。随着动铁心的运动线圈电流开始下降，在49 ms触点首次闭合，并产生回跳，回跳时间为0.87 ms。50 ms时，线圈辅助触头打开，使得起动绕组和保持绕组串联在一起，线圈电流迅速下降，并在100 ms时稳定在0.41 A，触点为稳定闭合状态。接触器完整的吸合时间为38.71 ms。

图4 吸合过程

对于线圈电压为DC18V条件，线圈在11 ms时刻线圈上电后电流迅速上升至1 A，然后上升速度减缓，在61 ms时达到最大值2.24 A。随着动铁心的运动线圈电流下降，但在76 ms时触点首次闭合，无明显回跳现象。随后线圈电流继续保持小幅增加，并在90 ms时线圈辅助触头打开，线圈电流下降至0.22 A，触点稳定闭合。此时的接触器吸合时间为65.55 ms。可见，线圈电压的减小造成了电磁吸力的降低，从而导致吸合时间延长了69 %，但同时也消除了触点的弹跳现象。

图5为接触器释放过程的线圈电流与触点电压波形图。如图5所示，对于线圈电压为DC28V条件，在11 ms处，线圈断电，线圈电流按指数规律下降至0，在43 ms处，线圈辅助触头闭合，产生一个电流尖峰，在45 ms处，触点完成分断。由此可得，接触器得释放时间为31.89 ms。对于线圈电压为DC18V条件的释放过程，其释放时间缩减为25.16 ms。这可以理解为线圈激励电压的减小使得铁磁材料的剩余磁感应强度降低，由此造成的退磁时间也将相应明显减小。

图5 释放过程

图6所示为不同线圈激励电压对接触器吸合时间、释放时间和回跳时间的影响。线圈电压由16 V增大至36 V，吸合时间单调地从80.98 ms减小到39.25 ms，释放时间单调地从23.75 ms增加到41.27 ms。同时，当线圈电压不大于24 V时，无回跳现象发生，而当线圈电压从26 V增加到36 V，回跳时间也从0.78 ms增加到1.08 ms。

图6 线圈激励电压对动作时间的影响

综上所述，从线圈电流变化特征角度看，双线圈结构航空接触器的动作过程存在两个明显的阶段，即起动阶段和保持阶段，起动阶段电流大，且激励电压越大，起动阶段的线圈最大电流也越大，可使吸合时间明显减小，但也使释放时间延长显著，且回跳时间也明显增加，因此吸合过程和释放过程之间关于时间的矛盾需要综合考虑。保持阶段线圈电流小，有益于降低线圈功耗，激励电压越小，也可使线圈功耗进一步减小。