從簧片運動的能量角度進(jìn)行分析，對分?jǐn)噙^程進(jìn)行能量累積過程分析，如圖2所示。

圖2 小型密封電磁繼電器吸反力配合及分?jǐn)鄤幽?/p>

在常開觸點分?jǐn)噙^程中，動簧片速度的能量來源是分?jǐn)鄷r的動能Jbreak，這一動能并非只與末端的吸力有關(guān)，實際上取決于一個累加過程。對觸簧系統(tǒng)來說，從線圈去激勵開始，記時間為t1，因為觸點超行程和復(fù)簧反力的存在，動簧片開始返回運動，并在超程段由動合靜簧片不斷累加反力直至分開，時間記為t2，在此短時間歷程中，動合簧片組所累計的能量即為對分?jǐn)嗨俣扔袔椭膭幽埽喎Q為分?jǐn)鄤幽堋７謹(jǐn)鄤幽苁菑哪芰拷嵌闰?qū)動動簧片的原因，因此提升分?jǐn)鄤幽芗纯商嵘善蛛x瞬間的分?jǐn)嗨俣取?/p>

其對應(yīng)圖2中曲線的陰影部分的面積，提升分?jǐn)鄤幽芗丛黾与姶啪€圈在去電后中接觸系統(tǒng)中動簧片從D到E的分?jǐn)噙^程中，反力與吸力曲線在超程段積分的差值，能量的增加將帶來提升分?jǐn)嗨俣鹊男Ч６鴮崿F(xiàn)這一途徑的觸簧系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計，可以通過綜合提高超程與力值，甚至不提高反力等多種更為靈活的方式來實現(xiàn)。

2.2 基于分?jǐn)鄤幽芊ǖ挠|簧系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計

在整體結(jié)構(gòu)不進(jìn)行較大更改的情況，傳統(tǒng)改進(jìn)方式對分?jǐn)鄤幽艿奶嵘浅Ｓ邢蕖榱诉M(jìn)一步提高分?jǐn)鄤幽埽紤]采用一種折返式結(jié)構(gòu)簧片作為接觸系統(tǒng)的動合靜觸點來提高繼電器的過負(fù)載能力。該動合靜簧片結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 動合靜簧片改進(jìn)設(shè)計

該結(jié)構(gòu)相比于原有的簧片設(shè)計，可以在保證繼電器吸合狀態(tài)反力不變的基礎(chǔ)上，增大簧片超程，提高釋放過程中的反力，從而增加觸點所積累的分?jǐn)鄤幽埽瑴p小分?jǐn)噙^程的燃弧時間，進(jìn)而綜合提高繼電器的過負(fù)載能力。

3 分?jǐn)鄤幽芨倪M(jìn)設(shè)計虛擬樣機(jī)仿真驗證

3.1 繼電器靜態(tài)特性虛擬樣機(jī)模型仿真驗證

為了驗證基于分?jǐn)鄤幽芊椒ǖ睦^電器改進(jìn)設(shè)計的有效性，建立密封電磁繼電器虛擬樣機(jī)模型對該改進(jìn)設(shè)計進(jìn)行驗證計算。

由仿真結(jié)果可以分析出，改進(jìn)設(shè)計方案動合靜簧片剛度相比于改進(jìn)前的剛度1.2047N/m略有下降，但下降幅度較小，超程增加，預(yù)計實際分?jǐn)嗨俣葘⒌玫教嵘？捎捎嬎銊偠鹊玫椒戳η€，與仿真所得的電磁吸力曲線進(jìn)行配合比較，如圖4所示。

圖4 仿真電磁吸反力配合曲線

從上圖中可以看出，在吸反力配合中，反力曲線終端值較原設(shè)計略有下降，吸合電壓由于復(fù)原彈簧的存在，預(yù)計將維持在原有水平，但觸點超行程的增加使得釋放過程中的反力變大，預(yù)計可以提升分?jǐn)嗨俣取?/p>

3.2 繼電器動態(tài)特性虛擬樣機(jī)模型仿真驗證

在靜態(tài)特性驗證的基礎(chǔ)上，建立電磁繼電器動態(tài)特性仿真模型，通過完整的整機(jī)動態(tài)特性分析，驗證基于分?jǐn)鄤幽茉O(shè)計法的改進(jìn)設(shè)計的有效性。

通過模型計算結(jié)果Matlab輔助數(shù)據(jù)分析，導(dǎo)出結(jié)果如圖6-8所示，其中包括繼電器的動簧片位移隨時間變化曲線、動簧片速度隨時間變化曲線、動合靜簧片速度隨時間變化曲線等。

圖6 動簧片位移-時間曲線

圖7 動簧片速度-時間曲線

圖8 動合靜簧片速度-時間曲線

其中從圖中分析，基于分?jǐn)鄤幽芊ㄔO(shè)計思想的改進(jìn)動合靜簧片的最大分?jǐn)嗨俣瓤蛇_(dá)963.5mm/s，較原結(jié)構(gòu)動合靜簧片分?jǐn)嗨俣?28.5mm/s，增加了32.26%，分?jǐn)嗨俣鹊玫搅溯^大提升，分?jǐn)鄤幽芴嵘?.19×10-3J，增加了74.92%。

4 樣機(jī)制作與試驗驗證

根據(jù)改進(jìn)設(shè)計方案，試制小型密封繼電器產(chǎn)品樣機(jī)，使用與文中前述相同的試驗系統(tǒng)進(jìn)行過負(fù)載試驗。在八倍負(fù)載條件即16A阻性負(fù)載，觸簧系統(tǒng)動作次數(shù)均達(dá)到一百次。其中典型燃弧波形如圖9所示。

圖9 改進(jìn)設(shè)計繼電器典型燃弧電壓波形

從圖中可以分析，基于分?jǐn)鄤幽茉O(shè)計法改進(jìn)設(shè)計的小型密封電磁繼電器，燃弧時間較原設(shè)計繼電器燃弧時間均出現(xiàn)增長的趨勢，且隨著試驗次數(shù)的增加，燃弧時間也在逐漸增長。實驗過程中，參加試驗的改進(jìn)設(shè)計繼電器，動作次數(shù)均達(dá)到一百次，對比原結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，過負(fù)載能力得到明顯提升。

結(jié)論

1)建立了過負(fù)載試驗系統(tǒng)，對現(xiàn)有典型小型密封電磁繼電器過負(fù)載能力進(jìn)行研究，分析得出分?jǐn)嗨俣仍趹?yīng)對過負(fù)載能力中起到了關(guān)鍵的作用。

2) 提出了基于分?jǐn)鄤幽艿睦^電器分?jǐn)嗨俣忍嵘O(shè)計方法，建立了基本的分?jǐn)鄤幽苣Ｐ停诖嘶A(chǔ)上建立了繼電器動態(tài)特性計算模型，并分析了方程求解過程中的關(guān)鍵計算方法。

3) 依據(jù)分?jǐn)鄤幽芊ǎO(shè)計了新結(jié)構(gòu)的動合靜簧片來提升繼電器分?jǐn)鄤幽苓M(jìn)而提升小型密封電磁繼電器釋放端的過負(fù)載能力，使用有限元方法和動態(tài)特性模型計算驗證了改進(jìn)設(shè)計可提升32.26%的分?jǐn)嗨俣龋倪M(jìn)后的小型密封電磁繼電器靜合觸點能夠切換八倍過負(fù)載，動合觸點能夠在八倍過負(fù)載條件下穩(wěn)定完成一百次開斷。

引用本文

李博, 由佳欣, 熊方圓, 譚旭, 梁慧敏. 基于分?jǐn)鄤幽艿男⌒兔芊怆姶爬^電器過負(fù)載能力提升方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2019, 34(13): 2760-2770. Li Bo, You Jiaxin, Xiong Fangyuan, Tan Xu, Liang Huimin. An Overload Capacity Improvement Method Based on Break Kinetic Energy For a Type of Hermetically Sealed Relay. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(13): 2760-2770.

團(tuán)隊介紹

（1）李博

• 博士研究生，哈爾濱工業(yè)大學(xué)電器與電子可靠性研究所；IEEE 學(xué)生會員。
• 科研方向：等離子體調(diào)控技術(shù)

（2）由佳欣

• 博士，副教授，碩導(dǎo)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)電器與電子可靠性研究所；IEC TC94 Expert（國際電工委員會IEC 有或無繼電器標(biāo)準(zhǔn)分委會中方專家），全國電氣繼電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC217）委員；IEEE Member，IEEE 磁學(xué)分委會 Member。
• 科研方向：航天電器可靠性優(yōu)化設(shè)計方法、永磁體計算方法、勵磁系統(tǒng)熱穩(wěn)定性分析方法。
• 主持國家自然科學(xué)基金、裝備發(fā)展部預(yù)先研究項目、國家博士后基金、企業(yè)橫向項目等，參研國家自然科學(xué)基金，裝發(fā)預(yù)研重點項目，國防科工委體系項目，橫向科研等項目十余項。

（3）譚旭

• 碩士，陜西群力電工有限責(zé)任公司，工程師，組長
• 科研方向：密封電磁繼電器可靠性、繼電器工序能力提升技術(shù)研究