一种双导向电磁结构研究与设计

2022-10-25周成龙袁宝武

机电元件 2022年5期

周成龙，袁宝武，王吉，焦阳

(1.陕西群力电工有限责任公司,陕西宝鸡,721300；(2.哈尔滨工业大学电器与电子可靠性研究所,黑龙江哈尔滨,150001)

1 简介

接触器是利用输入线圈电路内电流(电压)在电磁铁铁心与衔铁间产生一定大小和方向的电磁吸力而工作的元器件，可远距离、频繁地接通和分断交、直流电路，具备小功率输入控制大功率输出的功能。广泛应用于自动装置、大功率动力设备及电力保护等领域的电路通断控制，是自动控制系统中的重要元件之一。

本文介绍一种上下双导向电磁结构设计，保证了内部运动部件动作的灵活性及同轴度。

2 电磁结构研究与设计

2.1 电磁结构设计

1)该电磁系统采用螺线管式结构，由线圈、铁芯、轭铁、衔铁、气隙组成磁路，电磁效率高，吸力及行程大。

2)衔铁部分为机构内可运动部件，由托架、轴套、衔铁、推杆装配而成，托架选用抗热变形性能良好的热固性绝缘材料，中间及两侧平台用于装配动簧组件，各组间设计隔弧墙，防止产品工作时触点相间击穿，利于隔弧。

3)推杆设计为阶梯状，选用抗拉强度高不导磁不锈钢材料，推杆中部凸台用于固定衔铁，推杆上部加工M4螺纹，与托架内嵌M4螺母配合紧固，使运动部分形成一个整体。

图1 电磁系统剖视图

图2 衔铁部分剖视图

4)衔铁外圆面环形凹槽(让位设计)，切削深度0.2mm，切削高度8mm，使衔铁与外轭铁间隙为0.35 mm(如图5所示)，可有效减小衔铁运动摩擦对产品性能的影响。

5)电磁系统顶端设计导筒零件(材料H65)，导筒外圆装配在基座沉台，导筒内壁与衔铁T型台间隙配合，为衔铁运动提供导向作用。

图3 环形凹槽衔铁剖视图图4 导筒示意图

6)电磁系统底部小轴套内孔与推杆间隙配合(如图5所示)，也具有导向作用，使得电磁系统具备上下双导向设计，保证了衔铁、推杆等运动部分的同轴度及灵活性。

图5 产品结构剖示图

2.2 工作原理

当对线圈加电时，电磁系统内气隙处产生一定大小和方向的电磁吸力，此时衔铁受电磁吸力克服复原弹簧的反力作用，通过推杆带动动簧部分运动，使触点闭合，实现电路切换。

当线圈去激励后，随着电磁系统内的电磁力消失，衔铁在复位弹簧推力的作用下返回到初始状态，通过推杆传动触点也返回至初始状态，等待下一次工作。

2.3 电磁系统理论计算与仿真分析

2.3.1 动作线圈计算

启动线圈电阻R=5.5Ω，匝数为700匝，技术要求动作电压≤15Vd.c.，取动作电压为13Vd.c.，则动作电流=13/5.5≈2.364A，因此IW≈1654.8安匝。

2.3.2 电磁吸力

F吸=6.4(IW)2Sσ-2.10-8(Kg)

计算作用在衔铁上的电磁吸力(以13Vd.c.为例)：

F吸=6.4×(1654.8)2×2.1×(0.38)-2×10-8

=2.54(Kg)

式中：IW—安匝值(安匝)

S—工作气隙的有效截面积(cm2)

δ—工作气隙总长度(cm)

表1 启动线圈不同电压下电磁吸力

2.3.3 磁路磁通仿真分析

用FLUX软件对电磁系统中轭铁、线圈、导磁筒和衔铁四个部分，在整个磁路中的分布情况分别进行了仿真。该产品的线圈电压变化范围是0到28V，衔铁位移变化范围是0～3.8mm，设置仿真脚本的电压步长为1V，位移步长设置为0.1mm。对模型进行仿真计算，结果如图6所示。

a)磁感应强度分布云图

绘制电压、电磁吸力、位移三个变量之间的关系图，如图7所示。

图7 磁通、电磁吸力随位移的变化趋势图

从以上6个仿真结果图可以看出，随着衔铁位移的增大、线圈电压的增大，磁通和电磁吸力均逐渐增大。衔铁中的磁感应强度B值最大约为2.001T，而电工纯铁DT4E饱和磁感应强度Bs≈2.18T，仿真模拟为理想状态，实际由于各种误差及漏磁通存在，真实的磁感应强度B值略小于仿真值。因此本设计保证了在该体积下电磁力最大、磁路不饱和，通过以上分析对比说明了该产品电磁系统的设计是合理、正确的。

2.3.4 切削衔铁对磁力影响仿真分析

使用Flux软件仿真衔铁外径切削厚度与电磁吸力变化的曲线关系，如图8所示。

图8 电磁吸力与衔铁切削厚度关系图

通过Flux软件仿真分析，衔铁在切削0.2mm时，13V和28V接触器电磁吸力值下降减少，对产品整体吸反力配合影响较小。切削后的衔铁，即保证了接触器的吸合电压在设计要求范围内，又减少因衔铁摩擦对产品电寿命、机械寿命等性能的影响。

3 电磁吸力、机械反力实测

对电磁系统进行电磁吸力、机械反力测试并记录数据，与仿真结果进行对比，验证理论分析结果与实测是否一致。

3.1 电磁吸力测试

在衔铁与铁心之间分别塞入四种规格铜垫片，分别为0.98mm、2.02mm、3.01mm和3.88mm。可以测出五个位置的电磁吸力，分别为衔铁和铁芯间距离为0mm、0.98mm、2.02mm、3.01mm和3.88mm，其中0mm代表吸合位置，3.88mm代表释放位置，绘制实测电磁吸力曲线，具体测试数据如表2及表3所示。

表2 不同电压下单线圈电磁吸力测试值

表3 双线圈不同电压电磁吸力测试值

3.2 机械反力测试

反力曲线测试，利用推拉力计向下推连杆，记录推动力及位移变化。初始力即复原弹簧初压力(A)，推动连杆至辅助触点(B)的外接指示灯熄灭，完成辅助触点和复原弹簧反力共同作用下力的测试，继续推动连杆至线圈转换触点外接灯熄灭(C)，外接灯熄灭完成由内线圈到外线圈的转换，此时整体反力为复原弹簧反力、线圈转换簧片刚度和辅助触点簧片刚度，将此时测力计示数与三组主触点跟踪弹簧初压力相加，得到(D)，继续推动推拉力计至位移走完3.8mm。记录此时位移初始位置及结束位置，继续推动推拉力计至完成整体衔铁行程，记录终值即为反力曲线的终点值，测试如图9所示，绘制单双线圈吸反力匹配图，如图10所示。

图9 电磁系统反力测试步骤及测试结果

由图10可知，单线圈13V电磁吸力曲线大于反力曲线，可保证接触器在单线圈13V时动作正常，双线圈13V电磁吸力也大于反力曲线，保证了接触器单双线圈切换后可稳定保持，而3V单线圈电磁吸力小于反力曲线，可正常释放。实测数据与仿真分析一致度高达90%，说明了该产品电磁系统结构设计合理、正确，达到了设计要求。