作者特稿｜基于分断动能的小型密封电磁继电器过负载能力提升方法研究
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过负载能力是衡量小型密封电磁继电器（HSR）性能一项重要指标，本文针对传统的反力提升方法存在的弊端，提出了新的分断动能分析法，对某型号典型小型密封电磁继电器进行产品改进，针对释放过程提出了基于折返簧片设计的动能提升改进思路；使用有限元方法和动态特性模型计算验证了改进设计可提升32.3%的分断速度，改进后的小型密封电磁继电器静合触点可实现切换八倍负载，动合触点可实现八倍负载条件下稳定一百次开断。
小型密封电磁继电器（HSR）广泛应用于航空、航天、通讯等领域，起到信号传输、回路切换等关键作用。由于新的应用环境下电路中存在的潜在波动，切换的稳定性成为了该类型继电器性能上突出的要求，而过负载能力是衡量继电器切换稳定性的一项重要技术指标。
以某型号四组转换触点二分之一晶体罩密封电磁继电器为典型研究对象，针对过负载实际工况，设计并建立基于GJB65B的试验系统，通过过负载试验过程中的电弧观测，分析和比较不同分断速度下继电器分断电弧的能力，在此基础上提出基于分断动能思想的继电器抗过负载设计思想，研究基于该方法的新簧片结构设计，从而提升继电器分断动能进而提升小型密封电磁继电器的过负载能力，完成对继电器的优化。
1 密封电磁继电器过负载能力试验研究
依据试验设计方案，对过负载试验中所使用的试验测试系统进行搭建，对典型小型密封电磁继电器分别进行二倍、四倍、六倍过负载下的最高一百次动作试验，产品在这些试验条件下均可以进行至少一次的极限通断，但在八倍过负载下几乎无法动作即失效。失效模式为粘接失效，即动簧片和动合静簧片粘接在一起。为此研究八倍过负载下的燃弧现象，并根据试验结果研究提升继电器过负载能力的改进方法。
该继电器触簧系统基本结构如图1所示。根据试验结果，可分析出：分断速度对于继电器接触系统提升过负载能力是有着很重要的作用的。由于提高静合触点分断时的分断动能需要对整个电磁系统进行优化，涉及因素较多，因此，本文选择以动合触点为对象进行优化，验证分断动能思想。
图1 触簧系统基本结构
2 继电器触簧系统改进设计方法研究
提高继电器的分断速度是提高继电器过负载能力的一个有效方法，提升分断瞬间速度可达到抑制电弧，减少电弧烧蚀的目的。
继电器常闭端可以采用增加空程、提升电磁系统初段吸力的方式来提升分断速度；而常开端的提升则通常采用提升反力的改进方法，提高分断过程簧片速度，这一方法会带来有限空间内电磁系统吸力相应提升、产品一致性降低等问题：
2.1 分断动能提升分析方法
从簧片运动的能量角度进行分析，对分断过程进行能量累积过程分析，如图2所示。
图2 小型密封电磁继电器吸反力配合及分断动能
在常开触点分断过程中，动簧片速度的能量来源是分断时的动能Jbreak，这一动能并非只与末端的吸力有关，实际上取决于一个累加过程。对触簧系统来说，从线圈去激励开始，记时间为t1，因为触点超行程和复簧反力的存在，动簧片开始返回运动，并在超程段由动合静簧片不断累加反力直至分开，时间记为t2，在此短时间历程中，动合簧片组所累计的能量即为对分断速度有帮助的动能，简称为分断动能。分断动能是从能量角度驱动动簧片的原因，因此提升分断动能即可提升簧片分离瞬间的分断速度。
其对应图2中曲线的阴影部分的面积，提升分断动能即增加电磁线圈在去电后中接触系统中动簧片从D到E的分断过程中，反力与吸力曲线在超程段积分的差值，能量的增加将带来提升分断速度的效果。而实现这一途径的触簧系统改进设计，可以通过综合提高超程与力值，甚至不提高反力等多种更为灵活的方式来实现。
2.2 基于分断动能法的触簧系统改进设计
在整体结构不进行较大更改的情况，传统改进方式对分断动能的提升非常有限。为了进一步提高分断动能，考虑采用一种折返式结构簧片作为接触系统的动合静触点来提高继电器的过负载能力。该动合静簧片结构如图3所示：
图3 动合静簧片改进设计
该结构相比于原有的簧片设计，可以在保证继电器吸合状态反力不变的基础上，增大簧片超程，提高释放过程中的反力，从而增加触点所积累的分断动能，减小分断过程的燃弧时间，进而综合提高继电器的过负载能力。
3 分断动能改进设计虚拟样机仿真验证
3.1 继电器静态特性虚拟样机模型仿真验证
为了验证基于分断动能方法的继电器改进设计的有效性，建立密封电磁继电器虚拟样机模型对该改进设计进行验证计算。
由仿真结果可以分析出，改进设计方案动合静簧片刚度相比于改进前的刚度1.2047N/m略有下降，但下降幅度较小，超程增加，预计实际分断速度将得到提升。可由计算刚度得到反力曲线，与仿真所得的电磁吸力曲线进行配合比较，如图4所示。
图4 仿真电磁吸反力配合曲线
从上图中可以看出，在吸反力配合中，反力曲线终端值较原设计略有下降，吸合电压由于复原弹簧的存在，预计将维持在原有水平，但触点超行程的增加使得释放过程中的反力变大，预计可以提升分断速度。
3.2 继电器动态特性虚拟样机模型仿真验证
在静态特性验证的基础上，建立电磁继电器动态特性仿真模型，通过完整的整机动态特性分析，验证基于分断动能设计法的改进设计的有效性。
通过模型计算结果Matlab辅助数据分析，导出结果如图6-8所示，其中包括继电器的动簧片位移随时间变化曲线、动簧片速度随时间变化曲线、动合静簧片速度随时间变化曲线等。
图6 动簧片位移-时间曲线
图7 动簧片速度-时间曲线
图8 动合静簧片速度-时间曲线
其中从图中分析，基于分断动能法设计思想的改进动合静簧片的最大分断速度可达963.5mm/s，较原结构动合静簧片分断速度728.5mm/s，增加了32.26%，分断速度得到了较大提升，分断动能提升了1.19×10-3J，增加了74.92%。
4 样机制作与试验验证
根据改进设计方案，试制小型密封继电器产品样机，使用与文中前述相同的试验系统进行过负载试验。在八倍负载条件即16A阻性负载，触簧系统动作次数均达到一百次。其中典型燃弧波形如图9所示。
图9 改进设计继电器典型燃弧电压波形
从图中可以分析，基于分断动能设计法改进设计的小型密封电磁继电器，燃弧时间较原设计继电器燃弧时间均出现增长的趋势，且随着试验次数的增加，燃弧时间也在逐渐增长。实验过程中，参加试验的改进设计继电器，动作次数均达到一百次，对比原结构产品，过负载能力得到明显提升。
1)建立了过负载试验系统，对现有典型小型密封电磁继电器过负载能力进行研究，分析得出分断速度在应对过负载能力中起到了关键的作用。
2) 提出了基于分断动能的继电器分断速度提升设计方法，建立了基本的分断动能模型，在此基础上建立了继电器动态特性计算模型，并分析了方程求解过程中的关键计算方法。
3) 依据分断动能法，设计了新结构的动合静簧片来提升继电器分断动能进而提升小型密封电磁继电器释放端的过负载能力，使用有限元方法和动态特性模型计算验证了改进设计可提升32.26%的分断速度，改进后的小型密封电磁继电器静合触点能够切换八倍过负载，动合触点能够在八倍过负载条件下稳定完成一百次开断。
李博, 由佳欣, 熊方圆, 谭旭, 梁慧敏. 基于分断动能的小型密封电磁继电器过负载能力提升方法[J]. 电工技术学报, 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.
（1）李博
博士研究生，哈尔滨工业大学电器与电子可靠性研究所；IEEE 学生会员。
科研方向：等离子体调控技术
（2）由佳欣
博士，副教授，硕导；哈尔滨工业大学电器与电子可靠性研究所；IEC TC94 Expert（国际电工委员会IEC 有或无继电器标准分委会中方专家），全国电气继电器标准化技术委员会（SAC/TC217）委员；IEEE Member，IEEE 磁学分委会 Member。
科研方向：航天电器可靠性优化设计方法、永磁体计算方法、励磁系统热稳定性分析方法。
主持国家自然科学基金、装备发展部预先研究项目、国家博士后基金、企业横向项目等，参研国家自然科学基金，装发预研重点项目，国防科工委体系项目，横向科研等项目十余项。
（3）谭旭
硕士，陕西群力电工有限责任公司，工程师，组长
科研方向：密封电磁继电器可靠性、继电器工序能力提升技术研究