（电机与电器专业论文）永磁接触器的可靠性研究.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t p e r m a n e n tm a g n e tc o n t a c t o ri san e ws t y l ec o n t a g t o rd e r i v e df r o mt r a d i t i o n a lc o n t a c t o r rp i c k st h e p r i n c i p l eo fe l e c t r o m a g n e t i ca c t u a t i o na n dp e r m a n e n th o l d t h u si to v e r c o m e st h ew e a k n e s so ft r a d i t i o n a l c o n t a c t o r , s u c ha sl a r g ep o w e rc o n s u m p t i o n , l a r g en o i s e ，b e i n ge a s i l ya f f e c t e db yv o l t a g eo fe l e c t r i c n e t w o r ka n ds oo n h o w e v e r , t h ep e r f o r m a n c eo fp e r m a n e n tm a g n e ti sa f f e c t e db ya m b i e n tt e m p e r a t u r e t h ep e r f o r m a n c ed e c r e a s e si ft h et e m p e r a t u r er i s e s ，w h i c hf i n a l l yi n f l u e n c e st h ep e r f o r m a n c eo fp e r m a n e n t m a g n e tc o n t a c t o r t h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fp e r m a n e n tm a g n e tc o n t a c t o ra r ed e s c r i b e di nt h i sp a p e r t h e r e l i a b i l i t yt h e o r ya n dt h ep r i n c i p l eo ft e s tm e t h o da r ei n t r o d u c e d t h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h er e l i a b i l i t y o ft h ec o n t a c t o r , e s p e c i a l l yt h ee n v i r o n m e n tf a c t o r s ，a 咒a n a l y z e df r o mt h er e l i a b i l i t yp o i n to fd e p a r t u r e a m o n g a l lt h ee n v i r o n m e n tf a c t o r s ，t e m p e r a t u r e , v i b r a t i o n , m o i s t u r ea n de l e c t r o m a g n e t i s ma r ek e yf a c t o r s t h a lc o n t r i b u t et ot h er e l i a b i l i t yo ft h ec o n t a c t o r t h e r e f o r e ，t e s tm e t h o d so nt h e s ek e yf a c t o r s ，w h i c ha r c s u i t a b l et ob ec a r r i e do u ti nt h el a b o r a t o r y , a r ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h en a t i o n a ls t a n d a r d s f i n a l l y , t h e m a t h e m a t i ca n ds i m u l a t i v em o d e l sa 地e s t a b l i s h e do na c c o u n to ft h et e m p e r a t u r ea n dp e r m a n e n tm a g n e t p e r f o r m a n c e t h es i m u l a t i v em o d e li se s t a b l i s h e dw i 协a n s y sa n dm a t l a b t h ep e r f o r m a n c eo fc o n t a c t o r u n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ei ss i m u l a t e d t h et e m p e r a t u r ei n f l u e n c eo np e r f o r m a n c eo fc o n t a c t o ri s a n a l y z e da c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t t h es t a t i cp e r m a n e n tm a g n e tf o r c e ，豳w e l l 鹬t h eo p e n i n ga n d c l o s i n gp e r f o r m a n c ec w v e su n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e i sd e r i v e dt h r o u g hs i m u l a t i o n t h e c l o s i n g p e r f o r m a n c eu n d e rf l u c t u a n tp o w e rs u p p l ys o u r c ea n dd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ei sa l s os i m u l a t e d n ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n t a c t o ru n d e rn o r m a lt e m p e r a t u r ei st e s t e db ye x p e r i m e n t s ，a n dt h et e s t r e s u l ti sc l o s et ot h es i m u l a t i v er e s u l t , w h i c h p r o v e st h ev a l i d i t yo fs i m u l a t i v em o d e la n dp r o v i d e s f u n d a m e n t a lb a s i sf o rm a k i n gf u r t h e rp r o g r e s si np e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t yo fp e r m a n e n tm a g n e t c o n t a c t o r k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e t , c o n t a c t o r , r e l i a b i l i t y , t e s tm e t h o d sd e s i g n ，s i m u l a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：落盔鏖 e l期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名： 荔鑫宝导师签名 研究生签名： 蜂悉整导师签名 日期： 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 1 1 1 可靠性技术的发展历史 第一章绪论 在近代科学技术突飞猛进的发展过程中，可靠性技术随着生产和科学技术的发展而产生，同时 在不断地应用可靠性技术解决实际问题的过程中，也促进了生产和科学技术的发展。产品可靠性是 指产品在规定的条件下及规定的时间内完成规定功能的能力，而可靠性技术就是指与产品可靠性有 关的工程方法l l l 。可靠性技术已有几十年的历史。 第二次世界大战中，电子设备大量用于军用装置，经常发现各类电子设备不能有效地投入使用。 在二十世纪5 0 年代初期的一次战争中，这个问题暴露得更为明显，美国的雷达设备经常不能正常工 作而处于待修状态。由于电子设备可靠性不高而使维修费用很高，这就促使美国开始重视可靠性问 题，并着手进行调查、研究及试验工作，从而开始进行电子设备领域内的可靠性研究工作早期的 研究重点是在电子管方面，在确定电子管的性能时，不仅重视其电气性能，而且也重视其耐振及耐 冲击等环境适应性。 二十世纪5 0 6 0 年代是可靠性技术飞速发展的1 0 年。美国国防部成立了各种可靠性研究组织， 例如，1 9 5 0 年成立了a d h o c 可靠性小组，1 9 5 2 年成立了a g r e e ( 电子设备可靠性顾问组) 等。二 十世纪7 0 年代，美国在可靠性研究方面逐渐深入到机械、电工、电力、化工等领域。此外，日、英、 法、德、前苏联等国家也积极开展了可靠性研究工作，至今也已取得很大的成效。 1 1 2 国外电器可靠性工作概况 电器设备可靠性研究及应用已成为国外电器生产及研究部门的一项重要工作。目前，国外有些 电器产品已规定了可靠性指标，有些电器产品虽还未明确规定可靠性指标，但在工厂内部大多已在 开展产品的可靠性工作，并把产品可靠性的高低作为企业间竞争的重要手段。 在电器产品可靠性标准制定方面，国外第一个有可靠性要求的电器产品标准是1 9 6 4 年发布的美 国军用标准m i l r - 3 9 0 1 6 有可靠性指标的电磁继电器总规范；日本于1 9 8 0 年发布了日本工业标 准j l sc5 4 4 0 有可靠性要求的控制用小型继电器通则，并在1 9 8 1 年发布的j i sc4 5 3 0 拍合式电 磁继电器与1 9 8 2 年发布的j i sc4 5 3 l 接触器继电器中都规定了失效率试验的方法。i e c 原t c 4 1 在所制定的i e c 2 5 5 - 0 - 2 0 电气继电器的触点性能、i e c 2 5 5 1 0 电子元件质量评价系统在有或无继 电器上的应用及i e c 2 5 5 1 9 机电式有或无继电器的质量评价等标准中也有关于可靠性的内容。 德国在v d e 0 6 6 0 低压开关电器规范中规定了产品机械寿命和电寿命的额定值取占全部接触器9 0 的接触器所能达到的极限通断次数，该规定实际上是用可靠度为0 9 的可靠寿命来考核接触器的 机械寿命和电寿命。法国标准n f c6 3 1 0 0 工业用低压控制设备接触器中规定，对成批生产 的电器，特别是约定发热电流小于或等于4 0 a 的电器，机械寿命是在有代表性的样机上以重复的方 东南火学硕：t ：学位论文 式进行试验的，制造厂在统计了试验结果后给出产品的机械寿命。这实际上也是用可靠性的概念来 确定接触器的机械寿命1j 【2 l 。 在可靠性试验与可靠性试验装置的研制方面，美国、日本在电器的可靠性寿命试验中已普遍采 用电子计算机进行控制与检测，能同时测量多项参数，并显示及打印试验结果等。 在可靠性设计方面，美国、日本等国都十分重视产品的可靠性设计。例如，美国、日本、德国 等国的各人电器公司都设计并开发了智能型断路器，大大提高了供电可靠性。高级的智能化断路器 不仅可以远距离地把信号传输给控制室的计算机，还可以接收来自计算机的指令，实现系统的自动 化与双向通信p l 。 1 1 3国内电器可靠性工作概况 我国原机械上业部也很重视电器可靠性工作，二十t h = 纪8 0 年代中期，小容量交流接触器可靠性 研究被列为机械工业部重点项目，由归口的研究所、高校和企业合作开展了相关的理论和试验研究 工作，包括分析失效机理、研制可靠性试验装置、提出可靠性指标及考核方法、指导生产厂改进产 品设计和制造工艺1 4 1 。1 9 8 6 年，还以( 8 6 ) 机技函字1 7 0 1 号文件发布了“关于加强机电产品可靠性 工作的通知”，之后还部署开展了“限期考核机电产品可靠性指标”的工作，完成了包括小部分交流 接触器在内的几十种规格电器产品的可靠性考核。在可靠性试验和考核标准方面，制定了g b t 1 5 5 1 0 控制用电磁继电器可靠性试验通则及g b l 0 9 6 2 机床电器可靠性通则，还制定了j b d q 4 5 8 0 小容量交流接触器可靠性指标及考核方法、z b n k 3 0 0 0 1 机床电器运行可靠性要求和试验方法 等行业标准。2 0 0 3 年，随电工专业部内部标准的废除，j b d q 4 5 8 0 小容量交流接触器可靠性指标 及考核方法也退出了历史舞台。2 0 0 5 年，中国机械行业标准j b 厂r1 0 5 2 2 小容量交流接触器可靠 性试验方法颁布。该标准中规定按照最大失效率划分6 个失效率等级，并以此为可靠性指标，给 出包括抽样方案、试验条件和试验程序在内的试验方法，并推荐采用专用的微机控制可靠性试验装 置f 5 】。 我国在电器可靠性研究方面虽然取得了一定进展，但由于我国电器产品的可靠性研究工作起步 较晚，至今仅对继电器、接触器、小型断路器、漏电保护电器等部分电器产品进行了可靠性试验与 考核工作睁b j ，不少主要电器产品还未开展可靠性研究与考核，在电器新产品开发时还未开展可靠性 设计与可靠性制造，特别是我国电器制造企业中，对电器产品可靠性工作还不够重视，一般还未设 置专门的可靠性管理机构，可靠性工作还未认真开展。我国电器产品的可靠性水平普遍低于国外发 达国家电器产品的可靠性水平。 1 1 4 永磁机构技术国内外发展及现状 永磁体在开关上的应用并不新鲜，它很早就在开关的脱扣器中得到了应用。二十世纪6 0 年代中 期国外就有人试l 訇发展永磁机构，由于当时还没有合适的永磁材料，并没有制造出具有商业价值的 永磁机构。二十世纪8 0 年代出现了钕铁硼稀土永磁材料。钕铁硼永磁材料具有极高的磁能积、很高 的矫顽力和剩磁。稀土永磁材料的出现为永磁机构的发展创造了必要条件。 永磁材料在低压开关上的应用早有研究和探索【1 4 1 1 1 5 l 。在中压开关领域，国外永磁机构技术的研 究开始于二十世纪8 0 年代末，欧洲以英国和德国为代表。1 9 8 9 年英国曼彻斯特大学( t h eu n i v e r s i t yo f 2 第一章绪论 m a n c h e s t e r ) 系统与能量组为g e c 公司设计了一台永磁机构模型。1 9 9 2 年前后，永磁机构技术开始 在英国工业应用。1 9 9 5 年英国的w h i p p & b o u r n e 公司进一步改进了结构1 9 9 7 年a b bc a l o re m a g 开关设备公司在德刊上介绍了它们最新研制的v m i 型配永磁机构的真空断路器，接着于1 9 9 8 年在 汉诺威博览会上展出了样品，引起了各制造公司的极大重视。a b b 公司的v m l 所配的永磁机构是 一种双稳态双线圈结构，采用电容器作为充放电元件，可以实现重合闸操作。 采用同样工作原理，由英国i p e c 公司开发制造的用于中压开关装置的电磁驱动器也于几年前 推向市场。该产品为系列化产品，保持力的范围为1 0 0 0 - 1 0 0 0 0 n 与a b b 公司产品不同之处在于， 该公司将永久磁铁由静铁心移到动铁心上，且操作时所需的电能大为降低。继a b b 公司之后，国外 其他一些开关制造企业也纷纷向市场推出了类似的产品。例如法国a l s t h o mt & de i bs a 公司推出 的基于永磁机构的同步中压断路器。 继a b b 公司研制开发出永磁机构真空断路器以后，国内很快开发出了具有自主版权的v s m 型 永磁机构真空断路器。该断路器具有零部件少、结构简单、可靠性高、寿命长( 机械寿命达1 0 万次) 、 免维护等特点。外绝缘采用固体绝缘，利用环氧树脂固封技术将真空灭弧室、主导电回路、绝缘支 撑等有机地组合成为一个集成固封极柱，成功地解决了真空断路器的环境耐受问题l l 纠9 1 。 1 2 课题的研究现状 目前国内许多学者在永磁接触装置的结构设计与分析、电磁场数值计算、动态特性分析、优化 设计、相关软件开发、同步开关控制技术等方面做了大量理论分析和研究工作 在永磁装置设计方面，一般是根据一些电磁场基本公式，运用磁路法或有限元方法等对装置进 行分析，得出合适的结构参数和电磁参数，如动铁心直径、永磁体尺寸、线圈匝数、静铁心半径等 2 0 - 2 2 1 。 在电磁场计算和动态特性分析方面，是建立在静态特性分析的基础上，对动态特性数学模型进 行动态特性仿真【2 3 彤】。采用有限元方法计算永磁装置的磁场，分析静态特性，获得磁场分布、分合 闸启动电流等参数以后，对于两种不同的励磁回路，可以通过建立永磁装置的机械运动方程与电路、 磁场方程耦合求解的动态特性分析模型，求解过程中使用四阶龙格库塔方法【3 8 】或者采用m a t l a b 仿真方法【3 9 训j 。由于永磁接触装置的运动过程是一个比较复杂的动态过程，分合闸线圈电流的变化 会影响作用在永磁装置动铁心上的电磁吸力，动铁心上受到的合力义影响到动铁心的运动速度，同 时运动速度的大小变化也会影响到分合闸线圈电流，所以永磁接触装置的动态特性决定了真空断路 器的分合闸性能，进行永磁装置动态特性的研究将对提高永磁接触装置的性能具有非常重要的意义。 基于对永磁装置动态特性的计算和分析，最后可以得出励磁线圈匝数、供电方式等参数对永磁装置 动态特性的影响。 在优化设计方面，一方面可以参考动态特性分析的结果对参数进行优化，另一方面可以采用模 拟退火算法、遗传算法等对装置局部尺寸做出精确的计算，如对永磁体尺寸的优化等。优化设计的 主要目的是缩小永磁装置的体积，降低磁路磁阻，满足应用功能和寿命要求，这对于正在向小型化 方向发展的断路器具有较实际的意义1 4 2 r 4 3 1 。 在永磁装置相关软件开发方面，计算机辅助技术已经成为永磁装置设计的一个重要手段，包括 永磁装置的实体建模，特性分析与计算，运动过程的虚拟与仿真，运行状况的实时控制与监测以及 3 东南大学硕：卜学位论文 相关软件的应用和开发等方面1 4 4 1 。一些c a d c a e 软件对于永磁装置的建模和动力学分析非常有用， 如a d a m 、s p r o e n g i n e e r 等。由于永磁装置的动态方程组不能用严密的解析方法求解，因此可以用 m a t l a b 的s i m u l i n k 工具箱对永磁装置进行动态仿真 1 3 本文主要研究内容及意义 本文是“国家8 6 3 高技术研究发展计划节能永磁接触器设计理论与产业化关键技术”研究 项目的可靠性研究部分。针对实验室研制的6 3 a 永磁式接触器，主要进行以下二亡作： 1 ) 分析影响永磁接触器可靠性的冈素，针对对可靠性影响较大的环境因素，设计适用于实验室 条件进行的试验方法； 2 ) 分析永磁接触器的工作原理，建立其数学模型，在此基础之上分析其工作特性，研究在给定 的温度条件下动态特性。主要考察其动作正确性及动作时间、保持力等指标。 3 ) 考虑永磁体的温度特性，分析温度条件变化对永磁接触器工作特性的影响，考查在极端温度 条件下永磁接触器的动态性能、动作可靠水平。 4 ) 不同的温度下，考虑永磁接触器供电电源条件变动时，永磁接触器的动作可靠性，尤其是在 极端温度条件下电源波动的合闸性能，考查永磁接触器是否能可靠动作。 目前，永磁机构的研制主要集中于1 2 k v 级的真空断路器上，永磁接触器的研发工作尚处于起步 和探索阶段，且多集中在设计、磁场计算和动作特性分析等方面，而对可靠性方面的研究未见有文 章发表。本文从永磁接触器动作可靠性角度出发，探索环境条件对永磁接触器可靠性的影响。 1 4 本章小结 本章介绍了可靠性技术的发展历史、国内外低压电器可靠性工作的概况以及永磁机构技术国内 外发展情况及现状，论述了永磁接触器可靠性的研究现状，提出了本论文的研究内容和意义所在。 4 第= 章永磁# t 构盟其控制系统的结构与t 作原理 第二章永磁机构及其控制系统的结构与工作原理 2 1 永磁机构的结构与工作原理 永磁机构有不同的结构形式1 旧。按照机构在分闻操作时的不同，永磁机构可以分为电磁操动( 也 即俗称的般稳态) 和弹簧操动( 也即 称的单稳态) 两种形式。从线圈数日上分分为职线阿式和 单线阿式。从外形结构上分又可分为方形结构和咀形结构。图2 - 1 、目2 - 2 所示分别为方形结构和 圆彤结构取稳态永磁机构的外形简圈，沿a a 剖面可以得到相似的剖面简凹如图2 - 3 所示。图2 4 为单线龋单稳态永磁结构的一种形式。 l 静铁心2 一动铁心3 、4 一隶磁件 5 一分闸线蹦6 台m 线圈7 动杆 酗2 - 3 目线嘲h 稳赤永操动机构 分闸弹簧2 一非导磁盖板 3 一磁路导向环4 一束碰体5 静铁心 6 - 线哺7 - 动铁心8 一驱动杆 罾2 4 单稳态单线罔求融操功目l 构 东南大学硕士学位论文 从图2 3 可以看出，双线圈双稳态永磁机构由七个主要零件组成：静铁心为机构提供磁路通道， 对于方形结构一般采用硅钢片叠形结构，圆形结构则采用电工纯铁或者低碳钢；动铁心是整个机构 中最主要的运动部件，一般采用电： 纯铁或者低碳钢结构，永久磁铁为机构提供合闸或分闸状态时 的保持力；分合闸线圈用于在分合闸过程中通过励磁电流。驱动杆是操动机构与触头之间的连接纽 带。当双线圈双稳态永磁机构处于合闸或分闸位置时，线圈中无电流通过，永久磁铁利用动、静铁 心提供的低磁阻抗通道将动铁心保持在上、下极限位置，而不需要任何机械机构。当有动作信号时， 合闸或分闸线圈中的电流产生磁动势，动、静铁心中的磁场由该线圈产生的磁场与永磁体产生的磁 场叠加而成，动铁心连同固定在上面的驱动杆，在合成磁场力的作用下，在规定的时间内以规定的 速度驱动开关本体完成分、合任务。此机构之所以被称为双稳态原理结构，是由于动铁心在行程终 止的两个位置，不需要消耗任何能量即可保持。而传统的电磁机构，动铁心是通过弹簧的作用被保 持在行程的一端，靠机械锁扣或电磁能量进行保持。 由图2 4 可以看出单线圈单稳态永磁机构与双线圈双稳态永磁机构的结构和磁路都非常相似， 二者的动作也很相近，但是在分闸操作时，单稳态永磁机构需要用弹簧操动。当永磁机构处于合闸 位置时，线圈中无电流通过，由于永磁体的作用，动铁心保持在下端。分闸时，在线圈中通以特定 方向的电流，该电流在动铁心下端产生与永磁体磁场相反方向的磁场，使动铁心受到的磁吸力减小， 当动铁心受到的向下的磁吸力小于弹簧的拉力时，动铁心便向上运动，实现永磁机构的分闸。当处 于分闸位置时，在操作线圈中通以与分闸操作时方向相反的电流，这一电流在静铁心下部产生与永 磁体磁场方向相同的磁场，在动铁心上部产生与永磁体磁场方向相反的磁场，使动铁心上端所受的 磁吸力减小，当操作增大到一定值时，向下的电磁合力大于上端的磁吸力与弹簧的反力之和，动铁 心便向下运动，实现合闸，并给分闸弹簧贮能。 双稳态和单稳态永磁机构的共同之处，在于合闸操作和保持是相同的，而不同之处在于分闸时， 双稳态机构是电磁操动永磁保持，而单稳态则是电磁去磁弹簧操动并保持。可见，尽管永磁机构有 不同的结构形式，工作原理却大体相似，在分、合闸过程中都有电磁过程的参与。永磁机构就其实 质而言，是用永磁体实现合闸保持和分闸保持或只用永磁体作合闸保持而不作分闸保持的一种新型 的电磁操动机构。 本文所研究的永磁式接触器为单线圈单稳态式方形结构。其结构如图2 5 所示。 弹簧 线圈 动铁心 体 静铁心 图2 5 永磁机构的结构 从图中可以看出，该永磁机构主要由静铁心、动铁心、永磁体、反力弹簧和线圈组成。静铁心 为机构提供磁路通道，采用硅钢片叠形结构；动铁心是整个机构中最主要的运动部件，与动铁心一 样采用硅钢片叠形结构。永磁体为机构提供保持时所需要的动力，采用钕铁硼永磁材料。 当永磁机构处于释放位置时，如图2 5 所示，线圈中无电流通过，由于弹簧的作用，动铁心保 6 第二章永磁机构及其控制系统的结构与工作原理 持在上端。合闸时，在线圈中通以特定方向的电流，该电流在动铁心上端产生与永磁体磁场相同方 向的磁场，使动铁心受到的磁吸力增大，当动铁心受到向下的合力大于弹簧的反力，动铁心向下运 动，实现永磁机构合闸，同时给弹簧贮能。当到达合闸位置后即使不再给励磁线圈通电，也能完 全依靠永磁力将动铁心保持在吸合状态。分闸时，在线圈中流过与合闸操作时方向相反的电流，这 一电流在静铁心上产生与永磁体磁场方向相反的磁场，使动铁心受到的磁吸力减小，当电流足够大 时，向下的电磁力小于向上的弹簧反力，动铁心便向上运动，实现分闸。 2 2 控制系统结构及其工作原理 在永磁机构的分、合闸过程中，励磁线圈中要通以励磁电流。对于永磁机构而言，可以采用两 种不同的励磁方式1 1 6 1 ，如图2 - 6 所示，图2 _ 6 ( a ) 为直流电压励磁下的电路简图，2 _ 6 ( b ) 为用充 电电容放电时的励磁电路。而控制系统的基本功能就在于，分、合闸过程中正确地控制通过励磁线 圈电流的大小和方向，保持状态下切断励磁线圈的电流，达到节能省电的目的。 线圈 u f 线圈1 t u ： ( a ) 直流电压励磁( b ) 电容放电励磁 图2 _ 6 励磁电路 由于永磁机构和传统的电磁机构有很大的不同，所以控制部分也有较大的差异。永磁机构的特 点之一是采用电子控制，同时还可具有智能化功能，其中包括在线检测、同步关合技术的实现等， 最大限度地体现永磁机构的优越性。 目前，根据实现逻辑部分的元件的不同，永磁机构的控制方式可分为如下3 种1 6 j ： ( 1 ) 继电器控制方式； ( 2 ) 电子控制方式： ( 3 ) 微机控制方式。 继电器控制方式主要是由控制继电器实现了一系列的逻辑判断功能。控制继电器是一种自动电 器，适用于闭合与断开交、直流小容量控制电路，一般作为控制和保护之用。控制继电器的输入量 通常是电压、电流等量，也可以是温度、速度等非电量。当输入量变化到某一定值时，控制继电器 动作，继电器的触点发生分合动作去操作被控电路。 电子控制方式是随着电力半导体技术的发展而产生的，它由电子装置代替了以往的控制继电器 来实现所需的逻辑功能。国内已经发展了用来控制电磁、弹簧操动机构的电子技术，其相关产品也 在不断改进。原先的触点开关被电力电子开关所取代。由于电子器件的导通和关断时间较继电器来 说要短得多且不存在有触点电器的电弧和灭弧问题，所以具有工作寿命长、响应速度快的特点。 同时，用小巧的电路板来代替原先的笨重的继电器，在重量和体积上都小了很多，具有简单轻巧的 7 东南大学顶：t 学位论文 特点。利用这种方式，在实现短路开断、过电流延时、欠电压保护、自动重合闸等功能的基础上， 还可实现声光报警等功能。 随着微机应用的日益广泛，c p u 技术已渗透到各个领域，智能电器在国内外的应用越来越广。 微机控制方式在我国是在二十世纪9 0 年代才发展起来的，它是基于数字、模拟技术，通过编程由 c p u 来采集、处理外加信号并进行所需的逻辑分析判断，最后发出动作命令来完成各项要求，具有 智能化功能。永磁机构采用微机控制方式具有更强更灵活的逻辑判断分析能力，其分合闸特性可以 通过微机系统来控制，从而实现速度特性的智能控制、动铁心运动位置的检测及线圈电流、瞬时通 电时间参数的检测等。 本文所研究的永磁机构采用电子控制方式。永磁机构控制包含合闸和分闸两个过程。合闸时， 控制单元得电，在励磁线圈中通入特定方向电流吸合动铁心的同时对电容充电，为分闸贮存能量： 合闸后，电容充电完成到达稳态，由于它的隔直作用，线圈中不再有电流流过，动铁心靠永磁力保 持在吸合位置。分闸时，控制单元失电，此时靠电容放电使励磁线圈通以相反方向的电流抵消永磁 作用，使动铁心向分闸位置运动。当出现欠压时，控制电路经过判断，切断主回路，电容随之放电， 励磁线圈电流产生相反磁场抵消永磁磁场，实现分闸。图2 - 7 是控制电路原理刚”l 。 控制电路的基本原理为：q a 为启动按钮，当控制电压为额定值的8 5 + 1 1 0 时( 以有效值等 于2 2 0 v 为额定值，控制电压有效值范围为1 8 7 - - 2 4 2 v ) ，按下q a ，永磁机构得电合闸，辅助触点j 闭 合，形成自保持电路；r l 为压敏电阻，对电路实现过压保护；d l d 4 为整流二极管，交流电经此整 流成直流电源；二极管现、电阻r 2 、r 3 、电容c i 、c 2 、稳压管d s 、m o s f e t 管q 2 组成欠压监视电路， 当电压低于设定值时，q 2 管关断，即主回路电源被切断。二二极管d 6 、电容c 3 、电阻、r 5 组成分压 电路，c 3 起滤波作用，当通额定电压时，r 5 上分得的电压大于o 6 v ，使三极管q i 饱和导通，q l 的集 电极c 极被拉成低电位，m o s f e t 管q 3 截止，r 7 和q 3 所在的支路被关断。二极管功、电容c 4 、线圈j 构 成充电主回路，如图2 8 ( a ) 所示，图中的电感l 和电阻r 为线圈j 的等效电感和电阻。 a c l 瑰 一 r1 u 南 嘲。 1 黼 j7 d 13 d s ” 旷 jp 玛 j i - c lf 1 l 恐 岛： 一= 甲 蹦 i了吼 瞄， o i l l鲁 图2 7 永磁机构控制原理图 当电源电压为额定值时，电容c 。两端稳态电压维持在3 1 1 v 。电容充电过程有两个作用：线圈 中的电流形成磁势，把动铁心从分闸位置吸合到合闸位置：充好电的电容为分闸提供了动力准备。 当按一f 停止按钮t a ，或出现欠压( 在额定值1 0 - 7 0 范围内) 或失压情况时，q 2 截止，c 4 两端的电 压通过电阻p 6 力n 在q 3 的栅源极，q 3 导通，并联的稳压管d 9 对q 3 进行保护，由c 4 、r 7 、q 3 、线圈j 构 成放电回路，如图2 - 8 ( b ) 所示。线圈产生的磁势正好与永磁磁势相反，当弹簧反力大于永磁力和电 磁力合力时，动铁心与静铁心分离实现分闸功能。 8 第二章永磁机构及其控制系统的结构与工作原理 2 3 本章小结 ( a ) 充电过程 c 马 三 图2 - 8 充放电示意图 ( b ) 放电过程 e 三 本章介绍了永磁机构的发展过程、结构和工作原理，并给出了实验室研制成功的6 3 a 永磁接触 器的永磁机构及其控制电路，并分析控制电路的原理。 9 东南大学硕士学位论文 第三章低压电器可靠性理论 3 1 可靠性基本概念 3 1 1 可靠性的定义 产品的可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间( 或操作次数) 内完成规定功能的能力【4 5 】。 首先，产品的可靠性与规定的功能有密切的关系。所谓规定的功能是指产品标准或产品技术条 件中所规定的各项技术性能。可靠性定义中的“完成规定功能”是指完成全部的规定功能。 其次，电器产品的可靠性是与规定的条件分不开的。所谓规定的条件是指电器产品使用时的负 载条件、环境条件以及贮存条件。显然，负载条件不同时电器产品的可靠性也不同。例如，电器触 头接通与分断电流的大小、触头回路电源电压的高低、交流负载电路的功率因数及直流负载电路时 间常数的大小都会影响到电器产品的可靠性。环境条件( 如温度、湿度、海拔高度、盐雾、冲击、 振动等) 对电器产品可靠性的影响也很大。显然，在恶劣的环境条件下电器产品的可靠性就低些。 贮存条件对电器产品的可靠性也有影响。例如，因贮存条件不良而使电器产品受潮时其可靠性就会 降低。 最后也是最重要的是产品的可靠性与规定的时间密切相关。产品在一天内完成规定的功能当然 比在一年内完成同样的规定功能要容易得多，所以规定的时间越长，产品的可靠性越低。亦即产品 的可靠性随着其工作时间的增长而降低。 对于寿命较长、操作频繁的接触器、继电器一类电器产品，其可靠性与规定的操作次数密切相 关。规定的操作次数越多，产品的可靠性越低。 上述可靠性的定义只能定性地描述产品可靠性的高低。为了能定量地描述产品可靠性的高低， 需要引入可靠度的概念。电器产品的可靠度是指产品在规定的条件下和规定的时间( 或操作次数) 内完成规定功能的概率。例如，某规格的接触器操作至1 0 6 次时的可靠度为9 0 ，就是指：多次抽 取n 个该规格的接触器，在规定的条件下操作至1 0 6 次时，平均有9 0 的接触器能按规定的条件完 成规定的功能。 3 1 2 产品可靠性与质量的关系 产品的可靠性是产品质量的一个重要方面。电器产品的质量应包括其技术性能指标和可靠性指 标两个方面。这两者之间既有联系又有差别。假如产品可靠性不高，贝, u e p 使其技术性能指标很先进 也不能表明其产品质量好。例如，一台自动开关的通断能力指标很先进，但动作不可靠，当电路发 生短路等故障时，它不能可靠动作而可能造成事故，这台自动开关当然不能算是质量好的产品。反 之，假如产品的技术性能指标很落后，则即使其可靠性很高也不能算是质量好的产品。因此，对于 一个高质量的产品来说，高可靠性与特定的技术性能指标是缺一不可的。 1 0 第三章低压电器可靠性理论 3 1 3 固有可靠性与使用可靠性 ：i e c 3 0 0 公告中指出；一产品在用户使用时显示的可靠性是对用户最有意义的可靠性”。产品在用 户实际使用时显示出的可靠性称为工作可靠性( o p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t y ) 它由固有可靠性( i n h e r e n t r e l i a b i l i t y ) 和使用可靠性( u s er e l i a b i l i t y ) 构成。固有可靠性是制造厂在生产过程中所确定的可靠 性，它和原材料、零部件的选择、设计、制造、试验直到产品生产出来为止的各个阶段都有密切关 系。它是制造厂在模拟实际工作条件的标准环境下进行测定并必须予以保证的可靠性使用可靠性 是与产品使用有关的一些因素所确定的可靠性。产品在制造厂生产出来后，要经过包装、运输、贮 存及安装等过程才能投入实际使用，产品在实际使用过程中要受到周围环境、操作情况、维修方式 及维修技术等因素的影响，在实际使用中人为因素对产品可靠性的影响也很大上述这些因素确定 了使用可靠性。 _ 个固有可靠性很高的产品如果使用不当，其使用可靠性不高，则该产品的工作可靠性也就不 理想。相反，一个固有可靠性虽不很高的产品假如使用得当，其使用可靠性很高，则该产品的工作 可靠性也还可以。影响电子设备固有可靠性及使用可靠性的因素以及影响程度如表3 1 所示【4 卯。 表3 1 影响可靠性的因素及其影响程度 影响因素影响程度 1 零部件、原材料 3 0 j 固有可靠性2 设计技术 4 0 3 制造技术l o 使用可靠性4 使用( 运输、使用环境、操作、安装、维修技术)2 0 3 1 4 失效规律 人们对大量的试验数据和使用中所得到的数据进行统计分析，发现很多产品的失效率旯( f ) ( 它 是产品工作n t 时刻后的单位时间内发生失效的概率) 与时间t 的关系曲线如图3 1 所示。 工( t ) 一图3 - 1 产品典型失效率曲线 圈3 1 中曲线的形状像浴盆，故通常称为浴盆曲线。从曲线上可看出，产品失效率随时间的变 化大致可分为三个阶段，即早期失效期、偶然失效期与耗损失效期。 ( 1 ) 早期失效期此时期出现在产品工作早期。其特点是产品初期失效率较高，但随工作时间 的增加而降低。此时期内产品失效的原因是由于在设计及制造工艺上存在缺陷。例如，原材料有缺 l l 东南大学硕七学位论文 陷、生产工艺欠佳、生产环境卫生不良、生产设备发生故障、操作人员疏忽及质量检验不合格等。 ( 2 ) 偶然失效期此时期内产品的失效是随机性的。其特点是产品失效率低且稳定，往往可近 似看作常数，产品可靠性指标所描述的就是这个时期，此时期是产品的最佳工作时期。偶然失效主 要原因是质量缺陷、材料弱点、环境和使用不当等因素引起。 ( 3 ) 耗损失效期此时期出现在产品工作后期。其特点是产品失效率随j 二作时间的增加而明显 增高。此时期内的失效主要是由于老化、磨损、疲劳等原因造成。 3 2 可靠性技术工作的基本内容 可靠性技术是指与可靠性有关的工程方法。影响产品可靠性的因素很多，从确定产品可靠性指 标、研究、试制、设计、制造、试验、鉴定直到投入使用为止的各个阶段都与可靠性密切相关，而 且产品在使用失效后对产品进行的失效分析也与产品可靠性密切相关。这是因为进行失效分析可以 找出产品的失效模式与失效机理，把这种信息反馈给产品的设计、制造人员以及可靠性筛选试验人 员，从而找到相应的改进措施来提高产品的可靠性。对于可靠性试验j 【作量较大或产品生产批量较 小的产品来说，对失效产品进行失效分析尤为重要。 图3 2 为产品可靠性工作基本内容的方框图【4 5 j 。图中表示了从产品设计、制造、可靠性筛选、 可靠性试验、产品现场使用以及把可靠性筛选、可靠性试验及现场使用中的失效产品进行失效分析， 并将所得到的信息反馈到设计、制造及可靠性筛选中去以找到相应改进措施的全过程。 产品的可靠性还与可靠性组织及可靠性管理有很大关系。要提高产品的可靠性，必须要有良好 的可靠性组织以及认真开展全面质量管理。 图3 - 2 可靠性工作基本内容方框图 3 3 电器产品的可靠性设计 可靠性设计是考虑产晶可靠性的一种设计方法，它的任务是运用可靠性工程的方法，使产品在 满足一定条件( 如成本、重量、体积、能耗等) 下有较高的可靠性。 前已指出，产品的可靠性分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性主要在设计阶段通过产品 的可靠性设计来加以保证，所以产品的可靠性设计是制造厂向用户提供产品质量保证的一个重要环 节，一个产品可靠性的高低在很大程度上取决于产品可靠性设计的好坏。 1 2 第三章低压电器可靠性理论 产品可靠性设计方式一般有以下两种u 1 一、设计时未规定产品的可靠性指标 这种情况下可按常规的设计方法设计出几个方案，然后对各个设计方案的可靠性进行预计，择 优定案。 二、设计时规定了产品的可靠性指标 这种情况下先将产品的可靠性指标分配至产品的各零部件或所用的电子元器件，然后进行可靠 性技术设计，再进行可靠性预计。若预测出的产品可靠性特征量( 如失效率、可靠度或平均寿命等) 的数值朱达到预先规定的产品可靠性指标，则应设法提高产品的可靠性，这时一般应进行可靠性分 析，找出系统薄弱环节并加以改进。从而使产品可靠性特征量达到规定的要求。 上述第一种设计方式一般适用于尚未积累足够的可靠性数据的产品，而对于已积累足够的可靠 性数据，能预先规定产品可靠性指标的产品，一般采用第二种设计方式。 产品可靠性设计的内容主要包括产品的可靠性技术设计、产品的可靠性预计、产品的可靠性分 配以及产品的可靠性分析。 3 4 电器产品可靠性试验 3 4 1 可靠性试验概述 为了测定、验证或提高产品可靠性而进行的试验称为可靠性试验，它是产品可靠性工作的一个 重要环节。 一、可靠性试验的目的 通常，对产品进行可靠性试验的目的如下： ( 1 ) 在研制阶段使产品达到预定的可靠性指标； ( 2 ) 在产品研制定型时进行可靠性鉴定； ( 3 )在生产过程中控制产品的质量； ( 4 ) 对产品进行筛选以提高整批产品的可靠性水平； ( 5 )研究产品的失效机理。 二、可靠性试验的种类 根据试验的地点、试验的项目、可靠性工作的阶段、施加的应力强度、对可靠性的影响、试品 破坏情况、试验规模及抽样方案的类型等，可将可靠性试验分成如下很多种类1 1 。 ( 一) 按试验地点分类 1 实验室试验。 2 现场试验。 ( 二) 按试验项目分类 1 筛选试验。 2 环境试验。 3 寿命试验。 ( 三) 按可靠性工作阶段分类 1 3 东南大学硕：i 二学位论文 1 研制试验。 2 鉴定试验。 3 验收试验。 ( 四) 按施加应力的强度分类 1 正常工作试验。 2 过负荷试验。 3 加速寿命试验。 ( 五) 按对可靠性的影响分类 1 可靠性测定试验。 2 可靠性验证试验。 3 可靠性增长试验。 ( 六) 按试品破坏情况分类 1 破坏性试验。 2 非破坏性试验。 ( 七) 按试验规模分类 l - 全数试验。 2 抽样试验。 ( 八) 按抽样方案类型分类 1 定时或定数截尾试验。 2 序贯截尾试验。 3 4 2 可靠性筛选试验 可靠性筛选试验一般是指为剔除早期失效产品而进行的试验。通常说的筛选就是指将坏的、不 符合规定要求的产品通过各种方法予以淘汰和剔除，而将好的、合格的产品选出留下。这种筛选试 验一般都是在产品生产过程完成之后进行。它是提高整批产品可靠性的一项有效措施。 一、可靠性筛选的目的和意义 产品的固有可靠性与其可靠性设计的好坏以及