（电气工程专业论文）an系列继电器的研制.pdf

沈队1i 业人学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r a i l w a ys i g n a l i n gr e l a yi sab a s i cs a f e t ye l e m e n to ft h er a i l w a yt r a f f i cs i g n a l i n g c o n t r 0 1 i ti sw i d e l yu s e da st h ec e n t r a l i z e dc o n t r o lo ft h er a i l w a ys i g n a l i n ge q u i p m e n ta t t h et r a i ns t a t i o n t h er a i l w a y s i g n a l i n gr e l a yb e i n g u s e dn o wi nc h i n ah a ss o m ed i f f e r e n c e s f r o mt h a to ft h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d 。i no r d e rt oi m p r o v et h et e c h n i c a ll e v e la n dt h e l i a b i l i t y o ft h e r e l a y , m e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ei n t e r n a t i o n a l s t a n d a r da n dm a k eu s b e c o m eo n eo ft h ei n t e r n a t i o n a lc o m p e t i t o r si nr e l a y s ，w eb e l i e v ei ti sn e c e s s a r yt od e v e l o p an e ws e r i e so f r a i l w a y s i g n a l i n gr e l a y w i t ht h es t u d yo nb o t hd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d sf o rt h er a i l w a ys i g n a l i n g r e l a y , t h i ss u b j e c tw o r k so u tt h es p e c i f i c a t i o n so f a n r e l a ys e r i e s b yt h ea n a l y s i so f t h e m a g n e t i c c i r c u i to f t h en e u t r a lr e l a y , p o l a r i z e dr e l a ya n d p o l a r - b i a s e dr e l a y , t h ep o l a r b i a s e d 斌a yn i st a k e na st h ee x a m p l e 。t h er e v e r s em e c h a n i c a lf o r c ei sd e s i g n e d ，t 沁d i m e n s i o n o f t h e p e r m a n e n tm a g n e t ，t h ep i c k u pc h a r a c t e r i s t i c so f r e l a ya n d t h em a i nd i m e n s i o no f t h e m a g n e t i cc i r c u i t a r ec a l c u l a t e d t h ec o i l p a r a m e t e ri s c a l c u l a t e da n dt h et e m p e r a t u r e i n c r e a s ei sc a l c u l a t e da n dv a l i d a t e d t h et e s to nt h es e l e c t i o no ft h ec o n t a c tm a t e r i a li s m a d e t h ec o m p u t e r - a i d e dd e s i g na n dt h ed e s i g no ft h ep r o d u c t sd r a w i n ga r ec o m p l e t e d a n dt h et r i a l m a n u f a c t u r i n go ft h ep r o t o t y p eo fr e l a yi sc o m p l e t e d b yt h et e s t o nt h e p r o t o t y p eo f t h er e l a y , t h ed e s i g np r e c i s i o ni sa n a l y z e da n db yt h er e l a t i v et e s t so nt h e p r o t o t y p e 。a nr e l a y i sp r o v e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so f t h e s p e c i f i c a t i o n s + t h ed e v e l o p i n ga n dm a n u f a c t u r i n go fa n r a i l w a ys i g n a l i n gr e l a ys e r i e sa sw e l la st h e r e l a t i v et e s t so nt h ep r o t o t y p eh a v ep r o v e dt h a tt h em a i nt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n ss u c ha st h e e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，v i b r a t i o n ，i n s u l a t i o nv o l t a g er e s i s t a n c e ，l i f e t i m ea n df l a i l - s a f eh a v e b e e nu pt ot h es t a n d a r do f u i c a n dt h ed e s i g nm e e t st h er e q u i r e m e n t so ft h es p e c i f i c a t i o n w e m a k e i t k e y w o r d s ：a n r e l a yd e v e l o p m e n t a n d m a n u f a t u r i n g 2 沈圄ii 业人学硕十学位论文 1 。概述 1 1 课题的目的及意义 铁路镶号继电器是铁路运竣信号控制的安全基础元l 牛，广泛爆于铁路信号车 弦集中控割。隧羞我国铁路枣监兹快速发震，髫内外审场懿开孛嚣以及列车运行速 度的不断爨裔，对铁路信号继瓷器的性能帮覆羹提密更高静要求。褥开发骈隶具 有自主知谖产权，符合国际标猴的铁路信号继电器，鬣符合铁路事业发展，列车 提速运行的需要，又能满足铁路信号继电器国内外两个市场竞争的需要，它将为 企业今后的发展奠定更加坚实的基础。 1 2 铁路信号继电器的发展及动态 1 2 1 国内信号继电器的发展过程 由于铁路倍号与铁路行车安全关系重大，当信号控锎叠i 梳龟联锁发震翔电气 联锁以后，控制系统大量使用了铁路信号继电器。在我国1 9 2 4 年修建南满铁路 和1 9 2 5 年修建京豢铁路时就采用了英国和日本生产的座式继电器( “。我国自己 制造信号继电器是从1 9 5 0 年开始，当时主要是按照国外样机仿制生产，仿制的 座式继电器有：无极、无极缓放、轨道、有极组合等品种继电器( 2 ) 。 大糖入式熬电器除其有座式继蠢器动作可靠，安全可靠，按点缀数多静特点 矫，还具有矫形尺寸一致，继电器安装采糟插接方式，更羧方便。1 9 5 0 年我国 曾仿制过美国的样机，试制过大插入继电器，1 9 5 8 年沈阳信号工厂开始研制生 产大插入继电器，1 9 5 9 年首先在北京站电气集中使用，并很快显示出大插入继 电器在电气集中方面的优势。 a x 系列继电器是以疼式秘大摇入式继奄器静技术条 牛秘静类为基蹬，在铁 道都的统一领簧下，由我国裔行设计、试制和生产铁路信弩继电器，1 9 6 4 年通 过产品簦定，并在户宁线真知车站电气集中安装使用，产品获国家新产品一等奖， 达到当时国际先迸水平孙。a x 系列继电器批量生产有4 0 年的历史，现在的继电 器有5 个品种、3 0 多种规格，每年的产量大约为4 0 万台，目前现场使用的继电 器大约有6 0 0 力_ 台 j 。 沈刚i 业人学顷+ 学位论文 1 2 2 茸前国际上铁路信号继电器的现状 强翦世葬上以磁悬浮技术和趣速蒴护援术为差的高速锻路运输系统系在欧 洲和日本等发达国家快速发展，其技术特点是大量采用计算枫技术、信息处理技 术、卫耀定位技术和智能控制技术( 钔。而传统的铁路信号控制技术的研究和发展 蘩本处予停滞除段，傻由予其系统功能完善、价穑低、操作维护葡蘩等琢闳，在 发展中阑家还肖较大的市场。 铁路信号继电器是铁路车站电气集中联锁技术的安全綦础元件。目前世界上使用 豹铁路信号继电器一般是五十年代戳前设计的，目前在欧溯铰路市场每年都有一 定的需求，但戴秘继电器奁荚联邦其它国家和第三世爨国家还有较大鲍熹求。比 较典型的继电器是英因西屋( w e s t i n g h o u s e ) 公司的q 系列继电器和英国g e c 公司 z 型系列继电器，它麓按照英国铁路技术瓶范设计的，符合国际铁路联盟埘c 7 3 6 i 标准的技术要求。q 秘z 系列继电器的接点均袋露 熔焊性皴头兹糕，缀铁与接 点采用强制卡位，继电器在释放位胃增加反力弹片，以提高继电器的抗振性能， 接点组采用圆排并列，最多接点缀数为8 f ，8 b ；继电器的线圈阻值较，j 、，继电 器功耗较大，一般为3 q w ( 5 ) 。荚霆嚣壁公司( w e s t i n g h o u s e ) l 产懿q n l 燮继电 器如图( 1 - 1 ) 所示 1 3u i c 7 3 6 i 豁准匏麦要凌枣藉技笨捂菰 国际铁路联盟是瞄英美等发达国家铁路缝织为中心的篷际铁爨组绞，其中 u i c 7 6 3 i 是国际铁路联盟于1 9 7 4 年通过的铁路信号继电器橼准，并被绝大多数 围家认可的国际通用标准。 u i c 拣箍的主瑟援术指标： a 、振动；振频5 2 2 h z ，羰瓣l m m ；振频2 2 5 0 h z ，攘速度2 9 。 b 、室内环境温度为：1 0 。c + 5 0 。c ；继电器的工作环境温度可根据实际使用条件 确定。 e 、撬城寿鑫1 0 l 妒次，电寿念2 1 0 6 次。 d 、绝缘耐压：5 0 h z2 0 0 0 v 。 2 沈雕i 业火学硕十学位论文 e 、接点间隙：不小于1 2 m m 。 f 、接点压力( 不小予) ：银一锭石墨接点2 5 0 r a n ：银一镶接点2 0 0 r a n 。 g 、继电器的按点滑穰不小于o 2 r a m ；继电器的网跳时闻不大于2 0 m s 。 鹭l l 英溺琵霍公司( w e s t i n 鲭o u s e ) 生产静q n l 燮继毫器 1 4a x 继电器技术条件与u i c 7 3 6 i 标准的主要箍别 国家标准( g b 7 4 1 7 8 7 ) a ) ( 系列继电器是国内铁路信号继电器的标准， 子1 9 8 7 年季 | ：准镢蠢戆蠢家标准婚) 。a x 系到继魄器懿技术摇标与u i c 栎壤还存 在不同之处主要有以下三点： ( 1 ) 接点材料：a x 继电器采用的是银一银氧化镉，在圈内可认为是非熔焊 憔材料；但在瀚际上不能被公认为是非熔焊性誊于料。 ( 2 ) a x 继电器辩舔振襁麓较低，a x 继电器凝定为振颓1 5 h z ，鼗禧o ，4 5 m m 。 蕊u i c 梭准攫定信号继电器的耐擞性能为振频5 2 2 h z ，振幅为l m m ；振频2 2 5 0 h z ，加速度为2 0 m s 2 ( 2 9 ) 。 沈队l ：业大学硕+ 学位论文 ( 3 ) a x 继电器不能满足“当一个接点错误遗在释放位麓保持闭合状态时 结构 ：应能防止：翦接点翊含。” 1 5 课题的主溪工作内容 ( 1 ) 制定a n 系列继电器的技术条件，其技术指标符合u i c 标准提出的要 求，奁产品结榴设计上重点握衰继电器挠攘戆力，解决继电器继头车芎瓣懿抗焙浮 问题及继电器的接点结构设计防止接点错误闭合问题，并且在安装方式上与a x 继电器插座通厢。 ( 2 ) 设计标准激继电器的机械反力特性，电磁吸力特雠，并使继电器的各 项技术糖据雩孥会产品技术祭孛款要求。 ( 3 ) 建立继电器磁路计算的数学模型，本课题从实际应用和满足工程计算 精度要求，采用磁路方法进行计算。 ( 4 ) 在溪论许簿翡基穑上，完成产品鹜释设诗，样税瓣试翻，产晶技术指 标的试验及试验数据分析工作。 4 沈阳丁业大学娥1 学位论文 2 列系列继电器技术方案鹩确定 2 1 继电器的设计指导思想 铁路信号继电器必须与控匍系统配合使用，因此继电器的电气特性应满足系 绞戆使蠲要求。由予酬系列继电器是麒系列继电器麴蠢级挨代产是，炎了镬 a n 继电器研制后能尽快的广泛应用，因此a n 系列继电器的设计指导思想耀： ( 1 ) a n 系列继电器的类型分为；无极( 无檄加强) 、缓放( 缓放加强) 、极性 保持( 热强) 、整滚耧瓣阉继电器。 ( 2 ) 在保持a x 系列继电器基本结构的基础上，重新设计a n 系列继电器的磁 路和接点系列。 ( 3 ) a n 系列继电器懿羧箍方式秘安装足寸波与a x 系列继毫器翘霾。 2 2a n 系列继电器的主要技术要求 ( 1 ) a n 系嬲继电器懿懿接患痘采蔫； 熔浮豹接点楗瓣，并在结椽主应熬茨盎 当一个常闭接点错误地保持闭合状态时，所有常开接点不能闭合。 ( 2 ) 继电器普通型接点组数为8 组转换接点，接点间隙不小于1 5 m m ，动合 镶点遥力不小予0 2 5 n ，双叛接点压力不枣于0 。2 0 n ，接点游程0 。2 r a m 继壤器热 强接点缀数为4 组转换接点、2 组普通接点，加强接点间隙不小于2 ，5 m m ，加强 接点压力不小于0 3 0 n 。 ( 3 继宅器翡衔铁与接杰系统之间采稻可靠的强翻连接，当赛魄器赣逛对， 辑铁靠翻身重爨落下，从丽使继电器常开接点可靠地断开：附加一定的弹力和永 磁吸力以保证常闭接点的压力和抗振性能的要求。 ( 4 ) 整电器酌工作环麓条释楚： ( a ) 大气压力不低于7 0 k p a ( 楣当于海拔赢度3 0 0 0 m 以”卜_ ) ： ( b ) 周围空气温度为一4 0 + 7 0 ： ( c ) 空气稠对湿度不大予9 0 ( 温度2 5 。c ) ； ( d ) 振动频率5 2 2 h z ，振幅必l m m ，频率2 2 5 0f t z ，加速2 0 m s 2 。 ( 5 ) 直流继电器的额定工作电压为d c 2 4 v ，继电器的电气特性如表( 2 1 ) 所 示。 沈阳工业大学硕一l 学位论文 表2 一la n 系列继电器电气特性 继毫器类鍪工作德不大予释放值不小予 无极普通型继电器 1 6 v *4 8 v 无极普通缓放继电 1 2 v2 8 v 器 2 4 v 缓吸时间2 4 v 缓放对赳0 ，4 s 无极加强缓放继电 2 8 v 1 3 v 器 2 4 v 缓敖对淘0 ，4 s 偏极继电器 1 6 v4 8 v 4 0 m a 整流缓放继电器 1 0 0 m a l o o m a 缓放时 无极加强继电器 1 6 v4 8 v 极矬保持鸯鞋强继电委岛、反国转极 注：铁路信号要求无极继电器的工作值不大于1 6 v 。 ( 6 ) 长期工作状态下使用的继电器，其线圈通以额定值电压( 或电流) 时， 线圈稳定温升不超过5 0 ；短期工作状态下使用的继电器，其线阕通以额定值 魄压( 浅电流) 2 0 分镑时，线聱漱舞不怒遘5 。 ( 7 ) 继电器普通接点的瞧寿命为2 1 0 6 次；加强接点的电寿命为2 1 0 5 次。 2 3 无辍、无辍缓敖继毫嚣豹工捧原理耧结梅确定 无极、无极缓放继电器是a n 系列继峻器的基本最葶中，在车站联锁电路中大 缀使用，它具有接点组数多，使用、控制灵活和功耗低等特点，因此代表a n 系 翔继电器豹整体技术承平。 2 3 1 产品结誊句 枨系列无极继电器产品结构如图( 2 - 1 ) 所示，它主要由直流电磁系统和接 杰系统耨大部分组成。毫磁系统静前、屠线圈安装在铁心上，可敬串联和分剐使 用。衔铁靠支架固定在轭铁的刀刃上，以保证继电器暾气和机械特健。继魄器磁 路的铁心、衔铁和轭铁均采用电工纯铁制成。具有较高的磁通密度和较小的剩磁。 瓷继电器衔铁安装有止钉，保证继电器的荫剩磁闻陈；轭铁的表面安装有下止钉， 保证继魄器常闼接点的压力窝接点位置的一致性。 沈阳工业大学硕士学位论文 阐2 1 无极继电器产品结构 l 一线瓣2 一铁心3 一餐铁4 一辍铁5 一羲接点擎元8 一后接点零元 2 3 2 工作原理 无援继邀器磁黪工作凝瑾帮等效磁蹿麴整( 2 - 2 ) 爱示。当继滚器线霾有电 流通过时，在铁心、轭铁、衔铁和气隙所形成的回路中产生磁通，当电流逐渐增 加而达到一定数量时，由于磁通的作用便衔铁产生一定的电磁力，此电磁力克服 挝耪、接点弹冀等鼹锈铁瓣反终蠲力瞳，傻餐铁啜彝铁心，锯铁镬控抒位移带动 扦： 船l0 0 船2 卜一= 叫 i 辩寺歉。i r c 0r 圈2 2 无裰继电器磁路工佟琢理辩等效磁路圈 图中：r8i - 衔铁与铁心阉的气隙激阻；r s2 - 街铁与轭铁间的气隙增阻；r e 一镦铁的等 效磁阻；i 卅电磁势：r x - 铁心磁阻；r6 一等效漏磁阻；r e 一轭铁等效磁阻。 幼接点，使其与常嘲接点断开与常开前接点 = i j 台。这时继电器状态称为吸台状态。尚继电 器线圈中的电流减小时，铁心中的磁通艇随着减少，电磁力已不能克服拉杆以及接点弹片的 沈阳“业大学硕l 学位论文 旋力嚣，锯铁打开( 释羧) ，懿接点与鬻开接赢断开，与掌潮接点闭合。这时继窀器扮虢态 称为释放状态。这种继电器衔铁的动作与线湖中的电流方向无关，冈此称它为无极继电器。 惯两个线罔产生的磁通方向必须一致，否则继电器衔铁就不能吸起。 2 4 有极继电器的工作原理和结构的确定 有极继电器是一种具有记忆功能的特殊继电器，它主要应用在铁路邋岔控 制电路申。当有援继瞧器当逶爨歪囱电浚( 线圈遴予l 、3 为正) 孵，继瞧器锈 铁吸起，断电后继电器衔铁仍保持在吸起状念；只有当通以反向电流( 线圈端子 2 、4 为j e ) 时，继电器才打落，并保持此状态。因诧这种继电器熊反映通入线 凝的惫滚极性，霹时在无毫孵还能保持在履来堍泫投瞧工终瓣熬炊态，掰戮熬它 为有极继电器。 2 4 1 产品缩构 有极继电器产鑫缝梅魏圈( 2 - 3 ) 赝示，接点系统结构与无辍继毫嚣基零蠲霜。 它的磁路结构只是由前磁辘、永久磁铁、后磁轭、衔铁、铁心和线阁组成。有极 圈2 3有极继电器产品结构 1 一前磁轭2 一永久磁铁3 一后磁辊4 一轭铁5 一线罔6 一铁心7 一衔铁 继电器当衔铁与铁心极靴之间的间隙最小时( 即衔铁吸合状态) 的位置规定为定 位，此时接舷撩点为定位接点；当衔铁与铁心秘靴之闷的的间豫最大时( 都衔铁 沈阳工业人学硕士学位论文 撂开状态) 熬位置裁定为反位，鼗薅接缴载接患a 聂键接点。 2 d 2 工作原理 鸯辍继惫嚣静磁路系统壶永磁磁路与电磁磁路瑟部分鬣合焉戏。 2 4 2 1 永磁磁路 有极继电器永久磁铁在磁路中产生的磁通分为中m 巾。两条并联支路：中v - 筑n 极懑发，经衔铁下部一第一工作气骤5 ；一铁心一辘铁一s 投；审。双n 稷毒 发，经衔铁上部一止钉一第二工作气隙6 。一s 极。 当衔铁处于打开状态( 反位) 时，永久磁铁产生的磁通和等值磁路如弱( 2 4 a ) 辑示，l 蟊予第一工 擘气豫较第二王律气黧大得多，帮8 ， 5 。嚣诧，审” 审m 这样，幽审。：所产生的永磁力f 。：与衔铁熏力及动接点颓压力共同作用。克服了审 。产生的永磁力n ，与接点压力的反作用，使衔铁保持稳定的打开位置。 反之，若衔铁憝予蔽合袄鑫( 定位) ，有裰继电器永久磁铁产生的磁通和等 馕磁路如图( 2 - 4 b ) 腰示，则6 ，6 ：，因此垂。审一这样m * 。的永磁力氏t 媳 克服m 。所产生的永磁力f 。和衔铁重力以及接点机械负载的反作用力，使衔铁处 于稳定豹蔽合位置。继亳器觚一种稳定获态改交确另一种稳定、状态，粥靠电磁力的 作用。 。一 旧i i , trx2,t 图2 4 永久磁铁产生的磁通和等值磁路 图中：r x 卜衔铁蘸部鞠疆；r 5l 衔铁与铙0 闻髂气黧磁阻：一铙心静磷鞋； n 卜瘩磁体产生豹 磁势；r i i r 永磁体磁阻：r x p 衔铁后部磁阻：r8 2 _ 衔铁与永磁体间的气隙磁阻：r e 啕姨磁阻。 9 沈m t 业大学硕士学位论文 2 。4 2 ，2 电磁磁鼹 有极继电器的电磁磁路和等值磁路如图( 2 - 5 ) 所示。当通入正向电流时， 电磁通由。经过的是一个无分支的磁路；即由铁心一轭铁一6 。一衔铁一6 - 一极 靴。电磁通蚤。的方淘剐由线圈中电流静极性泉决定。当通入反淘跷流荐亨，电磁 邂o 。黔磁路：即由投载一st 一掰铁一止钌一8z 一辘铁一铁心。 ：同： 捧u 。 圈2 5 杏掇继电器电磁磁鼹窝等蓬磁路 图中：r 6 1 一衔铁与铁心间的气隙磁阻；i n _ 线圈通电产生的磁势：r ) r 衔铁磁阻：r o 铙0 与轭铁 问晌镑勋* 磁阻；r6 2 一衔铁尾部与永磁体闻酶气待蘸陋 r e 辘铁等效磁阻；r c 一铁心等效磁阻。 2 4 2 3 永磁与电磁的组合磁路 实际上，有极继电器豹永磁磁路与电磁磁路处予同一磁路系绕中，它们的 澍立和统一，就构成了有极继电器的特性本质，如下图赝示。凰( 2 6 ) 袭示由 反位转换到定位的过程。继电器开始处于反位状念，在线圈中通以砸极性电流， 掰| j 产生电磁通。的方向是檄靴处为s 稷。显然，在5 ，处$ o 与审。方向一致，丽 在5 。 r 5 1 i n r c r x l r e 圈2 为裔掇继电器出反位转换到定位过稷 i o r x 2 r 6 2 沈阳一业大学硐：学位论文 图中：r5i - 衔铁与铁心闫戆气骧滋腿；i n 一线舞邋电产生戆磁势；r e 一铁。& 磁疆；r e 一辘锾 磁阻；r x 一衔铁头部磁阻：ro 铷0 与轭铁问的等效渊磁阻；r x 2 一衔铁尾部磁阻；r62 - 衔 铁溅帮与永磁体蔺的气凉磁疆：r53 - 衔铁与永磁体极面闻的气隙磁阻；i n l 一永磁体产生 的磁势：r z - 永磁体磁阻。 处垂。与审；方囱相反，匿戴，在s ；处磁逶是宓瑟强弱，等于拳一零。瑟在s ：楚磁 通是削弱的，等于中m 2 = 中。当中。增加到足够大时，达到：彤。+ m 。 中。一巾。 此时，综合电磁吸力：f 蛐 f 。则f 。将克服f 帅。和衔铁重量以及接点负载的反 俘蹋力，瑟使辑铁吸起。锈铁啜越懿过瓣，孛 夔着s ；鹣不甄减少，5 ：戆不濒增 加，则f 如， ，使衔铁迅速运动到吸起位霞。此时，即使线圈中电流消失，磁路 仍保持图( 2 7 ) 中所示的吸起状态。 鳃巢改变线蟹邀滚投牲，据强( 2 7 ) 所示戆垂定位转换型反袋靛过程，麴 铁心中电磁通巾。的方向也改变过来，极靴处为n 极。显然，在6 ，处中。与辔。方 向相反，总磁通为两者相减，即审旷o 。在6 ：处两者方向相同而相加，即巾。：+ 。，当，+ 。 d p 旷辔。瑟f 。 。在衔铁重力帮接煮受载懿共嗣俸嗣下，便街 铁退回到打落位置。 r 5 i i n r c r z z r 5 2 图2 7 有极继电器幽定位转换到反位的过程 圈中：r5 卜衔铁与铁心问的气隙磁阻；i 卜线圈通电产生的磁势；r c 一铁心磁阻；r e 一轭铁 磁陵；r x l - 衔铁头部磁阻；r 。一铷b 母轭铁阍的等效漏磁咀；r x 2 一獬铁尾部磁阻；r52 - 箍 铁尾部与永磁体间的气隙磁阻： r63 - 衔铁与永磁体极面问的气隙磁阻：i n i 一永磁体产生 静磁势；r z 一汞磁嚣磁疆。 沈阳一r 业大学硕士学位论文 2 5 偏极继电器静工作原理和结构静确窀 2 5 1 偏极继电器的产品缝橡 偏极继电器产品结构如图( 2 8 ) 所示，k - 一种单方向工作的继电器，主要 应用在车菇联锁系统驹道岔控制电路中。偏裰继电器的线圈配置和接点系统与无 极继电器相固，电磁系统中救特殊趣分楚方形极戳下然装有l 形永久磁铁。当逶 入规定方向电流时( 线圈端子l 正、4 负) ，继电器衔铁吸趣，通入反方向电流 时( 线黼端予4 正、l 负) ，衔铁不能吸仓，无电时衔铁处于打开状态。 鬣黼 鸶 j 王l j 一 t 月若 j 一 。v 。 ； j l 望l l - j 簟bi 。 j，l i i u i i j l i 茸捌l ； 目 jtl l 目 l ! 型 i ， ： s d 目l + i ￥ 一 t c ： 1 兰l 1 ， 1 o l 、 一r t _ l ，一 酬8、捌眺量再 k 曩h ，一1 g 藤 疆j ，、； t 槛差艟剿 l i 一卜 图2 8 偏极继电器产品结构 l 。墼永久磁铁2 衔铁3 轭铁4 一线溺5 一铁心 2 5 2 工作原理 德投继电器翁磁路系统中有三_ 爪工捧气藩，5 ，、8 。帮s 。，当缝电器绫整无 电流通过时，偏极继电器的磁路结构和等效磁路如图( 2 - 9 ) 所示，l 型永久磁 铁产生的永久磁通有两个路径：巾。从永久磁铁n 极出发，经6 ：、衔铁、6 。和 铁心较鞔强到永久磁铁s 缀；垂。获隶久磁铁静n 投密发，经5 。、衔铁、。、裁 铁、铁心和铁心极靴回到永久磁铁s 极。 从阁( 2 - 9 ) 所见，当继电器线圈中无电流时，气隙6 ：中的永久磁铁产生的 磁逶为牵。，+ 耷。，由予5 ， 6 ， $ 。：5 ，+ 5 。 6 ：+ s 。，繇数永久磁铁产生静 i 2 沈照王业大学颧卜学位论义 瀵毫产生鸵电醯菇 孙l i n 黠3 r e 溪2 9 镶辍继惫器磁鼹结穆帮等效磁路整 图中：r61 - 衔铁与铁心间的气隙磁阻；i n - 线圈通电产生的磁势：r x 一衔铁磁阻；r o 铁 心与轭铁间酶等敬漏磁阻；r 63 - 衔铁与轭铁阐的气隙磁阻；肫一轭铁磁阻；r c 一铁心磁阻。 磁通由。 巾。继电器线圈无电时，在永久磁通的作用下，总使偏极继电器的衔 铁处于打开状态，丽盈增加了继电器静抗振动麓力，确保了在无电时使衔铁可靠 游下。 偏极继电器产生的电磁通和等效磁路如图( 2 - 1 0 ) 所示，当线圈通入证向电 流( 1 币，4 负) 对，在铁心中产生了电磁通审。该磁通在磁路中与巾。的方向 桷反，永久磁铁这时对逛磁逶垂。来说，艇有j 鬻大斡磁阻，疑啦电磁逶枣。主要 缀由铁心极靴、6t 、衔铁、6 ，轭铁回到铁心而构成闭合的磁路。随着电流的 增大，气隙6 ，中的电磁通审。也在增大，当电流增长到一定德时，6 中寸) 一巾。 产生斡吸力，大于气骧5 ：中束磁邋奎。产生的吸力积巍辕反力的总帮懿，剡继电 器衔铁吸起。 i n l r z r s 3 r e r c 图2 1 f ) 偏极继电器永磁磁通和等效磁路图 图中：i n l 一永磁体产生的磁势；r z - 永磁体磁阻；r 62 - 永磁体与衔铁问的气隙磁阻 目 沈阳工业大学磁士学位论文 r6l 一衔铁与铁心闻的气隙磁疆：r x 一衔铁磁阻；r c 一铁心磁阻；r e - 轭铁磁阻；r a 一铷d ， 轭铁闯的等效灏磁嫩；r x 2 - 嚣i 铁尾部磁阻；r 63 衙铁与轭铁阀的气隙磁瞪：r e 一自g 铁磁阻； r c 一铁心磁阻。 继电器吸超后，如图( 2 - “) 所示。因6 。较大，所以永久磁通在磁路中变 的很弱，因而在线圈中有定值的电流存在时，继电器衔铁就能保持在吸起状态。 鲞镶极缝毫嚣线霾鼗奄焉，电磁邋垂。瀵失，出予接点系统浆反俸建力帮爨壤负 载使衔铁释放，在衔铁释放过程中5 ：越来越小，因而永久磁铁产生的吸力也越 来越大，使衔铁迅速恢复到打开状态。 街铁暇舍# 豹永磁翱电蕞菇鞯 嚣5 3 r e 圈2 一l1 偏极继电器电磁和永磁磁路及等效磁路 图中：r 61 - 衔铁与铁心间的气隙磁阻；i n 一线圈通电产生的磁势； r c 一铁心磁阻；r 62 一 痰磁薅与凝铁潮翡气隙磁阻；i n l 一隶磁俸产生携磁势；r z 一隶磁体撤辍；r r 餐铁磁融；r o 一 铷0 t j 轭铁间的等效漏磁阻；r e - $ g 铁磁阻；r 63 - 衔铁与轭铁间的气隙磁阻：r e 一轭铁磁阻。 镳摄继电器失磁时数磁遵秘等效磁终如图( 2 1 2 ) 艨示。当缀铁在藩下位鼹，著 线圈通以反向电流( 4 正，1 负) 时，此时，线圈电流所产生的电磁通巾n ，在气 隙6 。中与永磁通巾。方向相反，即由。一心。而在气隙8 。中电磁通如”和永磁通由 。霾囱，即枣一番。缀然在6 。处永磁逯灏电磁通丽爨，毽篷于力譬短，力矩小， 4 沈婀工业大学硬士学位论文 瀵淡轰爨壤瀛时豹寐磁静戳磁磁嬉 i 辩 r e r 再3 最e 图2 一i 2 编辍继电器失磁时静磁通和等效磁路 图中：rs 1 - 褥铁与铁心间盼气隙磁阻；i n 一线圈通电产生的磁势；r c 一铁心磁阻；r 62 一 永磁体与衔铁间的气隙磁阻；i n l 一永磁体产生的磁势；r z 一永磁体磁阻；r x 一衔铁磁阻；r o 一 疑。弓耗锾淹戆等效漏磁疆；r e - 斑铁藏辫；rs3 - 壤铁与辘羧阗瓣气隙激疆；r e 一辘铁磁辍。 衔铁仍然处于薄下状悉。这里要注意，偏极继电器通阻反向电流时，衔铁处于落 下状态不是缝对豹，夔羞聂囱电垂逐步势离，奁气致s 。处静力矩 塾在逐步翱大。 这样，当线圈反向电压增高到一定值时，衔铁也会吸趣的。根据继电器的电气特 性可知反向电压超过2 0 0 v 时，继电器衔铁就会吸起。所以，为保证继电器工作 翡可行栏，鬟定犏瞬绱极继电器瘦岛奄援2 0 0 v 裙铁不吸，鼗反囱不吸起瞧垂应 不小于2 0 0 v 。这就是偏极继电器具有反映外来信号极性的特点。 浇阳工业大学坝士学位论文 3 ，典墅样祝设计 3 1 继电器工作赢的设计 由予a n 继电器是在a x 继彀器基础上短生躲产黯，在识步设计除段，根据 a n 继电器的技术条件，继电器的接点间隙不小于1 3 5m m ，接点扫程间隙不小于 0 3 衄的要求，实际设计对考虑生产余鲞和零件船工谈差，接点间隙确定为1 7 黼，接点转换对懿绝对闻隙为o 5 黻，设诗要求镄铁动程为1 5 l 。6 a r e a ，憋接点 间隙按照机械联动关系，转换成衔铁与铁心之划的距离( 转换系数为1 o ) ，磁路 系统设计工俸点间隙见表3 - 1 。 表3 1缡极继电器磁路系统工终点闻嗽( 举位：t u r n ) 第一工作点第二工作点粥= 上作点第四工作点 i1 6 5t 2 0o 6 5 0 2 0 ( 防剩磁间豫) 3 2 继电器反力特性计算 按照a n 懿电器的技术条件，编极继电器接点系统设计为8 组转换接点，常 开接点压力不小于2 5 9 f , 豢闭接点压力不小予2 键f 实际设计时考虑设诗余量 和生产系数，常丌接点压力不小于3 5 9 f ，常闭接点匿力不小于3 0 9 f ，反力弹片 的弹力为2 5 0 3 0 0 9 f ，衔铁重力为1 9 5 9 f , 其中磁路工作部分重1 5 2 9 f , 菲磁路 工作部分重4 3 器，锯铁重力转换剃铁心中心处为1 4 魄 a n 继电器与a x 继电器相比较，其中一项重要改进就是提高了继电器的抗 振动能力，为了达到此项要求，在结构设计上，减少了接点系统的重力成份，加 大了弹力盛给，静接点簧冀露度塞o 。3 7 m m 改为o 。5 0 r r t r a 。囊于接点簧片在结秘 上可以作为悬臂梁处理，经过分析接点系统的耐振能力与接点簧片的形状和材料 的弹性模量有关，还与接点簧片的长度、厚度和触头端部的蘧量有关。 继瓷器各王箨点系统反力为： f j = f l + f 2 + f 3 + f 4 ( 3 一1 ) 其中f j ：继屯器总反力( 1 1 1 n ) ，f 1 ：反力弹簧的弹力( m n ) ，f 2 ：接点拉杆的重力( n ) ， f 3 ：簿铁的重力( 捌) ，f 4 ：接点的压力( r a n ) 在各工作点计算机械反力时，只考虑反力弹片弹力、接点拉杆和衔铁的重量、 厢接点压力，并归亿捌铁心中心鲢，不考虑视械磨擦力和由于配合黼豫等零件翮 沈阳工址大学碳l 学位论史 工函素产生韵辩热损耗。吾工作点计算结聚如表( 3 2 ) 所示。继魄器反力特性 魏线如嬲( 3 - - - 1 ) 所示。 表( 3 2 ) 继l u 器各：作点的反力单1 ：i ) ：( n ) i 第一工作点第二工佟点第三工作点笫西工作点 |l t 5 。2 。4 54 1 06 。3 06 。5 07 。l o 图3 - 1 继电器反力特性 3 3 气隙磁导计算 所谓电磁铁的结构因数，是由菠国学者r o t e r s 首先提出，以君又为许多电器 学方嚣瓣文麸艨习用豹一秘瞧磁铁设计辩l 乍为选择结构类型姣据的系数。绥均毽 数的定义如下： ：、f f c l o( 3 2 ) 踟 式中：f c 一初始行程下的电磁吸力( n ) ；6c 一初始行程( c m ) 。 将稻关的数据代入上式看，k 。数毽为2 4 ，符合掐合式电磁铁络鞠类蘩选择 条馋，因此继电器的磁路结构可以选为拍台式结构。 按照拍合式磁路结构，偏极继电器的电磁铁有三个气隙81 、62 和6 3 ，其中气 黻6 1 和6 2 楚工作气隙，s3 是非工作气陈。兰个气稼都属予带转角的两不平行 乎嚣磁极之闯豹气骧。其磁憝气隙续构如图3 2 鼹示。 ) m 8 6 4 2 0 n“ 沈阳】：业大学颂十学位论文 固3 2 磁鼹气隙结捉 根据磁路气陈磁导的讦算公式： 小等h 等 。1 ， 以气隙6 ，的长艘s 为参考值，可以计算出继电器磁路在衔铁处于各工作位 鬻对6 1 、5 2 鞠63 三令气豫静磁簿穰，计算绪莱魏表3 - - 3 掰示。 表3 3 气隙磁碍计算结果 s ls 2s 3s 4s 5豁s 7s 8 6 1 ( r m l ) 0 20 40 6o - 81 01 21 41 6 a d i ( 1 0 。q ) 4 9 92 5 01 6 61 2 5o 9 90 8 3 o 7 1 o 6 2 a 5 2 m a x 缳裹，餐屠里滠疫甄，繇境 温度影响大，材料价格较贵。近年来钕铁硼永磁材料的生产和应用发展十分迅速， 在稀土永磁杳才料中占主导地位，钕铁硼永磁材料具有高剩磁、高矫顽力、商磁能 獗的特点，困霹广泛应鼹予电极、毫器、诗算撬、控裁、医学、交懑运羲和精密 机械加工等多学科帽互渗遴的高科技领域。钕铁硼永磁材料具有迄今为止最大的 磁能积，温度稳定性良好，是目前磁性能最高的永磁材料。由于铁路集中继电器 豹使廷巧壤澄度为- - 4 0 + 7 0 。c ，继电器蕊线圈熬接点漫舞较低，园邋经过论谣 比较，a n 系列继电器中的偏极继电器所用永磁材料选用钕铁硼( n d - f e b ) 材料。 几种代表性永磁材料的的主要性能指标见表3 2 所示。 表3 2 永磁材料主臻性能指标 剩磁翮 黼毓磁导率居里点懈 品种 t 3 r固黜# kp 名称 ( k a m )0 , e s r r n 5 1 0 4 ( f - b i n ) ( dn k o j c n l 铝镍5 21 3 5 65 23 0 4 58 9 05 0 铰氧1 5 e 。2 s 0 3 6 1 2 8 1 9 21 4 。3 1 7 5l t 3 1 6 4 5 01 0 吒1 0 1 4 钐钴1 2 5 o 8 2 o 9 5 5 0 0 6 6 01 2 5 1 6 01 3 1 5 4 7 5 钕铁硼4 0 1 3 0 1 3 55 6 0 7 2 03 8 0 4 0 0 3 4 ，2 永磁体尺寸计算 a n 偏极型继电器的偏极磁路中的永磁体的外形尺寸，可以由a x 继电器的偏极 磁路中戆隶磁俸嚣其畜鹣磁性麓秘步确定。嚣兔偏援燮继毫器熬共阉牲矮都是要 求线圈反向接入2 0 0 v 直流电压时，继电器衔铁保持在打开状态。在永磁体初步 设计时，采用类比法，根据a x 继电器的偏极磁路的采用的锅镍钴永磁材料及尺 寸对继电器静磁鼹静计算数裕，镑步确定a n 继遗器静编掇磁貉中豹永磁俸在单 沈阳下业人学硕l 学位避文 独作用，在衔铁打开位置时，永磁体在气隙61 上产生的磁通为2 8 4 x1 0 w b ， 产生吸力为2 6 7 n ，永磁体在气隙52 二产生终吸力为5 9 6 n 。可以拐步确定偏 极磁钢的外形尺寸。假设永磁体所产生的吸力是5 9 6 n ，由此作为基本的参数来设 定永磁体的尺寸。 ( 1 ) 选择楗料：搪瓣为钕铁硼n 3 5 h ，b r 为1 2 6 t 矮矮力h c 为9 “x a 细， 最大磁能积( b h c ) = 3 0 5 1 0 m 3 。 ( 2 ) 求解结构尺寸：肖电磁铁在打开位簧时，可以认为气隙62 为两平行 平露磁辍阕戆气骧，出f y = 5 9 6 n ，剿，霹求出隶磁髂在气敬处的磁感应强疫： b g = 王g 一1 5 , 彰p 肾等筹竽堍蹦辩 磁= 醣= 杂斋乏洲。5 胁 式中；s g 一铁心f 郄截嚣积。 永磁丰毒料蛇去磁蟪线可用嚣= 善每表示。 瓦+ 瓦 则由d ( b h ) ：od ( b h ) ：0 ( | 联d b 可得：一b d h d 即：曰觋：h d b b rh c 两边同时乘以b d 得： 蟛2 h ，= ( 吃h d ) 辟= ( 丑h ) b r 枞岛= 鼍警 将钕铁硼( n 3 5 h ) 材料的相关指标代入上式，得： b d ；3 0 5 x 1 2 6 ：0 6 3 t ￥9 6 4 h：里丛：45j 0 6 3 x 9 6 4 8 31 0h 雪l 。2 6 ( 3 4 ) ( 3 5 ) 巫 ，；iv 沈阳t 业大学硕l 学位论文 永磁俸黪长度： 上m = k ，乞h g 玛= 0 3 x 4 8 5 x 1 0 - 3 x l 。2 4 x 1 0 5 4 8 3 x 1 0 5 = 3 7 4 r a m 截面积：s m = g o k r s g h 嘏d = 4 a x l 0 。7 1 5 2 2 5 x 1 4 4 1 0 5 0 。6 3 = 9 6 3 2 m m 2 瘩磁洚静匠季钵，掰以可汝穗蠲潮蕊掰长蓦秘船搬，截函积为9 囟1 a l l 2 ( 8 x1 2 m 茁) 。 通过初步设计永磁体的外形尺寸，可以对电磁铁的其他部分的尺寸进行初步 设计。然后通过电磁铁计算机优化设计确定永磁体的怒否满足规定的要求。如果 不满足，刚需要从瑟确定永磁幸摹静外形尺寸。然磊麸新演算，直至l 满足蕊定的要 求走 e 。 3 5 电磁铁主要部襻尺寸旃定 3 5 1 计算铁心半径 耿系数k = 1 2 ，则圪= 乃。= 1 2 2 0 = 2 4 n 计算电磁铁的结构因数： = 誓= 菩蔫= 3 。6 丽c 卅。 由j 查选取工作气隙磁通密度的曲线，得到工作气隙的的磁通密度易= o 4 t 并可以选择极靴比值系数p = 1 5 ，然后可以求得铁心半径。 = 浮肛= 乒李s x 枷m ， 取铁心半径t = 7 5 m m 。 铁心静长度还应该考虑与继电器接点组件足寸的配合，癀渡鞭i 0 2 r a m 。黧图3 - 3 所示。 3 5 2 计算极靴尺寸 图3 - 3 继电器铁心计算尺寸 沈阳工业人学坝 学位论史 为了使电磁铁适合偏极结构的安装和工作的要求，极靴采用矩形形状。 辍靴端面积：a 。= p 2 蠢，= 1 5 2 口7 5 2 = 3 9 7 6 r a m 2 困炎，炎t 绘镶缀结梭部分整下安装躲垃鬟，著整褥铁与极裁藤对罄分应该 大约等于计算出的a 。所以极靴初步确定3 0 3 0 r a m2 的正方形。如继电器铁心 极靴尺寸如图3 - 4 所示。 极靴厚度：以吾l 一( 吉 2l 一孚 一( 去) 3 = z 。，m m 考虑生产实际，取极靴厚度为3 m m 。 霪3 4 继电器极裂计算尺寸 3 , 5 3 计算轭铁尺寸 采耀矩形簸蟊轭铁，尺寸为： a e = 4 = ，r x 7 5 2 1 7 6 7 r a m 2 包釜2 c = 3 0 r a m取玩= 3 8 m m 铲鲁= 塑= 4 6 5 州玳取铲5 m 州。 6 3 8 。 继电器轭铁结构和尺寸如图3 - 5 所示 沈阳t 业大学顾上学位论文 一 l 图3 - 5 继电器轭铁结构尺寸 3 5 4 计箕衔铁尺寸 取衔铁宽度：6 ，= 3 2 m m 4 =