浅谈2016-2020年电磁继电器发展及工作原理.doc

深圳市元则电器有限公司厂址：东莞市塘厦镇塘龙西路永发工业城1E园区浅谈2016-2020年电磁继电器发展及工作原理1.1 继电器的本质继电器就是一种电气开关。不过，这种开关不是人直接用手去操纵的，而是由外来的电信号来控制的。这些外来的电信号或由各种各样的传感器产生、或由各种编程软件按指令或程序自动取得。于是，继电器就会按人的安排，自动地切换电路，使各种电气设备、器具自动地完成人们需要的工作。所以，通俗的讲，继电器是一种自动控制的电气开关。1.2 发展简史自十八世纪初电报发明以后，就有了电磁继电器，它最初是用于电报的。电话的发明与发展给继电器的发展以有力的推动，因为电话交换机大量使用继电器。电力系统的监控和保护也是继电器应用的一大领域。随后的工业自动化又开辟了继电器在新的应用，而随着人们生活水平的提高，各种家用电器中使继电器的用量急剧增加。随着应用的扩大和生产技术的提高，继电器技术也越来越成熟、产品体积不断缩小、成本不断降低、性能也逐步提高，种类更是十分繁多。最初的继电器零件都是切削加工出来的，电磁系统和触点系统都装在一块绝缘板上，体积很大，制造费工费时。后来有了冲压技术和热固性塑料，继电器制造才稍微变得容易些。近代由于各种热塑性塑料的发展和精密冲压技术的发展，继电器的设计和生产技术才得到极大的提高。现在军用微型电磁继电器的体积已经小于8.5*7.1mm，并有两组C型触点，可控制28V*1A的直接负载，失效率低于0.01/104次，广泛用于航空航天领域。由于民用继电器用量的急剧增加，它的生产技术发展很快，实力雄厚的继电器制造商已普遍采用全自动或半自动生产线进行继电器生产。20世纪六十年代出现了两种新型继电器：舌簧继电器和基于半导体技术的固态继电器（Solid State Relay）。舌簧继电器结构十分简单，它的触点系统与磁路全二为一，是将两根导磁又导电的簧片封结在一个玻璃管中做成的，叫做舌簧管。将舌簧管放在个线圈中就做成了舌簧继电器。它的特点是结构简单、体积小、吸合时间短、线圈消耗功率小（即灵敏度高）适用于微电子电路。固态继电器是没有动作零件、没有触点的继电器。它是利用晶体管的导通与截止来控制电路的通断的，它的输入部分（相当于电磁继电器线圈）与输出电路的绝缘隔离采用光电耦合或变压器耦合方式。它的特点是动作时间更短（以s计）灵敏度更高。无触点因而寿命长、工作可靠、耐振动冲击能力很强，对其它电子线路不构成干扰。目前的缺点是抗电磁干扰能力差、断开“触点”间绝缘电阻和介电强度低、过负载能力差，最大缺点是成本太高。它最适用的地方是计算机输入输出接口。现在小功率的固态继电器的高度可以做到2mm；而大功率的固态继电器的输出电路已能能断上百安培。1.3 发展方向随着半导工艺的发展和成本的降低，固态继电器将部分取代电磁式继电器。电磁继电器，由于成本低、技术成熟，现在仍有一定的发展空间，其主要发展方向是小型化、高功率、高可靠和高的环境适用能力，在生产方面，则致力于尽量降低成本，提高生产率。1、 继电器的分类继电器可以有许多分类原则，有按原理分的、有按用途分的、有按结构分的、也有按负载大小、功率大小分的。我在这里按工作原理来分类 。电气继电器按工作原理来分主要有四大类：电磁继电器、舌簧继电器、固态继电器和混合式继电器。电磁继电器又分直流继电器、交流继电器、极化继电器、磁保持继电器。舌簧继电器又分干式和湿式；固态继电器中又分光隔离与变压器隔离两大类。混合式继电器就是将半导体线路与电磁式继电器结合而成的继电器。这种继电器可以扩展继电器的附加功能和提高电磁继电器灵敏度，如改变动作时间，做成延时继电器等等。有人把利用其它物理或化学变化引起的触点通断动作而制成的开关也叫做继电器。这样一来，继电器的种类就更多了，如温度继电器、压力继电器、流量继电器、速度继电器、瓦斯继电器等等。但是这种名称没有得到国际上的广泛承认，国际上大部分国家把这些继电器都称为开关。2、 电磁继电器的典型结构电磁继电器由两大部分组成：一是电磁系统，它是继电器的输入部分，它实质上就是一个电磁铁；二是触点系统，它是继电器的输出部分，它实质上是实现电路切换的开关组合。电磁系统一般有一个可动的衔铁、一个不动的铁芯、一个不动的连接衔铁与铁芯的轭铁和一个或数个绕在铁芯上的绕组。接触系统一般由静触点、动触点、簧片、触点的导电片和绝缘支撑体组成。此外，在两大部分之间还有产生反力和传递力的机构。分别称做反力弹簧和驱动杆（片）。简单的继电器可以省去驱动件，反力弹簧也可由动簧片兼“任”。螺管式电磁系统的优点是，衔铁动程较大，吸力特性的形状易于调整以便和反力特性恰当配合。因此由这种电磁系统做成的继电器可以切换较高的电压和电流的负载。缺点是结构复杂、成本较高，也不耐振动和冲击。平衡旋转式电磁系统的优点是，衔铁质量对其转轴是平衡的，因此，可以耐受很高的振动和冲击应力，适用于各种运动设备中，如航空航天器、战车、舰船等。缺点是结构复杂、成本高。衔铁直接带动式的触点系统结构最简单、成本最低，最大缺点是触点接通时易产生触点回跳，从而大大降低了触点的寿命。堆杆推动力式触点系统在很大程度上克服了衔铁直接带动式触点系统的缺点，因此接触比较可靠，寿命较长。缺点是结构稍微复杂一些。簧片预张式触点系统的优点是，触点压力不受衔铁位置的影响，一致性较好，允许触点有较大的跟踪而压力不增加。因而接触压力稳定，在整个工作寿命期间触点接触都比较可靠。此外，还有较大的触点断开力，当触点轻微粘结时不会造成失效。缺点是结构比推杆式更复杂了。3、 电磁继电器的工作原理4.1基本工作原理电磁继电器的线圈在外来电信号的激励下产生电流，通有电流的线圈周围和线圈轴孔内就产生磁场，磁场将电磁系统中的导磁零件（铁芯、轭铁和衔铁）磁化。磁化的铁芯将磁化的衔铁吸向铁芯，衔铁驱动簧片运动从而完成电路的切换（见图1、图2）。反之，当线圈中无电流时，磁场消失，导磁零件磁性消失，吸力消失，衔铁在簧片反力或反力弹簧作用下返回初始位置，触点也同时返回原来位置完成电路的“反”切换。4.2 电流的磁场电流周围有磁场，空间某一点磁场的强弱由单位电流在该点受力的大小确定，叫做作磁感应强度，通常用B表示。B = Fmax / I.L (4-1)式中Fmax试验电流L在该点受到的力的最大值。I试验电流。L试验电流的微小受力段。电流产生的磁场强弱和方向服从毕奥萨伐定律。B = （/4）（Id1r/r3）式中磁场中介质的导磁率。Id1产生磁场的电流元，I是电流强度，d1是所考虑电流微段的长度，Id1是矢量，其方向是电流的方向。r所考虑的电流元到考查点的矢径。毕奥萨伐定律可有语言表述如下：载流导线的任一电流元Id1在给定点P所产生的磁感应强度dB的大小与电流元的大小成正比，与电流元和由电流元到P点的矢径之间的夹角的正弦成正比，并与电流元到P点的距离的平方成反比；dB的方向垂直于d1和r所组成的平面，指向由Id1径小于180度的角度转向r的右旋螺钉前进的方向。根据毕奥萨伐定律可以导出对导出对继电器吸力计算非常有用的安培环路定律：HId1 = I0 (4-3)(L) (L内)式中I0为传导电流；H=B/。用语言表述就是：磁场强度沿任何环路L的线积分，等于穿过这环路的所有传导电流的代数和（与束缚电流无关）4.3 磁通与磁场力因为B是一个既有大小又有方向的矢量，所以可用磁力线来形象地描述磁场。磁力线某一点的切线表示该点B的方向，该点附近磁力线的密疏表示该点B的强弱。而穿过某一面积的磁力线的多少，则代表穿过该面积的磁通量是多少。磁通量一般用表示。在均匀磁场中磁性物体受到磁吸力可用下式计算：F = 2/（20S） N （4-4）式中穿过磁性物体的磁通 WbS磁通进入磁体所穿过的面积 m20真空导磁率（近似等于空气导磁率）0 = 4 10-7H/m4.4 拍合式电磁系统磁路的近似计算由于铁磁物质的导磁率比空气高几千倍，所以磁通绝大部分流经铁芯、衔铁和轭铁，且分布比较均匀（见图7），可以看成均匀磁场。设铁芯、衔铁和轭铁中的磁感应强度分别为BC、BA、BY。因为磁力线是无头无尾的，所以在磁通路径上各处的磁通量是一样的，设为。图7 拍合式磁路示意图在均匀磁场中=B.S (4-5)式中S为垂直穿过的面积。设铁芯、衔铁和轭铁的截面积分别人SC、SA、SY,则BC=/SC BA=/SA BY=/SY （4-6）或：=BCSC=BASA=BYSY=B.S (4-7)式中B、S分别为衔铁与铁芯间空气隙的磁感应强度和截面积。S可近似取为铁芯极面的面积。B不是均匀的，在气隙很小时，可近似看为均匀的。根据安培环路定理，我们取铁心、气隙、衔铁和轭铁为磁环路，则沿该磁环路磁场强度的线积分，等于各段线积分之和，又由于各段磁场是均匀的，所以：HId1 =HCLC+H+HALA+HYLY=Ii=WI （4-8）Ii即环路内所有传导电流的代数和。I为线圈电流，W是线圈匝数，HC、H、HA、HY分别铁心、空气隙、衔铁和轭铁中的磁场强度。因为H=B/由（4-8）、（4-6）可得WI=（IC/CSC+ /0S+IA/ASA+LY/YSY） （4-9）在磁通不饱和的条件下，可以认为C =A =Y =，显然括号内的值只与电磁系统的几何尺寸和磁状态有关。令该值为RM。则WI=RM （4-10）如果我们把WI看为与电路中的电压，看为电流，同RM相当于电阻，这里称为磁阻。所以（4-10）可以认为是磁路的欧姆定律。由于RM是全磁路的磁阻，（4-10）式也可认为是全磁路欧姆定律。WI可看成是磁动势。由（4-9）和（4-10）RM= IC/CSC+/0S+IA/ASA+LY/YSY （4-11）式中前三项分别可以认为是铁心、衔铁和轭铁的磁阻，最后一项是空气隙的磁阻。由于C、A、Y都远远大于0。所以在RM中，当较大时（衔铁位于释放位置）前三项所占的比例较小，一般不超过15%，粗略估计时可以认为空气隙的磁阻等于全磁路磁阻。由此也可以看出铁磁零件在磁路中的作用是导磁。它的磁阻越小越好。设Y3F空气隙长度为0.04mm，Y3F极靴面积为S=.62/4(mm2),线圈匝数3750。我们来估算一下在工作电压下Y3F-S-112D在释放状态下的电磁吸力。由于空气隙的磁阻近似等于全磁路磁阻，因此由（4-11）式得RM =R=/0S 代入（4-11）式=WI=WI=（WI）. 0S (4-12)RMR将上式代入（4-4）中得：拍合式继电器电磁吸力：F=2=（WI）. 0S）2.1 (S=S)20S20S=（WI）2. 0SN (4-13)22式中：WI线圈AT值。0空气导磁率4 10-7H/m。S铁芯极靴面积（mm2）气隙长度由以上公式得出结论： 吸合力与衔铁和铁芯面间间隙之平方成反比，因此，调整Relay动作不良时，应确定一下Follow的大小，而不是首先减B压力，稍试一下Follow就会使吸合力增加很大。 吸合力与线圈WI值平方成正比。以Y3F-S-112D为例，估算在释放状态的电磁吸力。已知：气隙长度0.4mm=0.410-3m极靴面积S=.R2=.(d2/2)= .62/4=9. 10-6（m2）线圈匝数为3750T，电阻400IW=12/400.3750=112.5(A)空气导磁数0 = 4 10-7H/m将代入（4-13）式得：F=（IW）2. 0S22=112.52410-7H/m910-62(0.410-3)2=1.4N由于实际磁路中还有导磁零件阻和漏磁，实际吸力F=（0.85）2.F=0.72F=0.721.4=1.0 N；同样可计算出吸合不动作时电磁吸力。4、 继电器在电路中的作用5.1 基本作用因为继电器的本质是自动开关，所以它在电路中的基本作用就是按照人的安排，在需要的时候闭合或断开电路。5.2 主要功能5.2.1 放大功能我们可能通过继电器用小的、较弱的电信号来控制较强功率的电负载。如Y3F的线圈消耗功率是360W，但它的触点可控制250V