發布日期：2022-04-27 點擊率：209
摘要： 文章介紹一種低高度高耐壓中功率繼電器的磁路系統、驅動系統、接觸系統的潛在失效模式分析及優化設計，并對工藝難點及材料選用進行簡要說明。
關鍵詞：電磁繼電器；設計；高耐壓
1 引言
根據IEC335《家用及類似用途電器的安全》、IEC730《家用及類似用途電自動控制器的安全》標準，家用電器、自動控制器按電擊防護等級分為0類、Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類。在歐洲，人們對安全性能要求較高，對于額定電壓為安全電壓以上的產品，越來越多地要求其滿足Ⅱ類器具或控制器的電擊防護需要，也就是能提供雙重絕緣或加強絕緣的安全防護措施。為滿足該要求，并降低成本，越來越多客戶要求提供達到加強絕緣要求的電磁繼電器，同時，為實現產品的小型化，要求繼電器高度低于12.5mm。經調研發現，市場上絕大部分中功率繼電器無法滿足該要求，因此，我司決定研制一種低高度高耐壓中功率繼電器。
2 產品性能指標
產品主要技術指標如表1 所示。
3 結構設計
3.1 總體結構（見圖1）
3.2 磁路系統
中功率繼電器采用的磁路結構有以下形式（見圖2）。
最常用的是圖2（a）方案，零件少，結構簡單，具有較高的成本優勢，但因動簧與軛鐵鉚接在一起，磁路系統與接觸系統間很難滿足加強絕緣要求。
圖2（b）方案中，磁路系統與接觸系統采用垂直推桿連接，可以滿足高隔離的要求，但因磁路系統與接觸系統為上下放置，無法滿足客戶的低高度要求。如果縮短推動卡長度，降低高度，磁路系統與接觸系統間很難滿足加強絕緣要求。
本產品設計采用圖3 方案，臥式磁路系統裝入單向開口的底座腔體中，利用底座的側墻實現磁路系統與接觸系統的隔離，可以很好滿足磁路系統與接觸系統的電氣間隙大于8mm、爬電距離大于8mm、穿透距離大于2mm 的加強絕緣要求。
為避免了軛鐵、鐵心鉚接時的磁損耗，有效地提高磁路效率，將線圈功耗降低，其軛鐵、鐵心采用一體化結構（圖4）。
線圈引出腳采用圓絲插入線圈架，與采用嵌件注塑相比，工藝難度低，成本低。通過合理設計圓絲的壓扁尺寸（圖5），保證了引出腳的插拔力，減少塑料屑的產生。
銜鐵利用U 形缺口與線圈架（圖6）配合，并利用壓簧進行前后限位。銜鐵在壓簧面上轉動，避免在塑料面上轉動，產生塑料屑，導致轉動不靈活。
3.3 驅動系統
為滿足磁路系統與接觸系統高絕緣距離的要求，設計了一個沿長度方向的推動卡（圖7）。銜鐵吸合，帶動推動卡向接觸系統運動，使得動觸點與常開靜觸點接觸。推動卡沿底座側面移動，有效降低產品高度，滿足低于12.5mm 的要求。
在已有的設計中，采用沖制斜臺的銜鐵（圖8）過盈插入推動卡（圖7）缺口的方式實現銜鐵與推動卡的定位和連接，容易產生塑料屑或造成推動卡開裂。本產品利用銜鐵的凸臺與推動卡的斜面配合實現推動卡上下方向的定位（如圖9），避免過盈裝入產生塑料屑或造成推動卡開裂。
（1）如圖10（a）先將銜鐵與推動卡擺成銳角，讓銜鐵凸臺穿過推動卡。因推動卡的空隙大于銜鐵凸臺的厚度，所以不會產生塑料屑或造成推動卡開裂。
（2）如圖10（b）旋轉銜鐵，使銜鐵與推動卡擺成接近直角，銜鐵凸臺與推動卡斜面接觸。由于此時推動卡與銜鐵的間隙小于銜鐵的凸臺高度，因此，銜鐵不會脫落。
（3）如圖1 將銜鐵與推動卡組合裝入磁路部分。由于受到軛鐵、底座限位，產品工作時，銜鐵與推動卡的夾角一直保持在90°左右。
3.4 接觸系統
一般情況下，繼電器的動簧變形是沿著長度方向產生的，如圖11（a），但本產品由于高度很低，只在高度方向上的變形，柔性不夠。為克服該缺點，也可采用平面U 型動簧,如圖11（b）。雖然情況得到一定改善，但接觸系統型腔仍然沒有得到充分利用。本產品采用如圖11（c）的動簧片，動簧片在三維方向上均可產生變形，充分利用空間，以此來實現良好的柔性。
圖11（b）動簧結構與圖11（c）動簧結構應力應變測量結果如圖12。
由圖12 可以看出，參考動簧的柔性比本產品動簧差。同時，參考動簧在推動點受力后，向前傾斜，造成觸點上端接觸，降低電壽命性能。
本產品動簧在推動點受力后，向前變形，動觸點與靜觸點接通，此時，繼續將動簧片向前推，則動簧上部以觸點為支點，向前產生一個扭轉，從而產生觸點跟蹤，并使用觸點相對轉動，有效地將動、靜觸點可能發生的粘結拉斷。
由于該產品的外形尺寸較小，底座（圖14）上固定上靜簧（圖13）后部的塑料較薄，在高溫下，上靜簧會向后傾斜，使得觸點超行程消失，造成產品失效，因此本產品采用上靜簧呈L 形與底座凹槽配合的方式，與采用平面固定的方式相比，具有較好的熱穩定性。
4 工藝難點
本產品采用一體化鐵心，為保證產品的驅動安匝值，鐵心小截面設計為寬2.2mm，厚1.8mm。因為寬厚比接近1，在沖制時容易出現扭曲變形，經多次試驗，利用公司先進的精密磨具制造技術，制造出合格零件，并實現大批量生產。
5 新材料的運用
該產品研制成功后，主要銷往歐洲、美國等地區，因而材料選用必須符合歐洲標準VDE0435/0110、美國標準UL508 等的要求。
VDE 標準要求：
（1）熱球壓試驗：溫度高于125℃。
（2）灼熱絲試驗： 溫度高于850℃。
（3）耐漏電起痕指數：高于PTI 250。
（4）燃燒性試驗符合要求。
UL 標準要求：
（1）燃燒性試驗符合要求。
（2）線圈絕緣等級符合要求。
根據上述要求分析，UL 認證側重于線圈架、外殼的用料，VDE 側重于底座、推動塊絕緣件的用料。
6 結論
該產品性能符合設計任務要求，達到國際同類產品水平，通過VDE、UL 認證。產品在設計過程中，較好地開展潛在失效模式與后果分析，保證產品試制、量產的順利進行。產品大量出口歐美，質量穩定，得到客戶好評。
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