葉彬

摘要：電磁式繼電器是利用通電線圈磁場，結(jié)合彈簧彈力，控制磁鐵往返運(yùn)動，從而在繼電器觸點(diǎn)間建立閉合～分離工作機(jī)制。此類繼電器如果在復(fù)雜的磁場環(huán)境中使用，可能因?yàn)橥獠看艌龈蓴_造成繼電器功能失效或誤動作導(dǎo)致意外事故。

微電機(jī)是較為普通的驅(qū)動元件，將微電機(jī)應(yīng)用到繼電器中，通過特定傳動機(jī)構(gòu)將電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動，通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)動方向，可實(shí)現(xiàn)閉合～分離動作，實(shí)現(xiàn)繼電器功能。電機(jī)外殼具有屏蔽磁場作用，并且電機(jī)繼電器動作時間僅20ms，復(fù)雜電磁場對電機(jī)影響有限，在電磁復(fù)雜場所，比電磁式繼電器要可靠。

關(guān)鍵詞：微電機(jī)；繼電器；螺桿傳動；復(fù)雜電磁場環(huán)境；誤動作

前言

根據(jù)2011年5月實(shí)施的GBT14598.9-2010 量度繼電器與保護(hù)裝置第22-3部分，電氣騷擾實(shí)驗(yàn)輻射電磁場抗擾度的規(guī)定，繼電器要求在300mT的強(qiáng)磁場環(huán)境中正常工作【1】。這個規(guī)定要求繼電器的驅(qū)動要不受強(qiáng)磁場的影響，防止因?yàn)橥獠看艌龈蓴_造成繼電器功能失效或誤動作導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

電機(jī)機(jī)殼具有電磁場屏蔽作用，受電磁場影響有限，將電機(jī)運(yùn)用到繼電器中，利用電機(jī)扭矩作為繼電器觸點(diǎn)開關(guān)動作的動力源，比普通繼電器更可靠，可以有效地適用于新實(shí)施的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于復(fù)雜電磁場環(huán)境。

1.原理對比

電磁式繼電器由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等部件組成。線圈通電產(chǎn)生磁場，吸引銜鐵移動，斷電時磁力消失，銜鐵在彈簧彈力作用下反向移動，從而實(shí)現(xiàn)繼電器的通斷電動作。如果繼電器所處環(huán)境電磁場復(fù)雜，比如繼電器受強(qiáng)磁場干擾時，繼電器可能會因線圈磁場受干擾導(dǎo)致磁場減弱無法驅(qū)動銜鐵移動，或外部磁場太強(qiáng)引起銜鐵移動，輕則繼電器功能失效，重則因繼電器意外閉合～分離動作，導(dǎo)致事故發(fā)生，對生命財(cái)產(chǎn)造成損害。

電機(jī)是常用的電驅(qū)動元件，電機(jī)輸出的是圓周運(yùn)動（繼電器銜鐵是直線運(yùn)動），改變電機(jī)電流方向就改變電機(jī)運(yùn)動方向，輸出力矩方向隨之改變。通過傳動機(jī)構(gòu)將電機(jī)圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動，就能推動傳動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)往返運(yùn)動，推動繼電器觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)閉合～分離，這就是電機(jī)式繼電器。電機(jī)式繼電器“閉合”或“分離”時間約20毫妙，其他時間處于斷電閉鎖狀態(tài)，不受外部環(huán)境影響。

2.詳細(xì)方案

電機(jī)式繼電器的關(guān)鍵在于傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。傳動結(jié)構(gòu)要滿足以下幾點(diǎn)：

（1）電機(jī)響應(yīng)時間短，運(yùn)轉(zhuǎn)順暢，扭力適度；

（2）傳動結(jié)構(gòu)將圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動，傳動結(jié)構(gòu)行程精準(zhǔn)， 準(zhǔn)確推動簧片的“閉合”或“分離”；

（3）傳動結(jié)構(gòu)閉鎖合理有效，能有效抵抗振動等外部因素的影響。

常用的傳動結(jié)構(gòu)中，圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動的結(jié)構(gòu)有凸輪結(jié)構(gòu)、曲柄結(jié)構(gòu)、齒輪齒條結(jié)構(gòu)、螺旋軸結(jié)構(gòu)。綜合考慮，選擇螺旋軸連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，力矩較大，電機(jī)驅(qū)動結(jié)構(gòu)原理如下圖1。

螺旋軸連桿結(jié)構(gòu)通過電機(jī)正反轉(zhuǎn)，帶動螺旋軸推動內(nèi)螺紋套筒做往返運(yùn)動。該結(jié)構(gòu)通過連桿結(jié)構(gòu)放大電機(jī)力矩，給推桿提供所需的推力和拉力，利用滾輪將滑動摩擦改為滾動摩擦，從而減小阻力，行程通過對套筒限位來控制。

優(yōu)點(diǎn)：1.有效控制控制行程；

2.傳動穩(wěn)定，靜止?fàn)顟B(tài)也穩(wěn)定，不會反彈；

缺點(diǎn)：1.螺旋軸和推管需要特殊加工；

2.堵轉(zhuǎn)時，由螺紋承受力，需要考慮齒牙強(qiáng)度。

3.設(shè)計(jì)方案

3.1參數(shù)預(yù)設(shè)

預(yù)設(shè)連桿長度12mm，初始時連桿與水平方向夾角銳角為35°，推桿行程2mm，19°時開始受阻力力，則，套筒行程為4.87mm，結(jié)束時夾角為10°。另設(shè)，推桿所受阻力為4N。通過對結(jié)構(gòu)做受力分析可知，螺旋軸推力與推桿推力的關(guān)系為：

F螺/F推=tanθ， θ為與水平方向銳角夾角

當(dāng)螺旋軸推力一定時，在運(yùn)動過程中，θ逐漸變小，則推桿的推力會逐漸加大，θ=35°時推桿推力與螺旋軸推力相等，也就是說當(dāng)θ≦45°時，結(jié)構(gòu)滿足省力條件，則，連桿19度時，取推桿所受阻力為4N，套筒推力與推桿推力的比值為tan19°，則套筒所需推力1.377N。結(jié)束時，套筒推力與推桿推力的比值為tan10°，套筒保持推力1.377N，則推桿推力為7.81N 3.2螺旋軸力矩?fù)Q算與條件設(shè)定

螺紋傳動傳動力矩與傳動力的換算公式為： T=Q*tan（ψ+ρ）*d2/2

其中，Q為軸向推力，即1.377N，ψ為螺紋升角，tanψ=P/（πd2），（P是螺紋螺距，d2為螺旋軸中徑），ρ為摩擦角。要滿足螺紋自鎖，則ρ≧ψ，所以，tanρ≧tanψ= P/（πd2）

tan（ψ+ρ）= （tanψ+tanρ）/（1-tanψ*tanρ）

= （P+πd2 * tanρ） /（πd2-P*tanρ）

因?yàn)椋?tanρ≧tanψ= P/（πd2）

所以，tan（ψ+ρ） ≧2P*πd2/[（πd2）2-P2]

螺旋軸選擇M4*0.7時，P=0.7mm， d2=3.70mm，齒高=5/8H=0.379mm，H=0.8666025P【2】。

則有tan（ψ+ρ）≧0.121 T≧0.308N.mm=3.018gf.cm

螺旋軸轉(zhuǎn)動6.97圈，動作時間20ms，則要求電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)速約為20910r/min

4.強(qiáng)磁場對電機(jī)的影響

用強(qiáng)磁場干擾電機(jī)，驗(yàn)證電機(jī)在強(qiáng)磁場下能否完成動作。

將電機(jī)用支撐治具固定，接通電源，利用頻閃燈測定電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過電流表，讀取工作電流，首先通過控制強(qiáng)磁鐵與電機(jī)之間的距離，測定在不同距離時，電機(jī)的電器特性，然后改變強(qiáng)磁鐵與電機(jī)貼近面的極性，測定不同極性條件下電機(jī)的電器特性，最后將強(qiáng)磁鐵貼在電機(jī)上，測定電機(jī)啟動電壓。得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果制成表格及曲線圖，如下：

實(shí)驗(yàn)表明：

（1）N極靠近時，電機(jī)會出現(xiàn)速度先加大，隨后減小的現(xiàn)象；S極靠近時，電機(jī)轉(zhuǎn)速會持續(xù)上升，隨著磁場強(qiáng)大增大，轉(zhuǎn)速上升率越大；隨著磁場的增大，電機(jī)的工作電流會增大，S極靠近時，變化明顯；

（2）啟動電壓受磁場影響較大，0.5V的啟動電壓在加強(qiáng)磁場后，會變成1.2V左右；

綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，磁場會對電機(jī)轉(zhuǎn)速有一定的影響，但在300mT磁場環(huán)境下，磁場不會造成電機(jī)工作失效或停止工作，可以正常使用。

將電機(jī)應(yīng)用到繼電器中可以有效地解決強(qiáng)磁場環(huán)境中繼電器誤動作的問題，使繼電器可以適用于新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)中所運(yùn)用的結(jié)構(gòu)均為通用結(jié)構(gòu)，同樣的，運(yùn)用電機(jī)來實(shí)現(xiàn)往返運(yùn)動的設(shè)計(jì)也可用于同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中。

5.小結(jié)

通過設(shè)計(jì)傳動結(jié)構(gòu)，選擇合適的電機(jī)作為驅(qū)動力，可以實(shí)現(xiàn)繼電器的開關(guān)動作。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國電器工業(yè)協(xié)會，GB/T14598，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[2]吳宗澤.《機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊》.機(jī)械工業(yè)出版社，2002.1