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2020/7/29,Rockwell Automation,1,电器原理及控制技术,主讲:网络与电气智能化研究所 李中伟 联系电话:86413623 Email: ,2020/7/29,Rockwell Automation,2,第5章 电磁式继电器,5.1 电磁式继电器的机械特性 电磁式继电器机械特性的定义 电磁式继电器机械特性的有关概念 电磁式继电器机械特性的类型,2020/7/29,Rockwell Automation,3,电磁式继电器机械特性的定义,继电器的机械特性是其簧片系统的反作用力(或力矩)在气隙处的归算值与衔铁行程/工作气隙(或衔铁转角)之间的关系。 机械特性中的反作用力均系指气隙处的归算值,这是为了便于与电磁吸力相比较。 继电器簧片系统的结构是多种多样的,因此继电器的机械特性亦为多种类型,但一般均由若干折线组成。,电磁式继电器机械特性的有关概念,开距:动触点和静触点间的最大距离。开距分为动合开距与动断开距。 动合开距:动触点与动合静触点之间的最大距离,即衔铁处于初始位置( )、动触点与动断静触点完全接触时,动触点与动合静触点之间的距离。 若无特别说明,开距 一般即指动合开距。,开距:动触点和静触点间的最大距离。开距分为动合与开距动断开距。 动断开距:动触点与动断静触点之间的最大距离,即衔铁处于最终位置( )、动触点与动合静触点完全接触时,动触点与动断静触点之间的距离。,电磁式继电器机械特性的有关概念,超程:触点的超额行程。超程分为动合超程与动断超程。 动合超程:动触点从与动合静触点刚刚接触时起运动到最终位置( )时的位移。 一般超程即指动合超程。,电磁式继电器机械特性的有关概念,超程:触点的超额行程。超程分为动合超程与动断超程。 动断超程:动触点从初始位置( )运动到与动断静触点刚刚离开时的位移。,电磁式继电器机械特性的有关概念,触点动断初压力:初始位置( )时动触点与动断静触点间的压力,有时也简称为触点初压力。,电磁式继电器机械特性的有关概念,触点动合终压力:最终位置( )时动触点与动合静触点间的压力,有时也简称为触点终压力。,电磁式继电器机械特性的有关概念,电磁式继电器机械特性的类型1.无初始跳跃的三段式机械特性,机械特性及有关参数,在 到 的距离内1段 反力组成:弹簧力,正反力;动断静触点压力,负 反力。,电磁式继电器机械特性的类型1.无初始跳跃的三段式机械特性,机械特性及有关参数,在 到 的距离内2段 反力组成:弹簧力,正反力。,电磁式继电器机械特性的类型1.无初始跳跃的三段式机械特性,机械特性及有关参数,在 到 的距离内 3段 反力组成:弹簧力,正反力;动合静触点压力, 正反力。,2020/7/29,Rockwell Automation,14,电磁式继电器机械特性的类型2.有初始跳跃的三段式机械特性,初始位置反力组成:弹簧力,正反力;动簧片压力,正反力;动断静触点压力, 负反力;刚性限位点压力,负反力。 1段反力组成:弹簧力,正反力;动簧片压力,正反力;动断静触点压力, 负反力。 2段反力组成:弹簧力,正反力;动簧片压力,正反力。 3段反力组成:弹簧力,正反力;动簧片压力,正反力;动合静触点压力, 正反力。,2020/7/29,Rockwell Automation,15,电磁式继电器机械特性的类型3.有初始跳跃的四段式机械特性,初始位置反力组成:弹簧力,正反力;刚性限位点压力,负反力。 1段反力组成:弹簧力,正反力。 2段反力组成:弹簧力,正反力;动簧片压力,正反力;动断静触点压力, 负反力。 3段反力组成:弹簧力,正反力;动簧片压力,正反力。 4段反力组成:弹簧力,正反力;动簧片压力,正反力;动合静触点压力, 正反力。,2020/7/29,Rockwell Automation,16,电磁式继电器机械特性的类型4.有初始跳跃的五段式机械特性,初始位置反力组成:弹簧力,正反力;动簧片压力,正反力;动断静触点压力, 负反力;刚性限位点压力,负反力。 1段反力组成:弹簧力,正反力;动簧片压力,正反力;动断静触点压力,负反力。 2段反力组成:弹簧力,正反力;动簧片压力,正反力;动断静触点压力,负反力; 限位片压力,正反力。 3段反力组成:弹簧力,正反力;动簧片压力,正反力。 4段反力组成:弹簧力,正反力;动簧片压力,正反力;动合静触点压力,正反力; 限位片压力,负反力。 5段反力组成:弹簧力,正反力;动簧片压力,正反力;动合静触点压力, 正反力。,2020/7/29,Rockwell Automation,17,第6章 舌簧继电器,6.1 干式舌簧继电器,特点 结构与材料 工作原理 基本关系式 干簧管的永磁操作 干簧继电器的设计,2020/7/29,Rockwell Automation,18,6.1 干式舌簧继电器,特点 优点: 触点密封于充有有利于灭弧的惰性气体的玻璃管中,大大减少了触点开闭过程中火花引起的碳化和氧化作用,触点工作可靠性高。 (2) 动作时间短:(0.4 2) ms ,特别适用于远距离话路的传输设备及检测采样。 (3) 簧片的接触部分触点采用贵金属或贵金属合金镀层,使触点耐磨性提高,簧片弯曲轻微,寿命较长,可达107108次。 (4) 接触电阻低而稳定,为(50200) 。 (5) 吸合功率小,灵敏度高。 (6) 在多触点继电器中,属小型(体积小)。 (7) 轴向结构,高频传输特性好。 (8) 可通过线圈反应各种电的信号,还可通过永久磁铁反应各种非电信号。 (9) 使用过程中不需调整,维护方便。 (10) 结构简单,零件少,易于实现自动化生产,生产效率极高。 (11) 价格低廉。,2020/7/29,Rockwell Automation,19,6.1 干式舌簧继电器,1. 特点 缺点: (1) 触点易产生冷焊而出现粘牢现象。 (2) 触点切换容量低。 (3) 过载能力低(镀层薄所致),不耐大电流冲击。 (4) 因触点开距小,故耐压较低,只适用于电压较低的电路。 (5) 具有多组触点的干簧继电器存在触点不同时接触的现象。 (6) 簧片在断开时有机械颤抖现象。,2020/7/29,Rockwell Automation,20,6.1 干式舌簧继电器,2. 结构与材料 图6.1所示为具有一对动合触点的干簧继电器的结构简图。,图6.1 干簧继电器结构简图 1屏蔽罩;2干簧管;3线圈;4引出线,2020/7/29,Rockwell Automation,21,6.1 干式舌簧继电器,2. 结构与材料 干簧管是干簧继电器的核心部分,它可以做成动合(常开)(H型或A型)、动断(常 闭)(D型)与转换(Z型或C型)三种型式,其结构如图6.2所示。,图6.2 干簧管结构简图,(a) H型(A型),(b) D型,(c) Z型(C型)1,(d) Z型(C型)2,2020/7/29,Rockwell Automation,22,6.1 干式舌簧继电器,2. 结构与材料 干簧管由一组舌簧片(其形似舌,故称为舌簧片,舌簧继电器即由此得 名)与玻璃封结而成,管内充以惰性气体(一股为氮气)。簧片兼有导 磁、导电及作为弹性元件等多种作用,它是触点又是磁驱动部分。 因此,簧片材料应按下列原则来选取: (1)饱和(最大)磁感应强度要大,矫顽力要小。 (2)导电性好。 (3)有良好的弹性。 (4)能与玻璃实现气密性封结,工艺加工性好。 通常采用IJ50铁镍合金丝作为簧片材料。 可用作干簧簧片丝的材料还有IJ79及含金钴合金的材料。但由于这些 材料在处理工艺上有难度和价格等因素,因此工业生产中极少采用。 簧片与玻璃管的封结方法有三种:火焰加热法;红外线聚光封结法; 电加热法。,2020/7/29,Rockwell Automation,23,6.1 干式舌簧继电器,3. 工作原理,上图所示的动合舌簧片是分别固定在玻璃管的两端的,当线圈通电后,在线圈内部及其周围空间产生磁场,簧片在磁场中被磁化,两簧片处于管中的自由端呈现出相反的极性,即一端为N极、另一端为S极,因此两簧片相互吸引,当吸引力大于反力时,两簧片的自由端就吸合在一起而相互接触,从而将被控的外电路接通。当线圈断电时,磁场消失,两簧片间的吸引力随之消失,两簧片在其本身弹力的作用下分开而脱离接触、返回原位,被控电路便被切断。,(a) H型(A型),2020/7/29,Rockwell Automation,24,6.1 干式舌簧继电器,3. 工作原理,图(b)所示的动断舌簧片是固定在玻璃管的同一端的,它们在通电线圈所产生的磁场的作用下,其自由端所呈现的磁极性相同(图(b)中均为S极),因此就“同性相斥”而断开。在动断舌簧片的基础上再加一个动合舌簧片,就构成了转换型式的触点,如图(c)所示。,(b) D型,(c) Z型(C型)1,2020/7/29,Rockwell Automation,25,6.1 干式舌簧继电器,3. 工作原理,图(d)给出的转换型干黄管的工作原理如下:动断舌簧片a中的自由端是由非导磁材料制成的,其长度为a2,由于a2大于动合舌簧片b与动舌簧片c之间的气隙a1,因此线圈通电后,通过a1的磁通大于通过a2的磁通,这使得动合舌簧片b与动舌簧片c之间的电磁吸力F1大于动断舌簧片a与动舌簧片c之间的电磁吸力F2,当F1增加到大于F2与动舌簧片c的簧片反力F3之和(F1 F2+ F3)时,b与c就会吸合在一起。,(d) Z型(C型)2,2020/7/29,Rockwell Automation,26,6.1 干式舌簧继电器,3. 工作原理,图6.3 水久磁铁驱动干簧管,干簧管触点的开闭不但可用线圈的通电与断电来控制,也可用永久磁铁(通常所说的磁钢)来控制,如图6.3所示。图中永久磁铁所产生的磁通使簧片磁化,当永久磁铁移近至一定距离时,两簧片的自由端就吸合;当永久磁铁远离干簧管至一定距离 时,两簧片将返回原位。,2020/7/29,Rockwell Automation,27,6.1 干式舌簧继电器,4. 基本关系式,(a)磁场分布 (b)等效磁路 图6.4干簧继电器的磁场分布与等效磁路,研究干簧继电器的磁路及电磁吸力、簧片反力和触点压力的基本关系式。,2020/7/29,Rockwell Automation,28,6.1 干式舌簧继电器,4. 基本关系式,式中 IN 线圈磁势; 线圈外部空间磁通路径的磁阻; 簧片的磁阻; 簧片间气隙磁阻。,(6.2),(6.1),式中 簧片间气隙长度; 簧片宽度; 簧片搭接部分长度(见下图),称为簧片重叠度; 比例系数,其值与气隙大小有关,气隙较小时, 。,2020/7/29,Rockwell Automation,29,6.1 干式舌簧继电器,4. 基本关系式 簧片间的电磁吸力可Fx 近似用麦克斯韦电磁力计算公式,(6.3),式中 簧片搭接部分的面积, ; 气隙中的磁感应强度, ; 真空中的磁导率, 。,2020/7/29,Rockwell Automation,30,6.1 干式舌簧继电器,4. 基本关系式 簧片受电磁吸力作用而相互吸引后产生弯曲变形,由此产生企图使簧 片回到原位的簧片反力Ff ,Ff由下式给出,(6.5),式中 E 簧片材料的弹性模量(MPa); J 簧片截面对中性铀的惯性矩(截面惯性矩), ; l 簧片自由端至固定端的长度(mm); y 簧片自由端的挠度(mm)。,触点压力Fz等于两簧片端部相互吸合后的吸力Fx与簧片反力Ff 之差,即,(6.6),
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