电磁继电器设计.docx
《电磁继电器设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电磁继电器设计.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
电磁继电器设计
浙江俊朗电气有限公司
电磁继电器设计培训
一：
定义
继电器种类很多，绝大多数以电磁继电器为主；继电器与电磁继电器有分别的含义：
他们都由两个部分组成；既一个是输入部分我们称之为控制部分；二是输出部分我们称之为被控制部分；继电器的定义是控制部分输入一定的物理量使被控制部分发生跳跃式的变化。
（这个物理量可以是电、磁、光、热、声、气压等）；而我们说的电磁继电器就是磁的量积累到一定的程度使被控制的电路发生‘有或无‘的变化。
二：
与一般开关区别
①一般的开关需要人为控制，譬如用手去拨动；电磁继电器不需要人为的，只要在控制部分输入规格电，由电转化为磁；而靠磁能去激励被控制部分；
②一般开关的控制前后没有实现前后电流的变化（或负载的变化）；电磁继电器它在被激励后实现了负载的接通与容量的断开；它们之间的这个比例称为继电器的放大系数。
三：
功能及分类
继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中。
概括起来，继电器有如下几种作用：
1）扩大控制范围。
例如，多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路。
2）放大。
例如，灵敏型继电器、中间继电器等，用一个很微小的控制量，可以控制很大的功率的电路。
3）综合信号。
例如，当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器是，经过比较综合，达到预定的控制效果。
4）自动、遥控、监测。
例如，自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制线路，从而实现自动化运行。
分类见如下表格：
四：
电磁继电器的结构
（1）电磁继电器的基本组成部分：
a、电磁系统由线圈和闭合磁路（铁心、轭铁、衔铁及气隙）
b、接触系统：
是输出电路的执行机构；
c、附属部分：
包括驱动机构（将衔铁的动能传递给接触系统组件）、返回机构（弹簧、永久磁钢、重力）
前面我们提到放大系数这个名词；他的真正含义与客户需求和设计者考虑结合的结果。
因为就电磁继电器而言它的结构方式同时也一定程度上决定了他的触点容量：
一般的继电器力的传递方式有两种：
直接（拍合式）与接间（推杆式）（结合我们公司，我将我们公司的产品与负载和触点压力列表于下：
（表1）
拍合式
品名
负载
转换力
静合压力
动合压力
触点间隙
跟动mm
通信
HRA
1A
≥3g
0.18≤d≤0.25
d≥0.05
HRS1
1A
0.18≤d≤0.25
HRS1K
1A
0.18≤d≤0.25
HRB1
1A
≥2g
0.18≤d≤0.25
d≥0.05
HRS2
1A
0.15≤d≤0.25
0.05≤d≤0.12
功率
HRS1KH3
3A
0.18≤d≤0.25
HRS4
15A/10A
≥8g
≥20g
d≥0.35
d≥0.1
HRS4T
12A/10A
≥8g
d≥0.30
d≥0.12
HRS4E
10A
≥8g
d≥0.30
d≥0.1
CMP7
30A
≥12g
≥40g
d≥0.75
汽车
CMA1
15A/20A
≥12g
≥25g
d≥0.35
d≥0.1
CMA2
20A
≥10g
d≥0.35
d≥0.12
CMA33
35A/20A
d≥0.5
d≥0.2
15A/8A
d≥0.5
d≥0.2
CMA51
20A
≥9g
≥18g
d≥0.25
d≥0.1
推杆式
AC3
3A/5A
≥6g
≥10g
d≥0.25
d≥0.1
HRS3（T）
10A
≥6g
≥18g
d≥0.30
d≥0.12
V6/V6F
10A/15A
≥5g
≥13g
d≥0.25
HRM
10A
≥20g
≥40g
d≥0.35
d≥0.12
HRM1
5A
≥15g
≥15g
d≥0.35
d≥0.12
HRM2
16A
≥20g
≥40g
d≥0.35
d≥0.12
HRM3
10A
≥13g
0.30≤d≤0.50
d≥0.15
HRM4
5A
≥5g
0.75≤d≤0.1
d≥0.20
HRMF
20A/16A
≥13g
≥60g
HMT2
8A
≥10g
≥20g
d≥1.6
d≥0.12
CMP6
20A
≥18g
≥25g
d≥0.55
0.12≤d≤0.18
拉簧式
CMA4
40A
≥35g
d≥0.30
0.15≤d≤0.25
CMA31
40A
≥35g
d≥0.40
0.18≤d≤0.40
L7
30A
名词解释：
①负载：
指触点最高容量在电路中能承受的电流大小；
②转换力：
我们又称之为开离力，指的是A、C产品用克力计拨动动簧片头部，往下静的方向，当刚刚与下静触点接触时刻的力称之为转换力；
③静合压力：
我们习惯称之为上克力，指的是B、C产品用克力计拨动动簧片头部，往（假）下静的方向，当刚刚与上静触点分开时刻（悬吊表上常闭灯灭）的力称之为静合压力；它放映了簧片反力的性能指标；
④动合压力：
我们习惯称之为下克力，指的是产品处于完全吸合状态的情况下，使用克力计拨动簧片头部往上静方向，当与下静触点分开时刻（悬吊表上常开灯灭）的力称之为动合压力；它放映了产品的吸力特性。
⑤衔铁超行程：
也叫衔铁跟动，是指A、C产品在动触点与静触点刚接触时衔铁与铁心中心线的垂直距离；由于触点跟踪测量不方便故实际生产时常以册衔铁跟动来保证触点跟踪。
*按照经验两种传动方式的比较列于下表：
（表2）两种传动方式的比较
对比内容
直接传动
接间传动
推动行程
大
小
最终推力
大
小
触点容量
大
小
触点簧片应力
小
大
触点抖动
大
小
触点磨损量
大
小
簧片加工
方便（复合模）
复杂（级进模）
结合我司产品分析符合实际现象，故设计时可参考该表确定选择结构类型。
*在确定传动方式结构后，接下来我们该考虑分析的是立式还是卧式；这与继电器在电路板上的安装有着密切联系，他需要我们考虑是否周边有磁场干扰。
四：
触点负载与压力的关系：
1、通常的经验数据列表于下中：
（表3）
触点电流（A）
触点接触压力（克力）
敞开式
密封式
2
>30
>18
5
>40
>30
10
>70
>55
（备注：
在使用较好材料后可适当降低对压力的要求。
）
2、保证接点闭合时，接点的回跳时间和由此而引起的磨损应在允许的范围内。
一般NC压力为NO（A）压力的1/3~2/3左右。
*3、接触电阻：
先谈谈接触电阻，这个是所有继电器厂家的通病，我们汇港也不例外。
接触电阻：
（Rc）闭合电路的电阻；从理论分析接触电阻可以分为以下几种电阻来分析它：
Rc=Rsp+Rconst+Rfilm，skin式中
Rsp：
扩散电阻；
与接触电阻的几何状况决定；其偏心度对Rsp影响很大，当然触点电流的大小也很重要。
Rconst：
收缩电阻；Rconst=K/CPm）
在工程上常用右面经验公式来计算接触电阻：
式中：
K——与触点材料的物理化学性质以及接触表面状况有关的系数
m——与接触形式、压力范围和实际接触面的数目等因素有关的指数。
实验说明，在压力不是太大的范围内，对于点接触m=0.5,对于线接触m=0.7,
对于面接触m=1。
CP——触点终压力
从上可以看出接触电阻与触点压力、触点表面接触形式及触点材料有关；在触点材料一定的条件下；触点压力大表面接触的是面接触接触电阻越小。
（表4）不同继电器类型的触点压力选择的参考参数
继电器类型触点接触压力（克力）
常开触点常闭触点
干式舌簧继电器3～53～5
微型电磁继电器＞5＞5
超小型电磁继电器8～108～10
小型电磁继电器有震动条件15～2015～20
无震动条件10～158～12
中型电磁继电器15～2510～20
极化继电器5～105～10
中间继电器25～3020～25
（表5）不同接点材料所需的最小接压力值（gf）
材料AgAg-CuPtPt-IrAu-NiPdW
CP值15253331540
Rfilm：
污染膜电阻：
膜电阻：
构成继电器技术的最大问题之一既>10nm的分子层厚度就可以产生膜电阻，且可导致相对高且不稳定的接触电阻。
假定污染层厚度d，具有比电阻Qfilm，
接触面积a2π，则Rfilm=QfilmXd/a2π（对薄污染层Rfilm与Qfilm无关）
Rskin：
污表皮电阻：
Rskin=QskinXd/a2π
4、接点负载性质：
其中负载种类有：
Ac交流M电机负载Dc直流Lamp灯负载R纯电C容性负载L感性负载直流负载的接点开闭电流容量远小于相同条件下的交流负载：
接点开闭时要产生电弧放电现象，开断时比关合时要严重一些，对直流负载而言，由于它不存在像交流那样有过零的情况，因此相对而言，灭弧较难，且电弧持续时间也较长。
也就是说在其他条件相同时（如环境、负载、开闭频次、时间等）直流负载场合下接点容许的最大开闭电流较之交流要小很多。
另外：
认为触点切换负荷小一定比切换负荷大可靠是不正确的，一般的，继电器切换负荷在额定电压下，电流大于100mA、小于额定电流的75%最好。
电流小于100mA会使触点积碳增加，可靠性下降，故100mA作为试验电流的原因。
当触点的负载性质发生改变时，其触点负载能力将发生变用：
参照下表2
五：
磁路组件的构成
整个磁路组件一般有铁心、衔铁、轭铁组成；他们之间的组合形成一个磁路；
对于一般铆合铁心的磁路组件来说（目前我们公司除HCP系列外）：
其中轭铁与铁心配合处和轭铁与衔铁配合处容易引起漏磁：
因空气的磁导率极小故我们应尽可能的避免漏磁；事实上完全避免是不可能的；这就要求我们对零件的要求如下：
1、轭铁刀口尽量平直；
2、衔铁极靴面尽量平整；
3、轭铁孔与铁心端部过盈配合；且要求精冲；
另附一般设计参考：
①一般铁心长度L比轭铁高H长一点；（考虑铆装过程铁心受到挤压）
L+ζ≥H长多少视结构而定一般至少0.1~0.2
②铆装后极面差至少为0.05~0.07（保证一定的跟动，事实上保证0.05~0.07的跟动既可保证一定的电腐蚀带来的触点磨损，又在一定上减小了机械力所做的功；目前公司大多数产品的定在0~0.1）
③轭铁的这个倒角一般取1.5°~2.5°不宜过大。
④以上计算含镀层厚。
⑤铁心长L与铁心dc有一定关系，一般在给出最大磁通时L=5dc（4~8较好）
⑥极靴头Sn=（2.5~4）ScSc为铁心dc的面积
衔铁截面积Sa=（0.6~1.0）Sc轭铁截面积SY=（1.0~1.3）Sc
拿现有公司的产品作表分析如下：
（表6）
品名
L
dc
L/dc
Sc
Sn
Sn/Sc
Sa
Sy
Sa/Sc
Sy/Sc
HRS4E
10.5
3.35
3.13
9.07
40.73
4.49
10.32
9.6
1.13
1.05
HRS4
9.5
3
3.16
7.06
26.4
3.74
8
9
1.13
1.24
HRS2
15.7
2.4
6.5
4.52
8.04
1.78
3.1
4.8
0.68
1.06
HRS1
7.1
2.0
3.55
3.14
15.89
5.06
3.06
6.0
0.97
1.91
CMP6
20.8
4
5.2
12.56
28.3
2.25
9.6
14.25
0.76
1.13
CMP7
18.7
4.8
3.9
18.1
52.8
2.9
15
19.5
0.83
1.08
HRM3L
18.9
3
6.3
7.06
16.6
2.35
6.72
7.44
0.95
1.05
HRM4N
18.1
3.5
5.2
9.6
15.9
1.65
7.7
8.9
0.8
0.97
AC3
10.9
2.2
5.5
3.84
14.5
3.77
2.88
7.0
0.75
1.8
HMT2
18.7
4
4.7
12.56
38.5
3.06
8.6
13.6
0.68
1.08
故，我认为以上产品还留有一定的余量可以进行改进，以避免成本上的浪费。
六：
线圈组件的构成
我们把绕好漆包线的线圈称为线圈组件；
对于不同产品或同种产品不同规格他们所选择漆包线均有所不同，其影响选择漆包线规格见如下；
先介绍几个参数概念：
1、Qk窗口面积：
理论上骨架空间所能绕满的最大面积既bk.lk；bk、lk分别为理论骨架的绕线宽度和高度；
2、Fk填充系数：
它一定程度上取决于设备，对于手工绕线一般取0.45；对于自动绕线装置的可取0.52~0.57；
3、Scn导线截面积：
与所选的漆包线径的大小有关；Scn=π·d2cn/4
4、β=lk/bk结构系数：
一般灵敏型继电器可取大一点；先看看我们公司的结构系数为：
（表7）结构系数
品名
lk
bk
β
HRS4
7.0
5.2
1.34
CMA51
5.5
3.1
1.77
HRS4E
8
4.5
1.77
HMT2
16.3
2.65
6.15
HCP2
12.5
1.8
6.9
AC3
8.3
1.5
5.53
HRS1
5.2
2.95
1.76
CMP7
12.8
4.4
2.9
HRS2
14
1.35
10.37
HRM3L
15.8
2.5
6.32
HRS3
8.8
2.35
3.74
HRA
4.8
1.4
3.4
HRB1
4.1
1.15
3.56
CMP6
17.8
2.5
7.12
5、W线圈匝数：
W=Qk·Fk/Scn（选取漆包线线径时需考虑供应商的一些参数规格：
漆膜、电阻率、丝的最大丝张力等；因为每一个产家的这些规格都有一定差别）
6、L平均平均匝长：
对圆周型骨架L平均=PI·（DH+D1）/2
-----DH为绕线最大外径；
--------D1为骨架外径。
7、R电阻值：
R=ρ·L平均W/（π·d2cn/4）
8、安匝数：
IW（额定电压时之电流与线圈安匝数的积）
9、在已知规格的电阻和匝数求相同规格的匝数和电阻的简便方法：
d1、d2、w1、w2为同规格的导线直径和匝数
d2=
W2=W1
注：
结合以上公式，我们可以求出不同产品的绕线参数。
10、线圈温升：
一方面这个指标放映了线圈的环境温度电阻、工作中受激励稳定时（热平衡）电阻，是一种以电阻放映温升的方式。
另一方面它与线圈的功率有关；一般的讲：
在功率小于0.72W时线圈的温升不可超过55K，在线圈功率大于0.72W时，温升不可大于75K，因为温升太高容易使漆包线薄膜层融化或对塑性材料也有一定影响。
∆tw=
∆tw-----平均温升（单位K）
Rw----在负载下达热平衡是的线圈电阻；
Ra-----在环境温度下的线圈电阻；
ta------环境温度℃；a0-----在0℃下，导电材料的电阻率温度系数；a0=1/235（K-1）。
线圈温升还与产品结构的S散热面积有一定的关系。
七：
接触系统
接触系统是继电器的主要部件之一；是输出电路的执行机构。
按结构不同接触系统由一对或多对组成，触点组又可分为动合、动断、转换触点组（这与我们公司称动簧组件、静簧组件一样）。
根据继电器的要求其接触簧片可以是钢性也可以是柔性的（既有无弹性区分）我们HKE的产品除拉簧继电器可以一定程度上理解为刚性外，其余都是有弹性的了。
1、簧片挠度计算：
具体公式详见材料力学，一般的它的挠度大小与以下因素有关：
a、簧片宽度；（成平方关系）
b、簧片厚度；（立方关系）
c、F力（事实上我们研究的是F而不是挠度）
d、E材料弹性模量（值得我们注意的是材料的纹理方向与弹性模量有直接的关系，设计排样图务须注意）
e、σ材料疲劳强度（选择材料与继电器的寿命有关）
2、触点的尺寸及型状：
a、经验数据列表8于下：
Il（A）
D（mm）
H（mm）
2
2
0.6
5
2.5
1
10
5
1.2
可见经验数据只是提供给我们一个选择的参考；为节约贵金属量；我们在做产品的过程中要多做试验来证明其可行性。
b、接点跟踪
（1）对小型密封继电器≤0.03mm
（2）对小型功耗继电器0.1mm左右
（3）对通讯继电器一般在0.05~0.07左右。
C、单触点和双触点的可靠性比较
3、电接触过程：
a、单触点和双触点的可靠性比较表9
与触点排列有关的可靠性和失效频率
触点排列图
A
B
C
D
E
触点断开的形式
单断点
双断点
如B为并联式
如C式为直接连接
如A为并联连接
Rs系统可靠性
Rs=R
Rs=R2
Rs=1-（1-R2）2
Rs=（1-（1-R2））2
Rs=1-（1-R）2
Rs对于R=90%的寿命概率
90%
81%
96%
98%
99%
失效概率的百分比比率
50%
100%
17%
6%
5%
b、电接触工作要经历四个过程：
即闭合状态、断开过程、断开状态、闭合过程。
我们理想的产品是触点闭合时接触电阻为零；接点断开时接触电阻无穷大；在闭合的过程中接触电阻瞬时由无穷大转化为零；在断开过程中接触电阻瞬时有零转为无穷大。
但事实上我们很难做到，在闭合状态时耦合触点间有接触电阻存在，若接触电阻太大，接可能导致被控电路压降过大或不通；在断开状态时要求触点间有一定的绝缘电阻，若绝缘电阻不足时就可能导致击穿放电，致使被控电路导通；在断开和闭合过程中有触点弹跳现象，可能破坏触点的可靠闭合，在闭合和断开过程中可能产生电弧破坏触点可靠断开。
①闭合状态：
由于接触电阻存在，触点温升高故：
在小电流负载（<2A）时，温升小不考虑；大电流负载时，局部温度可高达600~700℃甚至更高，因此要求其接触电阻尽可能的小。
②断开过程：
*接点故障与继电器寿命
继电器故障又叫失效，同任何元件一样它的失效会遵循如下的特性曲线：
I段为初期故障期，特征是随时间推移而向负的方向变化，继电器专业称为先期失效，往往因材料、制造工艺环境等多种因素可能导致继电器的投入使用，故障频频；
II正常使用期，期间所发生的故障谓之偶发性故障，一般情况下这一段的故障率为常数，服从指数分布，通常继电器的失效研究也就在这一段。
III段为摩耗故障期，一般此阶段随时间推移正向增加，正常老化期。
继电器设计者一般在规定负载的寿命点是在t1*寿命试验：
（1）开断同样的负载DC比AC难；
（2）在相同条件下，开断感性负载比开断阻性负载难；
（3）在保障开闭次数相同的情况下，同一电压下功率因数CosФ与开闭电流的大小成递增函数，开闭电流大、CosФ就大，反之亦然。
（4）在保持开闭电流一样的情况下，功率因数越小，电寿命越短。
*使用继电器注意事项
①环境温度对继电器的影响；
继电器的工作温度范围是由产品结构设计、选用材料性能与制造工艺水平决定的，应在具体产品说明书规定的工作范围内选用。
如超过范围使用将直接导至产品失效。
温度作用导至的失效方式大致有如下几方面：
1）绝缘零部件低温条件下龟裂，高温条件下软化，熔化等，绝缘抗电性能下降或完全失效。
2）高、低问温作用下结构松弛，活动部件相对位置会发生变化，导致吸合、释放失效，触点不接触或接触不可靠。
3）如触点系统处于含湿气（露点高于下限温度时）的气氛中时，低温下水气凝露或结冰、形成绝缘层、导致电接触失效。
4）温度升高，线圈电阻随之升高，吸合电压相应增加，对吸合值为85%额定值的交流继电器，实际使用时工作电压不足或激励电源（如电池电源）下降而接近吸合值的直流继电器、电流继电器等均有工作失误的可能。
5）高温条件下，触点切换功率负载时，断弧能力下降，触点腐蚀、金属转移或冷焊、熔焊物理过程加剧，失效现象增加，寿命降低。
特别是触点暴露在潮湿环境里，情况更糟。
6）温度的变化，对热继电器、固体继电器、混合式继电器等直接导致性能参数的不稳定性。
②线圈使用电压时注意事项：
1）线圈使用电压在设计上最好按额定电压选择，如不能，则可参考线圈温升曲线选择。
使用任何小于额定工作电压的线圈电压将会影响继电器的工作。
注意线圈工作电压是指加到线圈引出端之间的电压，特别是用放大电路来激励线圈务必保证线圈两个引出端间的电压值。
反之超过最高额定工作电压也会影响产品性能。
2）直流输入电源：
直流控制继电器的电源，通常是具有最大脉动为5%的电池或直流电源。
如果经过整流器向继电器供电，必吸合和必释放电压将随脉动率而变化。
所以，在实际使用继电器前，要检查电压。
如果脉动分量特别大，可能要产生跳动。
遇到这种情况，建议插入一滤波电容器，如下图所示：
3）克服直流继电器的跳动：
当使用交流电源来产生控制直流继电器的动力时，使用半波整流能引起脉动电流的产生。
所以当滤波电容器C的电容量低时，继电器就产生跳动。
但是当使用桥式整流电路时，脉动电流的频率加倍，即使没有滤波电容器，也不会产生跳动。
桥式整流电路可以提供较高的整流效率，以增加触点的吸引力，这就延长触点的使用寿命。
4）瞬态抑制：
继电器线圈断电瞬间，线圈上可产生高于线圈额定工作电压值30倍以上的反峰电压，对电子线路有极大的危害，通常采用并联瞬态抑制二极管或电阻的方法加以抑制，使反峰电压不超过50V，但并联二极管会延长继电器的释放时间3~5倍。
当释放时间要求高时，可在二极管一端串联一个合适的电阻。
5）线圈温升：
当电流流过线圈时，由于铜线损失线圈温度上升到值得注意的程序。
如果流过的是交流电流，温升甚至更高，这不仅由于铜丝损失，还要加上诸如铁芯等磁性材料的铁耗。
此外，当电流加至触点时，在触点上产生热量，线圈温度上升更高。
6）用交流电来驱动交流负载时的注意事项：
如果用半波整流电路来驱动继电器并且接点切换的负载也是交流电时，那么，线圈的激励相位对接点动作和释放的影响是会很大的。
这时，继电器如果在负载峰值附近动作和在过零时动作对于其接点来说情况是大不一样的。
因此，我们建议采用全波整流并加滤波的电路来驱动继电器以减少线圈电流的脉动。
③多继
升级会员 