基于理论计算的大间隙快速切换继电器时间参数设计研究

林景煌

（厦门宏发电声股份有限公司，福建 厦门 361000）

0 引言

用于计算机、办公自动化、通信（以服务器电源和基站电源）、工业机械、国防军工、航空航天、电力和铁路等众多领域的双电源系统，大部分使用继电器进行切换，但传统的继电器存在以下应用缺点：仅适用于交流系统、继电器之间无法形成机械连锁、双电源之间短路烧毁的风险较高、同步性较差、数据传输延迟较高、数据丢失风险高、待机功耗大等。

本文研究设计的大间隙快速切换继电器，从具有技术前沿性的5G通信服务器电源的应用特点出发，结合传统电源应用存在的风险，研究如何实现继电器在大触点间隙下，具备较快切换速度（切换时间短），以确保数据传输和存储的快速性、低延迟性、可靠性及不间断性。

1 大间隙快速切换继电器总体结构设计

大间隙快速切换继电器总体结构如图1所示，其基本动作原理为：线圈励磁→衔铁组合受吸力作用动作→衔铁组合推动滑动块组合运动→触点接通→衔铁组合闭合保持→完成动作。

图1 大间隙快速切换继电器模型

因该继电器属于对称式磁路结构，其动作和复归理论上一样，因此，以下只针对动作过程进行各阶段时间参数的影响因子分析研究[1-3]。

2 继电器快速切换影响因子研究

以继电器线圈的时间特性曲线为基础，绘制HFRelay继电器线圈电流特性曲线。如图2所示，Ic代表线圈的励磁电流；Iw代表线圈的稳态电流；tc代表励磁时间（线圈添加激励开始，到衔铁刚要运动的时间）；tf代表触点飞行时间（衔铁运动起始到常开触点闭合瞬间）；t代表动作时间；tb代表超行程段衔铁的运动时间；a代表衔铁运动起始点；b代表常开触点刚接触起始点；c代表衔铁组合稳定闭合点。

图2 HF-Relay继电器线圈电流特性曲线

为了实现继电器快速切换的目的，主要研究以下三个问题：①如何缩短继电器励磁时间；②实现继电器的运动机构在特定行程下具备较高的运动速度，以获得较小的飞行时间；③研究触点碰撞过程能量的损失、转化及吸收，减小触点的弹跳时间[4-5]。注：以下分析不考虑涡流及线圈发热的影响。

2.1 励磁时间影响因子分析

根据动态过程的电压平衡方程：

式中：U代表线圈励磁电压；R代表线圈电阻，是θ的函数；i代表线圈电流；Ψ代表电磁系统磁链，磁链。在线圈通电后，随着电流增长，电流产生的磁场强度Hcoil逐渐抵消掉小气隙处磁钢的磁场强度H。

式中：N为线圈匝数，l为磁钢厚度。当Hcoil=H时，线圈电流达到a点。此时，衔铁组合尚未运动，仍处于初始状态（气隙δ0处），磁路中的磁链Ψ处于直线段，即Ψ=Li（L为线圈电感量，在励磁阶段视为不变的量值）。电压平衡方程公式（1）可变形为：

在衔铁组合未动之前，可认为dL/dt=0，因此a点之前的电流i(t)只由上式的两项决定，即：

式中：T为电磁时间常数，T=L/R。将公式（2）带入公式（4），可得到励磁时间：

由公式（5）可知，励磁时间tc的关键影响因子有：L、N、H、l（因线圈激励电压和线圈电阻为规定定值，这里不做考虑）。

2.2 飞行时间影响因子分析

线圈电流过a点后，线圈在气隙处对衔铁产生的吸力F1、磁钢对衔铁产生的吸力F2、静合压力的合力F3（4对常闭静簧的预压力）的共同作用，促使衔铁组合推着滑动块组合开始运动。当滑动块组合运动至静合压力的合力F3=0时（即滑动块组合走了常闭触点的超行程段），作用于滑动块组合上的力只剩线圈产生吸力以及磁钢对衔铁组合的吸力，两个吸力的叠加促使滑动块组合继续加速运动，直至动触点与常开静触点接触[6-7]。根据该继电器的机械结构，建立数学模型如图3。

图3 继电器机械结构数学模型

根据数学模型可知，线圈产生的吸力和磁钢对衔铁组合的吸力折算至滑动块的作用力（水平方向）分别为：

滑动块组合的总运动行程为：

根据该继电器的实际运动过程，将该继电器的飞行过程分为两个阶段进行研究：

（1）第一运动阶段：衔铁组合开始运动到静合压力为0。

式中：m为滑动块组合质量m1和衔铁组合归算质量m2之和；（为滑动摩擦系数），代表滑动块组合与底座支撑面的滑动摩擦力[8]。

（2）第二运动阶段：静合压力为0起始至常开触点刚接触。

根据方程（9）～（14），求积分，并将公式（6）～（8）代入F1、F2得到继电器飞行时间为：

由公式（15）可知，飞行时间tf的关键影响因子有：m1、m2、N、H、S、A、。

2.3 回跳时间影响因子分析

因衔铁组合闭合稳定在线圈电流时间特性曲线的b点时，此时，触点仍处于机械弹跳的过程中，无法根据时间特性曲线及动态特性的微分方程进行分析。此处主要采用动力学理论进行研究。从触点碰撞—弹跳—到稳定后，根据能量守恒定律有：

从能量守恒定律方程可以获知，为较小触点回跳时间，需要考虑如何降低触点碰撞时的速度（因需获取较短的励磁和飞行时间，此处暂不考虑降低速度），以及如何在触点第一次回跳时（静触点弹开距离最远处）吸收大部分能量，以减小触点第二次、第三次...第n次撞击时的能量，进而减小整体的回跳时间，所以在模型优化上主要考虑如何在触点发生第一次撞击时的能量吸收[9-10]。

3 实测验证及其与理论计算值对比

样品实际励磁时间为0.5ms、飞行时间为3.2ms、回跳时间为2.1ms。

3.1 时间参数对比

（1）励磁时间对比：理论计算值为0.25ms，实测值为0.5ms；

（2）飞行时间对比：理论计算值为2.7ms，实测值为3.2ms；

（3）飞行时间对比：理论计算值为3.7ms，实测值为2.1ms。

4 结论

本文基于理论数学模型及微分方程对HF-Relay继电器励磁时间、飞行时间以及触点回跳时间进行了系统分析，研究出影响励磁时间、飞行时间的关键因子，为模型优化确定了明确的方向。并通过理论值、实测值进行对比，印证了所推导的数学方程的准确性，使得HF-Relay产品的开发更具科学性，同时为后续对时间参数有要求的继电器新产品的研发奠定了理论基础，为触点回跳的研究改善提供了方向。