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(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、接觸系統(tǒng)的潛在失效模式分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對工藝難點(diǎn)及材料選用進(jìn)行簡要說明。
關(guān)鍵詞：電磁繼電器；設(shè)計(jì)；高耐壓
1 引言
根據(jù)IEC335《家用及類似用途電器的安全》、IEC730《家用及類似用途電自動(dòng)控制器的安全》標(biāo)準(zhǔn)，家用電器、自動(dòng)控制器按電擊防護(hù)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(chǎn)品，越來越多地要求其滿足Ⅱ類器具或控制器的電擊防護(hù)需要，也就是能提供雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣的安全防護(hù)措施。為滿足該要求，并降低成本，越來越多客戶要求提供達(dá)到加強(qiáng)絕緣要求的電磁繼電器，同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的小型化，要求繼電器高度低于12.5mm。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)品性能指標(biāo)
產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。
3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 總體結(jié)構(gòu)（見圖1）
3.2 磁路系統(tǒng)
中功率繼電器采用的磁路結(jié)構(gòu)有以下形式（見圖2）。
最常用的是圖2（a）方案，零件少，結(jié)構(gòu)簡單，具有較高的成本優(yōu)勢，但因動(dòng)簧與軛鐵鉚接在一起，磁路系統(tǒng)與接觸系統(tǒng)間很難滿足加強(qiáng)絕緣要求。
圖2（b）方案中，磁路系統(tǒng)與接觸系統(tǒng)采用垂直推桿連接，可以滿足高隔離的要求，但因磁路系統(tǒng)與接觸系統(tǒng)為上下放置，無法滿足客戶的低高度要求。如果縮短推動(dòng)卡長度，降低高度，磁路系統(tǒng)與接觸系統(tǒng)間很難滿足加強(qiáng)絕緣要求。
本產(chǎn)品設(shè)計(jì)采用圖3 方案，臥式磁路系統(tǒng)裝入單向開口的底座腔體中，利用底座的側(cè)墻實(shí)現(xiàn)磁路系統(tǒng)與接觸系統(tǒng)的隔離，可以很好滿足磁路系統(tǒng)與接觸系統(tǒng)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(qiáng)絕緣要求。
為避免了軛鐵、鐵心鉚接時(shí)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(jié)構(gòu)（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(shè)計(jì)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(chǎn)生。
銜鐵利用U 形缺口與線圈架（圖6）配合，并利用壓簧進(jìn)行前后限位。銜鐵在壓簧面上轉(zhuǎn)動(dòng)，避免在塑料面上轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生塑料屑，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活。
3.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
為滿足磁路系統(tǒng)與接觸系統(tǒng)高絕緣距離的要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)沿長度方向的推動(dòng)卡（圖7）。銜鐵吸合，帶動(dòng)推動(dòng)卡向接觸系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，使得動(dòng)觸點(diǎn)與常開靜觸點(diǎn)接觸。推動(dòng)卡沿底座側(cè)面移動(dòng)，有效降低產(chǎn)品高度，滿足低于12.5mm 的要求。
在已有的設(shè)計(jì)中，采用沖制斜臺(tái)的銜鐵（圖8）過盈插入推動(dòng)卡（圖7）缺口的方式實(shí)現(xiàn)銜鐵與推動(dòng)卡的定位和連接，容易產(chǎn)生塑料屑或造成推動(dòng)卡開裂。本產(chǎn)品利用銜鐵的凸臺(tái)與推動(dòng)卡的斜面配合實(shí)現(xiàn)推動(dòng)卡上下方向的定位（如圖9），避免過盈裝入產(chǎn)生塑料屑或造成推動(dòng)卡開裂。
（1）如圖10（a）先將銜鐵與推動(dòng)卡擺成銳角，讓銜鐵凸臺(tái)穿過推動(dòng)卡。因推動(dòng)卡的空隙大于銜鐵凸臺(tái)的厚度，所以不會(huì)產(chǎn)生塑料屑或造成推動(dòng)卡開裂。
（2）如圖10（b）旋轉(zhuǎn)銜鐵，使銜鐵與推動(dòng)卡擺成接近直角，銜鐵凸臺(tái)與推動(dòng)卡斜面接觸。由于此時(shí)推動(dòng)卡與銜鐵的間隙小于銜鐵的凸臺(tái)高度，因此，銜鐵不會(huì)脫落。
（3）如圖1 將銜鐵與推動(dòng)卡組合裝入磁路部分。由于受到軛鐵、底座限位，產(chǎn)品工作時(shí)，銜鐵與推動(dòng)卡的夾角一直保持在90°左右。
3.4 接觸系統(tǒng)
一般情況下，繼電器的動(dòng)簧變形是沿著長度方向產(chǎn)生的，如圖11（a），但本產(chǎn)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(diǎn)，也可采用平面U 型動(dòng)簧,如圖11（b）。雖然情況得到一定改善，但接觸系統(tǒng)型腔仍然沒有得到充分利用。本產(chǎn)品采用如圖11（c）的動(dòng)簧片，動(dòng)簧片在三維方向上均可產(chǎn)生變形，充分利用空間，以此來實(shí)現(xiàn)良好的柔性。
圖11（b）動(dòng)簧結(jié)構(gòu)與圖11（c）動(dòng)簧結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變測量結(jié)果如圖12。
由圖12 可以看出，參考動(dòng)簧的柔性比本產(chǎn)品動(dòng)簧差。同時(shí)，參考動(dòng)簧在推動(dòng)點(diǎn)受力后，向前傾斜，造成觸點(diǎn)上端接觸，降低電壽命性能。
本產(chǎn)品動(dòng)簧在推動(dòng)點(diǎn)受力后，向前變形，動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)接通，此時(shí)，繼續(xù)將動(dòng)簧片向前推，則動(dòng)簧上部以觸點(diǎn)為支點(diǎn)，向前產(chǎn)生一個(gè)扭轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生觸點(diǎn)跟蹤，并使用觸點(diǎn)相對轉(zhuǎn)動(dòng)，有效地將動(dòng)、靜觸點(diǎn)可能發(fā)生的粘結(jié)拉斷。
由于該產(chǎn)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(huì)向后傾斜，使得觸點(diǎn)超行程消失，造成產(chǎn)品失效，因此本產(chǎn)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(wěn)定性。
4 工藝難點(diǎn)
本產(chǎn)品采用一體化鐵心，為保證產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)安匝值，鐵心小截面設(shè)計(jì)為寬2.2mm，厚1.8mm。因?yàn)閷捄癖冉咏?，在沖制時(shí)容易出現(xiàn)扭曲變形，經(jīng)多次試驗(yàn)，利用公司先進(jìn)的精密磨具制造技術(shù)，制造出合格零件，并實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。
5 新材料的運(yùn)用
該產(chǎn)品研制成功后，主要銷往歐洲、美國等地區(qū)，因而材料選用必須符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)VDE0435/0110、美國標(biāo)準(zhǔn)UL508 等的要求。
VDE 標(biāo)準(zhǔn)要求：
（1）熱球壓試驗(yàn)：溫度高于125℃。
（2）灼熱絲試驗(yàn)： 溫度高于850℃。
（3）耐漏電起痕指數(shù)：高于PTI 250。
（4）燃燒性試驗(yàn)符合要求。
UL 標(biāo)準(zhǔn)要求：
（1）燃燒性試驗(yàn)符合要求。
（2）線圈絕緣等級符合要求。
根據(jù)上述要求分析，UL 認(rèn)證側(cè)重于線圈架、外殼的用料，VDE 側(cè)重于底座、推動(dòng)塊絕緣件的用料。
6 結(jié)論
該產(chǎn)品性能符合設(shè)計(jì)任務(wù)要求，達(dá)到國際同類產(chǎn)品水平，通過VDE、UL 認(rèn)證。產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中，較好地開展?jié)撛谑Ｊ脚c后果分析，保證產(chǎn)品試制、量產(chǎn)的順利進(jìn)行。產(chǎn)品大量出口歐美，質(zhì)量穩(wěn)定，得到客戶好評。
