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摘要：本文对平衡力继电器动作时间优化设计进行研究，提出在磁路系统中用双线圈结构代替单线圈结构，通过仿真计算，明确不同的线圈结构对继电器动作时间的影响，为继电器动作时间优化设计提供理论依据。根据计算结果进行实际装样验证，继电器动作时间降幅明显，优于国外同型号产品水平，充分论证了优化设计方法的有效性，优化后的产品性能优异，可满足使用需求。
关键词：平衡力继电器；动作时间；有限元分析
引言
平衡力继电器是一种电磁系统为“电磁铁+永磁体”结构的继电器，继电器在断电时衔铁被永磁体吸持的保持力与通电时衔铁被电磁系统吸持的电磁吸力相等，从而实现电磁吸力与复原反力的平衡匹配。与其他类型的电磁继电器相比，平衡力继电器负载体积比以及振动、冲击等耐力学环境指标更高，更加可靠，产品广泛用于航空、武器装备等领域。
动作时间是指继电器从线圈加电瞬间到常开触点首次闭合所用的时间，是继电器一项重要的指标，直接与继电器所控制电路的响应速度相关，动作时间越短，被控制电路的响应速度就越快。本文针对一款平衡力继电器进行优化改进，该产品的磁路系统为单线圈结构，动作时间约为23ms，而国外同型号产品动作时间可达到17ms。
为了缩短该继电器的动作时间，拟将其磁路系统由单线圈结构更改为双线圈结构，在优化设计的过程中采用理论计算及三维有限元软件对两种结构的磁路系统进行对比，并结合继电器样品装配、测试的方法，最終以样品验证情况作为继电器动作时间优化设计的依据。
1 分析软件介绍
Cedrat Flux是一款针对继电器、接触器等元器件及电机等电磁设备的2D及3D电、磁、热、有限元分析软件，由CAE软件制造商Magsoft开发，软件基于麦克斯韦微分方程组，以有限元法为基础，对产品进行电磁和电热优化设计，其特点是精确、可靠、易掌握，能够提供精确的仿真结果，缩短产品的研制周期，降低产品研发成本。
应用Flux软件进行电磁仿真的流程图如图1所示。
2 动作时间计算及仿真
两种结构的电磁系统如图2所示，该继电器工作原理为：线圈非激励状态下，衔铁在永磁体的作用下保持在图示位置，即衔铁与最左侧极靴相贴合，当线圈施加激励时，衔铁将会沿转轴顺时针旋转，直至衔铁与中间极靴贴合，在此过程中衔铁将带动动触点动作，完成继电器的转换。
2.1 继电器动作时间计算
继电器的动作时间tcd为触动时间tc（从线圈通电到衔铁开始运动所经历的时间）和衔铁运动时间td（从衔铁开始运动到衔铁完全闭合所经历的时间）之和，即tcd=tc+td。
根据上述计算，单线圈结构继电器动作时间为27.71ms，而实际测试值为23ms，故给定调节系数为0.83，预测双线圈结构继电器动作时间为15.12 ms×0.83=12.5 ms。
2.22继电器动作时间仿真
2.2.1 模型提取及简化、网格划分
分别提取两种结构继电器的电磁系统，包括衔铁、极靴、永磁体以及铁心，删除模型中各零件的倒角等对计算结果影响极小的元素，简化后的模型如图2所示。将简化后的模型导入Cedrat Flux中，并进行网格划分。
2.2.2 材料及机械参数设置、线圈定义
定义模型各部分材料，其中永磁体材料为铝镍钴，剩磁强度为0.8T，铁心、极靴、衔铁材料为电工纯铁DT4C，按照材料性能设置其B-H曲线；将衔铁设置为可动部件，绕转轴转动，其它部分为固定部件。以上材料及机械参数设置在两个模型中无差异。
继电器线圈电阻及驱动电流均已知，根据表1的参数进行设置，分别将线圈导入上述模型中。
2.3 求解及后处理
分别计算两个模型中线圈加电后衔铁转矩响应随时间变化的情况，图3、图4分别为双线圈、单线圈结构的磁路系统磁感应强度云图及衔铁转矩。
对比计算结果可知在线圈加电后相同时间段，双线圈结构衔铁所受的转矩增幅更大，响应速度更快，在继电器接触系统不变（即两种结构继电器反力系统一致）的情况下，可得出双线圈结构的继电器动作时间更短的结论，与公式计算结果一致。
3 样品验证
为了验证仿真计算结果，分别装配上述两种结构的继电器样品，装配过程中采用相同的控制要求，两种结构的样品（未装罩）分别如图5、图6所示。
继电器样品装配完成后，随机抽取10只测试其动作时间，测试结果见图7：
根据测试结果，单线圈结构继电器动作时间均值为23.44 ms，双线圈结构继电器动作时间均值为13.73 ms，动作时间缩短约9.71 ms，与仿真计算结果相符，同时继电器动作时间低于国外同型号产品。
4 结束语
本文对平衡力继电器动作时间优化设计进行研究，在磁路系统中用双线圈结构代替单线圈结构，通过仿真分析及理论计算，分析不同的线圈结构对继电器动作时间的影响趋势，为继电器动作时间优化设计提供理论依据。并根据计算结论进行样品验证，继电器动作时间降幅明显，改进后动作时间优于国外同型号产品，充分论证了优化设计方法的有效性，优化后的产品性能优异，可满足使用需求。
参考文献
[1]Barna Szabo，Ivo Babuska .Introdution to finite element analysis Formulation，verafication and validation[M].航空工业出版社，2013：38-55.
[2]陈章华，宁晓钧.工程中的有限元分析方法[M].冶金工业出版社，2013：132-155.
[3]杨继业、吕英.继电器动作时间问题对自动控制系统影响的探讨[J]，全国煤矿自动化学术会议.1994：1-3.
[4]吴义彬，张茂松，袁朝阳.双线圈继电器线圈互感效应导致的可靠性问题案例研究[J].电力系统保护与控制，2007，35（3）：77-82.
[5]周茂祥.低压电器设计手册[M].机械工业出版社，1989：45-62.
关键词：平衡力继电器；动作时间；有限元分析
引言
平衡力继电器是一种电磁系统为“电磁铁+永磁体”结构的继电器，继电器在断电时衔铁被永磁体吸持的保持力与通电时衔铁被电磁系统吸持的电磁吸力相等，从而实现电磁吸力与复原反力的平衡匹配。与其他类型的电磁继电器相比，平衡力继电器负载体积比以及振动、冲击等耐力学环境指标更高，更加可靠，产品广泛用于航空、武器装备等领域。
动作时间是指继电器从线圈加电瞬间到常开触点首次闭合所用的时间，是继电器一项重要的指标，直接与继电器所控制电路的响应速度相关，动作时间越短，被控制电路的响应速度就越快。本文针对一款平衡力继电器进行优化改进，该产品的磁路系统为单线圈结构，动作时间约为23ms，而国外同型号产品动作时间可达到17ms。
为了缩短该继电器的动作时间，拟将其磁路系统由单线圈结构更改为双线圈结构，在优化设计的过程中采用理论计算及三维有限元软件对两种结构的磁路系统进行对比，并结合继电器样品装配、测试的方法，最終以样品验证情况作为继电器动作时间优化设计的依据。
1 分析软件介绍
Cedrat Flux是一款针对继电器、接触器等元器件及电机等电磁设备的2D及3D电、磁、热、有限元分析软件，由CAE软件制造商Magsoft开发，软件基于麦克斯韦微分方程组，以有限元法为基础，对产品进行电磁和电热优化设计，其特点是精确、可靠、易掌握，能够提供精确的仿真结果，缩短产品的研制周期，降低产品研发成本。
应用Flux软件进行电磁仿真的流程图如图1所示。
2 动作时间计算及仿真
两种结构的电磁系统如图2所示，该继电器工作原理为：线圈非激励状态下，衔铁在永磁体的作用下保持在图示位置，即衔铁与最左侧极靴相贴合，当线圈施加激励时，衔铁将会沿转轴顺时针旋转，直至衔铁与中间极靴贴合，在此过程中衔铁将带动动触点动作，完成继电器的转换。
2.1 继电器动作时间计算
继电器的动作时间tcd为触动时间tc（从线圈通电到衔铁开始运动所经历的时间）和衔铁运动时间td（从衔铁开始运动到衔铁完全闭合所经历的时间）之和，即tcd=tc+td。
根据上述计算，单线圈结构继电器动作时间为27.71ms，而实际测试值为23ms，故给定调节系数为0.83，预测双线圈结构继电器动作时间为15.12 ms×0.83=12.5 ms。
2.22继电器动作时间仿真
2.2.1 模型提取及简化、网格划分
分别提取两种结构继电器的电磁系统，包括衔铁、极靴、永磁体以及铁心，删除模型中各零件的倒角等对计算结果影响极小的元素，简化后的模型如图2所示。将简化后的模型导入Cedrat Flux中，并进行网格划分。
2.2.2 材料及机械参数设置、线圈定义
定义模型各部分材料，其中永磁体材料为铝镍钴，剩磁强度为0.8T，铁心、极靴、衔铁材料为电工纯铁DT4C，按照材料性能设置其B-H曲线；将衔铁设置为可动部件，绕转轴转动，其它部分为固定部件。以上材料及机械参数设置在两个模型中无差异。
继电器线圈电阻及驱动电流均已知，根据表1的参数进行设置，分别将线圈导入上述模型中。
2.3 求解及后处理
分别计算两个模型中线圈加电后衔铁转矩响应随时间变化的情况，图3、图4分别为双线圈、单线圈结构的磁路系统磁感应强度云图及衔铁转矩。
对比计算结果可知在线圈加电后相同时间段，双线圈结构衔铁所受的转矩增幅更大，响应速度更快，在继电器接触系统不变（即两种结构继电器反力系统一致）的情况下，可得出双线圈结构的继电器动作时间更短的结论，与公式计算结果一致。
3 样品验证
为了验证仿真计算结果，分别装配上述两种结构的继电器样品，装配过程中采用相同的控制要求，两种结构的样品（未装罩）分别如图5、图6所示。
继电器样品装配完成后，随机抽取10只测试其动作时间，测试结果见图7：
根据测试结果，单线圈结构继电器动作时间均值为23.44 ms，双线圈结构继电器动作时间均值为13.73 ms，动作时间缩短约9.71 ms，与仿真计算结果相符，同时继电器动作时间低于国外同型号产品。
4 结束语
本文对平衡力继电器动作时间优化设计进行研究，在磁路系统中用双线圈结构代替单线圈结构，通过仿真分析及理论计算，分析不同的线圈结构对继电器动作时间的影响趋势，为继电器动作时间优化设计提供理论依据。并根据计算结论进行样品验证，继电器动作时间降幅明显，改进后动作时间优于国外同型号产品，充分论证了优化设计方法的有效性，优化后的产品性能优异，可满足使用需求。
参考文献
[1]Barna Szabo，Ivo Babuska .Introdution to finite element analysis Formulation，verafication and validation[M].航空工业出版社，2013：38-55.
[2]陈章华，宁晓钧.工程中的有限元分析方法[M].冶金工业出版社，2013：132-155.
[3]杨继业、吕英.继电器动作时间问题对自动控制系统影响的探讨[J]，全国煤矿自动化学术会议.1994：1-3.
[4]吴义彬，张茂松，袁朝阳.双线圈继电器线圈互感效应导致的可靠性问题案例研究[J].电力系统保护与控制，2007，35（3）：77-82.
[5]周茂祥.低压电器设计手册[M].机械工业出版社，1989：45-62.