保证和提高电磁继电器使用可靠性的研究 - 全文

　　引 言

　　电磁继电器的结构原理、动作过程以及非线性的能量转换过程，使其具有独特的电气、物理特性以及断态的高绝缘电阻和通态的低导通电阻等特性。由于电磁继电器是由电磁及机械传动部分组成的机电一体化元件，在制造过程中大部分装配调整是手工操作，因此电磁继电器的批一致性和可靠性与其他电子元器件相比要差一些，故在使用中必须采取一些防范措施，才能达到较满意的效果。多年来，在对某军品生产厂的失效电磁继电器进行失效分析后发现，使用原因造成的失效约占30%以上，特别是近两年电磁继电器的失效比较多，除电磁继电器自身质量原因外，使用不当也是一个主要原因。所以如何在使用中提高电磁继电器的可靠性已成为人们目前重点研究的课题。

　　1 合理选用电磁继电器

　　在整机的可靠性设计中，要求电路设计师们根据系统的可靠性要求、系统的使用环境条件及成本等项目综合考虑选择电子元器件。电磁继电器也不例外，必须从环境温度、机械应力、负载能力等方面加以考虑，认真选择。

　　1．1 电磁继电器工作温度的选用

　　由于温度的变化对电磁继电器技术性能有严重的影响：首先温度过高可加速电磁继电器的内部塑料、绝缘材料、金属零件的老化，同时加剧触点表面膜电阻的形成使触点氧化腐蚀、熄弧困难、触点切换能力下降、吸合电压升高等；其次温度过低可使电磁继电器触点冷粘作用加剧，触点表面结霜起露，衔铁表面产生冷膜，影响触点的正常导通。对于锡封的电磁继电器，还会由于温度过低导致锡的脆裂而影响其密封性。

　　一般情况下，电磁继电器在加电工作时，小功率电磁继电器的温度为30℃，*率电磁继电器的温度为40℃，大功率电磁继电器的温度为50℃。且在设计印制线路板时，不要使电磁继电器靠近发热的元器件。因此要求选择电磁继电器时，要充分考虑其工作温度适用范围，且在设计印制线路板时，不要使电磁继电器靠近发热的元器件。并在上机前要严格按其详细规范进行高、低温运行筛选试验，对于重要的军用产品，最好选择“七专”以上等级的电磁继电器。

　　1．2 电磁继电器抗振动、冲击应力指标的选用

　　电磁继电器的触点簧片均为悬臂梁结构，固有频率较低，当整机在进行振动、冲击的频率接近或达到其固有频率时会引起谐振，从而导致触点产生瞬间断开或出现触点抖动，严重时还会使可动的衔铁部分因为过激励而误动作或使可动部分由于振动、冲击产生摩擦而形成材料碎屑落入触点间隙或转动支承处，造成严重卡滞现象。因此在选择电磁继电器时，必须根据整机的使用条件来选择满足振动、冲击技术要求的电磁继电器。

　　1．3 电磁继电器负载能力的选用

　　降额设计是电子元器件提高可靠性最有效的措施。继电器则不同，并不是触点所加的负荷应力越小越可靠。特别是在高温条件下，当触点电流为100 mA时，触点的电弧不能烧掉其在高温条件下析出的含碳物质，而这些含碳物质沉积在触点表面，使触点接触电阻增大；当触点负荷使用在10 mA以下或50 mV以下时，由于电压过低无法击穿触点表面的膜电阻，将会出现低电平失效。故电磁继电器的负载能力按如下方法选择：

　　(1)电磁继电器的额定负载是指在规定的动作次数(寿命)内，在规定动作频率下，触点所能切换的负载，其种类有阻性负载、容性负载、直流感性负载、电机负载、灯负载、低电平负载等，不同的负载之间各生产厂家有相应的换算关系，如航天3412厂对触点切换不同性质负载大体的电流比例如表1，因此应根据电路中要求切换的负载形式来选择相应的电磁继电器。

　　(2)不同电磁继电器具有不同的负载曲线即负载电压和负载电流的关系曲线，如图1是某电磁继电器负载曲线(最大切换能力)。

　　从图中可以看出：减小负载电压可使负载电流提高，减小负载电流可使负载电压提高，但不存在两者之一无限减小、另一个无限增大的关系，而是两者均有一个上限值。因此在选用电磁继电器负载时，应限制在负载曲线的下方。

　　建议把负载能力设计在100 mA以上，且技术指标给定的额定负载值的60%～80％。

　　2 电磁继电器的正确连接

　　2．1 电磁继电器线圈的连接

　　电磁继电器详细规范中一般对线圈的电压都给出工作电压，吸合电压，释放电压。电磁继电器在工作时线圈应施加额定工作电压(电流)，而不应是动作电压(电流)。由于线圈具有储能作用，当电磁继电器线圈断电时，其储存的感应电动势可能会产生高达数千伏的浪涌电压(反电势)，这个浪涌电压作用到继电器供电系统中去，会对其他器件产生不良影响，所以必须在继电器的线圈两头加“瞬态抑制电路”，将其电压峰值限制在一定的范围内，一般推荐瞬态抑制电路为在线圈两端并联阻容电路或电阻器或一个二极管。

　　2．2 电磁继电器触点的连接

　　理论上电磁继电器触点可以并联，也可以串联。触点并联可以提高电路接通的可靠性，对电路断开的可靠性则相反；触点串联可以提高电路断开的可靠性，对电路接通的可靠性则相反。这是由于电磁继电器各组触点间不可能完全同时动作，故一般不采用两组或多组触点并联起来切换一个大于单个触点额定负载电流的电路；同时也不采用两组或多组触点串联起来去切换一个大于单个触点额定负载电压的电路。目前多数采用将两个(或以上)同类型，两组触点串、并联使用来提高其可靠性，其并联可靠度为：

　　Rt=1-(1-R)n

　　式中：Rt为并联后的可靠度；R为每个继电器的可靠度。触点串联能够提高其负载电压，提高的倍数为串联触点的组数。但使用时电压不要高于线圈最大工作电压，也不要低于额定工作电压的90％，否则会危及线圈寿命和使用可靠性，如图2所示。

　　3 电磁继电器的电磁兼容性

　　电磁干扰是造成产品故障或性能降级的主要原因之一，电磁继电器的感应机构是由电磁铁构成，于是存在着漏磁场和磁分路的问题，在电路中应用时需避免其对其他元器件的电磁干扰。特别是在小信号电路中，如各型鱼雷产品的引信系统应选用电磁屏蔽非常好的小功率继电器。同时，电磁继电器在电路中应远离磁性敏感元件或磁性物质，确保其本身能正常工作。如某型鱼雷操雷仪表上使用的电磁继电器，在单机使用时完全符合单机的技术性能要求，但在段调试时，该继电器不能正常转换。其原因是段装壳体上有一磁感应强度很强的磁铁，在其磁场的作用下，单机上使用的继电器中的磁感应部分被磁化而不能正常工作，后经对该电磁继电器进行屏蔽，才保证了段装调试的顺利进行。

　　在GJB65B中已明确规定相邻的同类继电器安装时网格间距、安装间距沿磁轴线方向排列间距应为1．27 mm的整倍数。最近的网格间距最小为2．54 mm，层间间距为3．18 mm的整倍数。所以要求产品设计师们要不断地学习新知识、新标准，不断地掌握电磁继电器的技术性能，在设计产品时要充分考虑到电磁继电器的磁特性，确保其在产品中能够正常地、可靠地转换。

　　4 电磁继电器的正确安装

　　电磁继电器合理安装是保证其使用可靠性不可忽视的问题，如某型鱼雷接线盒和供电切换装置组件上使用的JRC-071M继电器，由于在00D1，00D2组件上的安装方式不合理造成该两种组件的环境应力筛选试验的振动项目无法通过，又由于设计图纸已经定型，无法更改，工艺人员历经四个多月的摸索试验，改变了产品振动的安装姿态，即通过改变振动台的方向保证了该电磁继电器的触点振动方向、衔铁的吸合方向和整机振动方向垂直，从而解决了00D1，00D2组件的环境应力筛选试验。为了确保设计图纸与工艺文件文文一致、文实相符，工厂在这方面浪费了大量的人力和财力。因此设计师和工艺师在型号设计、研制阶段应充分考虑电磁继电器的正确安装方式，避免人为因素造成电磁继电器失效。

　　4．1 正确选择电磁继电器的安装方式

　　电磁继电器不同的安装方式，在不同的振动方向上，加速度的放大程度有很大的差异。SJl51A-84中规定的安装方式有6种，如图3所示。据相关资料统计，这6种安装方式对加速度的放大程度从小到大的顺序为2型，3型，5型，1型，6型，0型。但随着科技的不断发展，各行各业对电磁继电器的需求也不断增加，对电磁继电器的性能及可靠性提出了更高的要求，安装方式也随着产品的实际状态而不断变化而变化，因此设计师在设计产品的印制线路板时，一定要考虑电磁继电器的安装方式，保证其触点振动方向、衔铁的吸合方向尽量和整机振动方向垂直；同时在安装继电器的印制线路板上采取减振措施，如锁紧装置、压片安装架等，但要注意减振措施中各个边上的受力一定要平衡。

　　4．2 电磁继电器的引出端整形与焊接

　　电磁继电器的引出端多数为玻璃绝缘子进行密封，因此在装配前一定要注意以下三点要求：

　　(1)对于硬引出端的电磁继电器，不允许弯折引出端，以防止玻璃绝缘子破裂造成电磁继电器漏气；对于软引出端的电磁继电器，也不允许直接弯折，应在距电磁继电器地板跟部3～5 mm处用镊子先行夹持后再在端部施力缓慢弯曲到需要的位置，避免反复弯折，保证引出端跟部不受力。

　　(2)当电磁继电器直接安装在印制线路板上时，要求印制线路板的孔距符合继电器引出端的尺寸要求，且孔距不能太小，要保证继电器引出端能顺利插下，印制线路和继电器底部留有一定的间隙，防止贴得过紧或拉得太紧使继电器跟部受到引力的作用。

　　(3)焊接时，必须要根据电磁继电器功率大小来选择焊接温度和焊接时间，对一般中、小功率的电磁继电器，选择电烙铁不要超过60 w，焊接时间不要大于3 s，因为焊接温度过高，且时间过长，会使电磁继电器引出端受热作用的影响，使继电器线圈与引出端脱焊或虚焊，使弹簧片触点性能下降，或使玻璃绝缘子开裂等。

　　5 结 语

　　电磁继电器随着微电子技术、电子计算机技术、通信技术等的飞速发展而不断地向小型化、表面贴装化、高可靠方向发展，因此要求整机设计师、工艺师要不断地学习各类继电器使用方面的知识，进一步总结和探讨其使用可靠性方面的问题，以满足整机系统对电磁继电器的可靠性要求。