一种低高度高耐压继电器的研制

一种低高度高耐压继电器的研制
　　1 引言

　　根据IEC335《家用及类似用途电器的安全》、IEC730《家用及类似用途电自动控制器的安全》标准，家用电器、自动控制器按电击防护等级分为0类、Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类。在欧洲，人们对安全性能要求较高，对于额定电压为安全电压以上的产品，越来越多地要求其满足Ⅱ类器具或控制器的电击防护需要，也就是能提供双重绝缘或加强绝缘的安全防护措施。为满足该要求，并降低成本，越来越多客户要求提供达到加强绝缘要求的电磁继电器，同时，为实现产品的小型化，要求继电器高度低于12.5mm。经调研发现，市场上绝大部分中功率继电器无法满足该要求，因此，我司决定研制一种低高度高耐压中功率继电器。

2 产品性能指标

　　产品主要技术指标如表1 所示。

　 　　3 结构设计

　　3.1 总体结构(见图1)

　　3.2 磁路系统

　　中功率继电器采用的磁路结构有以下形式(见图2)。

　　最常用的是图2(a)方案，零件少，结构简单，具有较高的成本优势，但因动簧与轭铁铆接在一起，磁路系统与接触系统间很难满足加强绝缘要求。 

　　图2(b)方案中，磁路系统与接触系统采用垂直推杆连接，可以满足高隔离的要求，但因磁路系统与接触系统为上下放置，无法满足客户的低高度要求。如果缩短推动卡长度，降低高度，磁路系统与接触系统间很难满足加强绝缘要求。

　　本产品设计采用图3 方案，卧式磁路系统装入单向开口的底座腔体中，利用底座的侧墙实现磁路系统与接触系统的隔离，可以很好满足磁路系统与接触系统的电气间隙大于8mm、爬电距离大于8mm、穿透距离大于2mm 的加强绝缘要求。

　　为避免了轭铁、铁心铆接时的磁损耗，有效地提高磁路效率，将线圈功耗降低，其轭铁、铁心采用一体化结构(图4)。

　　线圈引出脚采用圆丝插入线圈架，与采用嵌件注塑相比，工艺难度低，成本低。通过合理设计圆丝的压扁尺寸(图5)，保证了引出脚的插拔力，减少塑料屑的产生。

　　衔铁利用U 形缺口与线圈架(图6)配合，并利用压簧进行前后限位。衔铁在压簧面上转动，避免在塑料面上转动，产生塑料屑，导致转动不灵活。

　　3.3 驱动系统

　　为满足磁路系统与接触系统高绝缘距离的要求，设计了一个沿长度方向的推动卡(图7)。衔铁吸合，带动推动卡向接触系统运动，使得动触点与常开静触点接触。推动卡沿底座侧面移动，有效降低产品高度，满足低于12.5mm 的要求。 

　　在已有的设计中，采用冲制斜台的衔铁(图8)过盈插入推动卡(图7)缺口的方式实现衔铁与推动卡的定位和连接，容易产生塑料屑或造成推动卡开裂。本产品利用衔铁的凸台与推动卡的斜面配合实现推动卡上下方向的定位(如图9)，避免过盈装入产生塑料屑或造成推动卡开裂。

　 (1)如图10(a)先将衔铁与推动卡摆成锐角，让衔铁凸台穿过推动卡。因推动卡的空隙大于衔铁凸台的厚度，所以不会产生塑料屑或造成推动卡开裂。 

　　(2)如图10(b)旋转衔铁，使衔铁与推动卡摆成接近直角，衔铁凸台与推动卡斜面接触。由于此时推动卡与衔铁的间隙小于衔铁的凸台高度，因此，衔铁不会脱落。

　　(3)如图1 将衔铁与推动卡组合装入磁路部分。由于受到轭铁、底座限位，产品工作时，衔铁与推动卡的夹角一直保持在90°左右。

　　3.4 接触系统

　　一般情况下，继电器的动簧变形是沿着长度方向产生的，如图11(a)，但本产品由于高度很低，只在高度方向上的变形，柔性不够。为克服该缺点，也可采用平面U 型动簧,如图11(b)。虽然情况得到一定改善，但接触系统型腔仍然没有得到充分利用。本产品采用如图11(c)的动簧片，动簧片在三维方向上均可产生变形，充分利用空间，以此来实现良好的柔性。

　　图11(b)动簧结构与图11(c)动簧结构应力应变测量结果如图12。

　　由图12 可以看出，参考动簧的柔性比本产品动簧差。同时，参考动簧在推动点受力后，向前倾斜，造成触点上端接触，降低电寿命性能。

　　本产品动簧在推动点受力后，向前变形，动触点与静触点接通，此时，继续将动簧片向前推，则动簧上部以触点为支点，向前产生一个扭转，从而产生触点跟踪，并使用触点相对转动，有效地将动、静触点可能发生的粘结拉断。 

　　由于该产品的外形尺寸较小，底座(图14)上固定上静簧(图13)后部的塑料较薄，在高温下，上静簧会向后倾斜，使得触点超行程消失，造成产品失效，因此本产品采用上静簧呈L 形与底座凹槽配合的方式，与采用平面固定的方式相比，具有较好的热稳定性。

　　4 工艺难点

　　本产品采用一体化铁心，为保证产品的驱动安匝值，铁心小截面设计为宽2.2mm，厚1.8mm。因为宽厚比接近1，在冲制时容易出现扭曲变形，经多次试验，利用公司先进的精密磨具制造技术，制造出合格零件，并实现大批量生产。

　　5 新材料的运用

　　该产品研制成功后，主要销往欧洲、美国等地区，因而材料选用必须符合欧洲标准VDE0435/0110、美国标准UL508 等的要求。

　　VDE 标准要求：

　　(1)热球压试验：温度高于125℃。

　　(2)灼热丝试验： 温度高于850℃。

　　(3)耐漏电起痕指数：高于PTI 250。

　　(4)燃烧性试验符合要求。 

　　UL 标准要求：

　　(1)燃烧性试验符合要求。

　　(2)线圈绝缘等级符合要求。

　　根据上述要求分析，UL 认证侧重于线圈架、外壳的用料，VDE 侧重于底座、推动块绝缘件的用料。 

　　6 结论

　　该产品性能符合设计任务要求，达到国际同类产品水平，通过VDE、UL 认证。产品在设计过程中，较好地开展潜在失效模式与后果分析，保证产品试制、量产的顺利进行。产品大量出口欧美，质量稳定，得到客户好评。