保證和提高電磁繼電器使用可靠性的研究 - 全文

　　引言

　　電磁繼電器的結構原理、動作過程以及非線性的能量轉換過程，使其具有獨特的電氣、物理特性以及斷態的高絕緣電阻和通態的低導通電阻等特性。由于電磁繼電器是由電磁及機械傳動部分組成的機電一體化元件，在制造過程中大部分裝配調整是手工操作，因此電磁繼電器的批一致性和可靠性與其他電子元器件相比要差一些，故在使用中必須采取一些防范措施，才能達到較滿意的效果。多年來，在對某軍品生產廠的失效電磁繼電器進行失效分析后發現，使用原因造成的失效約占30%以上，特別是近兩年電磁繼電器的失效比較多，除電磁繼電器自身質量原因外，使用不當也是一個主要原因。所以如何在使用中提高電磁繼電器的可靠性已成為人們目前重點研究的課題。

　　1 合理選用電磁繼電器

　　在整機的可靠性設計中，要求電路設計師們根據系統的可靠性要求、系統的使用環境條件及成本等項目綜合考慮選擇電子元器件。電磁繼電器也不例外，必須從環境溫度、機械應力、負載能力等方面加以考慮，認真選擇。

　　1．1 電磁繼電器工作溫度的選用

　　由于溫度的變化對電磁繼電器技術性能有嚴重的影響：首先溫度過高可加速電磁繼電器的內部塑料、絕緣材料、金屬零件的老化，同時加劇觸點表面膜電阻的形成使觸點氧化腐蝕、熄弧困難、觸點切換能力下降、吸合電壓升高等；其次溫度過低可使電磁繼電器觸點冷粘作用加劇，觸點表面結霜起露，銜鐵表面產生冷膜，影響觸點的正常導通。對于錫封的電磁繼電器，還會由于溫度過低導致錫的脆裂而影響其密封性。

　　一般情況下，電磁繼電器在加電工作時，小功率電磁繼電器的溫度為30℃，*率電磁繼電器的溫度為40℃，大功率電磁繼電器的溫度為50℃。且在設計印制線路板時，不要使電磁繼電器靠近發熱的元器件。因此要求選擇電磁繼電器時，要充分考慮其工作溫度適用范圍，且在設計印制線路板時，不要使電磁繼電器靠近發熱的元器件。并在上機前要嚴格按其詳細規范進行高、低溫運行篩選試驗，對于重要的軍用產品，最好選擇“七專”以上等級的電磁繼電器。

　　1．2 電磁繼電器抗振動、沖擊應力指標的選用

　　電磁繼電器的觸點簧片均為懸臂梁結構，固有頻率較低，當整機在進行振動、沖擊的頻率接近或達到其固有頻率時會引起諧振，從而導致觸點產生瞬間斷開或出現觸點抖動，嚴重時還會使可動的銜鐵部分因為過激勵而誤動作或使可動部分由于振動、沖擊產生摩擦而形成材料碎屑落入觸點間隙或轉動支承處，造成嚴重卡滯現象。因此在選擇電磁繼電器時，必須根據整機的使用條件來選擇滿足振動、沖擊技術要求的電磁繼電器。

　　1．3 電磁繼電器負載能力的選用

　　降額設計是電子元器件提高可靠性最有效的措施。繼電器則不同，并不是觸點所加的負荷應力越小越可靠。特別是在高溫條件下，當觸點電流為100 mA時，觸點的電弧不能燒掉其在高溫條件下析出的含碳物質，而這些含碳物質沉積在觸點表面，使觸點接觸電阻增大；當觸點負荷使用在10 mA以下或50 mV以下時，由于電壓過低無法擊穿觸點表面的膜電阻，將會出現低電平失效。故電磁繼電器的負載能力按如下方法選擇：

　　(1)電磁繼電器的額定負載是指在規定的動作次數(壽命)內，在規定動作頻率下，觸點所能切換的負載，其種類有阻性負載、容性負載、直流感性負載、電機負載、燈負載、低電平負載等，不同的負載之間各生產廠家有相應的換算關系，如航天3412廠對觸點切換不同性質負載大體的電流比例如表1，因此應根據電路中要求切換的負載形式來選擇相應的電磁繼電器。

　　(2)不同電磁繼電器具有不同的負載曲線即負載電壓和負載電流的關系曲線，如圖1是某電磁繼電器負載曲線(最大切換能力)。

　　從圖中可以看出：減小負載電壓可使負載電流提高，減小負載電流可使負載電壓提高，但不存在兩者之一無限減小、另一個無限增大的關系，而是兩者均有一個上限值。因此在選用電磁繼電器負載時，應限制在負載曲線的下方。

　　建議把負載能力設計在100 mA以上，且技術指標給定的額定負載值的60%～80％。

　　2 電磁繼電器的正確連接

　　2．1 電磁繼電器線圈的連接

　　電磁繼電器詳細規范中一般對線圈的電壓都給出工作電壓，吸合電壓，釋放電壓。電磁繼電器在工作時線圈應施加額定工作電壓(電流)，而不應是動作電壓(電流)。由于線圈具有儲能作用，當電磁繼電器線圈斷電時，其儲存的感應電動勢可能會產生高達數千伏的浪涌電壓(反電勢)，這個浪涌電壓作用到繼電器供電系統中去，會對其他器件產生不良影響，所以必須在繼電器的線圈兩頭加“瞬態抑制電路”，將其電壓峰值限制在一定的范圍內，一般推薦瞬態抑制電路為在線圈兩端并聯阻容電路或電阻器或一個二極管。

　　2．2 電磁繼電器觸點的連接

　　理論上電磁繼電器觸點可以并聯，也可以串聯。觸點并聯可以提高電路接通的可靠性，對電路斷開的可靠性則相反；觸點串聯可以提高電路斷開的可靠性，對電路接通的可靠性則相反。這是由于電磁繼電器各組觸點間不可能完全同時動作，故一般不采用兩組或多組觸點并聯起來切換一個大于單個觸點額定負載電流的電路；同時也不采用兩組或多組觸點串聯起來去切換一個大于單個觸點額定負載電壓的電路。目前多數采用將兩個(或以上)同類型，兩組觸點串、并聯使用來提高其可靠性，其并聯可靠度為：

　　Rt=1-(1-R)n

　　式中：Rt為并聯后的可靠度；R為每個繼電器的可靠度。觸點串聯能夠提高其負載電壓，提高的倍數為串聯觸點的組數。但使用時電壓不要高于線圈最大工作電壓，也不要低于額定工作電壓的90％，否則會危及線圈壽命和使用可靠性，如圖2所示。

　　3 電磁繼電器的電磁兼容性

　　電磁干擾是造成產品故障或性能降級的主要原因之一，電磁繼電器的感應機構是由電磁鐵構成，于是存在著漏磁場和磁分路的問題，在電路中應用時需避免其對其他元器件的電磁干擾。特別是在小信號電路中，如各型魚雷產品的引信系統應選用電磁屏蔽非常好的小功率繼電器。同時，電磁繼電器在電路中應遠離磁性敏感元件或磁性物質，確保其本身能正常工作。如某型魚雷操雷儀表上使用的電磁繼電器，在單機使用時完全符合單機的技術性能要求，但在段調試時，該繼電器不能正常轉換。其原因是段裝殼體上有一磁感應強度很強的磁鐵，在其磁場的作用下，單機上使用的繼電器中的磁感應部分被磁化而不能正常工作，后經對該電磁繼電器進行屏蔽，才保證了段裝調試的順利進行。

　　在GJB65B中已明確規定相鄰的同類繼電器安裝時網格間距、安裝間距沿磁軸線方向排列間距應為1．27 mm的整倍數。最近的網格間距最小為2．54 mm，層間間距為3．18 mm的整倍數。所以要求產品設計師們要不斷地學習新知識、新標準，不斷地掌握電磁繼電器的技術性能，在設計產品時要充分考慮到電磁繼電器的磁特性，確保其在產品中能夠正常地、可靠地轉換。

　　4 電磁繼電器的正確安裝

　　電磁繼電器合理安裝是保證其使用可靠性不可忽視的問題，如某型魚雷接線盒和供電切換裝置組件上使用的JRC-071M繼電器，由于在00D1，00D2組件上的安裝方式不合理造成該兩種組件的環境應力篩選試驗的振動項目無法通過，又由于設計圖紙已經定型，無法更改，工藝人員歷經四個多月的摸索試驗，改變了產品振動的安裝姿態，即通過改變振動臺的方向保證了該電磁繼電器的觸點振動方向、銜鐵的吸合方向和整機振動方向垂直，從而解決了00D1，00D2組件的環境應力篩選試驗。為了確保設計圖紙與工藝文件文文一致、文實相符，工廠在這方面浪費了大量的人力和財力。因此設計師和工藝師在型號設計、研制階段應充分考慮電磁繼電器的正確安裝方式，避免人為因素造成電磁繼電器失效。

　　4．1 正確選擇電磁繼電器的安裝方式

　　電磁繼電器不同的安裝方式，在不同的振動方向上，加速度的放大程度有很大的差異。SJl51A-84中規定的安裝方式有6種，如圖3所示。據相關資料統計，這6種安裝方式對加速度的放大程度從小到大的順序為2型，3型，5型，1型，6型，0型。但隨著科技的不斷發展，各行各業對電磁繼電器的需求也不斷增加，對電磁繼電器的性能及可靠性提出了更高的要求，安裝方式也隨著產品的實際狀態而不斷變化而變化，因此設計師在設計產品的印制線路板時，一定要考慮電磁繼電器的安裝方式，保證其觸點振動方向、銜鐵的吸合方向盡量和整機振動方向垂直；同時在安裝繼電器的印制線路板上采取減振措施，如鎖緊裝置、壓片安裝架等，但要注意減振措施中各個邊上的受力一定要平衡。