馮波，栗保明

(南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094)

電磁繼電器是一種電子控制元器件，具有控制系統(tǒng)(又稱為輸入回路)和被控制系統(tǒng)(又稱為輸出回路)，本質(zhì)上是用較小的電流去控制較大電流的一種開(kāi)關(guān)，可以在各種電路中有調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換、保護(hù)電路的作用[1-2]，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)制造和自動(dòng)化控制(比如航空航天系統(tǒng)、芯片制造、交通等)領(lǐng)域。最近幾年微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的研究與發(fā)展受到了極大的關(guān)注，以此技術(shù)為基礎(chǔ)研制的微電磁繼電器的前景也越來(lái)越廣闊。和傳統(tǒng)電磁繼電器相比，微電磁繼電器繼承了它們的優(yōu)點(diǎn)，比如性價(jià)比高，價(jià)格低，活動(dòng)電極與固定電極接觸電阻比較小，各組件耐壓強(qiáng)度較大等，還有載流能力較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，而且各個(gè)方面尺寸微小，那么在微執(zhí)行通信等領(lǐng)域的應(yīng)用就成為了可能，良好的集成性可以運(yùn)用在各種各樣的控制系統(tǒng)中[3-5]，比如火炮發(fā)射的伺服控制系統(tǒng)等。

筆者基于已有的微電磁繼電器的研究，建立了微電磁繼電器的結(jié)構(gòu)模型，使用有限元模擬分析(ANSYS)軟件和Origin圖像處理軟件對(duì)繼電器線圈電磁場(chǎng)的分布情況和銜鐵在平面磁芯線圈的電磁場(chǎng)中受到的電磁力進(jìn)行仿真計(jì)算、結(jié)果處理[6-7]，為線圈中的電流激勵(lì)、銜鐵的使用材料，以及銜鐵和固定電極的相對(duì)位置、各間隙大小設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。對(duì)微電磁繼電器的進(jìn)一步應(yīng)用具有一定的參考意義。

1 微電磁繼電器的結(jié)構(gòu)和工作原理

目前來(lái)講，微電磁繼電器通常是由平面磁芯線圈、絕緣層、導(dǎo)磁體層、銜鐵、固定電極和硅基底等構(gòu)成[8]。當(dāng)微電磁繼電器在實(shí)際使用環(huán)境工作的時(shí)候，在平面磁芯線圈中會(huì)施加電流激勵(lì)，之后在平面磁芯線圈中就會(huì)發(fā)生電磁感應(yīng)效應(yīng)。銜鐵這時(shí)自然受到平面磁芯線圈電磁力的吸引就會(huì)克服安裝在電極之間的彈簧的彈力(相對(duì)傳統(tǒng)繼電器，彈力較小)被吸向固定電極，從而使得控制電路實(shí)現(xiàn)控制工作電路的目的。當(dāng)平面磁芯線圈失去電流激勵(lì)以后，由于返回彈簧的存在，銜鐵就會(huì)返回。經(jīng)過(guò)這樣的流程，最終實(shí)現(xiàn)電路的閉合和斷開(kāi)。其中平面磁芯線圈是微電磁繼電器的重要組成部分，線圈的材料、銜鐵的材料、各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、各激勵(lì)參數(shù)須滿足以下條件[9-10]:

1)銜鐵與固定電極的相對(duì)位置，即活動(dòng)間隙需在微米量級(jí)內(nèi)，而且各組件應(yīng)該具有比較高的耐壓強(qiáng)度，避免擊穿。

2)在接觸電阻很小的前提下，線圈需要提供穩(wěn)定持續(xù)的接觸力，才能使得工作電路一直保持閉合狀態(tài)，比如當(dāng)繼電器工作在火炮發(fā)射等比較惡劣、復(fù)雜多變的環(huán)境中時(shí)，穩(wěn)定的接觸力能夠保證繼電器的可靠性。

3)在保證平面磁芯線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度滿足實(shí)際各種需求的情況下，盡量提升線圈的載流能力，以滿足實(shí)際運(yùn)用中某些伺服控制系統(tǒng)的需求。

2 仿真結(jié)果分析與討論

從目前的研究來(lái)看，研究微電磁繼電器工作時(shí)，平面線圈內(nèi)部和附近的電磁場(chǎng)分布，以及銜鐵在平面磁芯線圈中因電磁感應(yīng)效應(yīng)所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中所受電磁力情況并對(duì)受力應(yīng)變進(jìn)行分析，對(duì)于確定在實(shí)際用途中電流激勵(lì)的大小、各個(gè)電極的相對(duì)位置、觸點(diǎn)分布、材質(zhì)、各部分間距等參數(shù)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出穩(wěn)定可靠的微電磁繼電器具有十分重要的意義。

使用ANSYS有限元模擬分析軟件和Origin圖像處理軟件對(duì)提出的微電磁繼電器結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵組件(平面線圈)的電磁場(chǎng)分布和銜鐵在平面磁芯線圈中因電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中所受到電磁力的情況進(jìn)行計(jì)算分析以及受力應(yīng)變進(jìn)行分析，綜合考慮各種因素后，可以據(jù)此設(shè)計(jì)出比較合理的微電磁繼電器結(jié)構(gòu)的方案，為將來(lái)運(yùn)用到火炮發(fā)射控制工程領(lǐng)域奠定基礎(chǔ)。

2.1 平面磁芯線圈的電磁場(chǎng)分布

通過(guò)對(duì)目前微電磁繼電器線圈結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)行分析，可以考慮將平面磁芯線圈的結(jié)構(gòu)制作成圖1所示的結(jié)構(gòu)(內(nèi)部存在多處彎曲)。微電磁繼電器其余部件的位置、結(jié)構(gòu)如圖2所示，副磁線圈位于主線圈間隙中。

由于所給電流激勵(lì)在單次計(jì)算中是穩(wěn)定不變的，據(jù)此對(duì)微電磁繼電器建立了如圖3所示的3D穩(wěn)態(tài)仿真模型，整個(gè)仿真模型大致由銜鐵(由藍(lán)色區(qū)域?qū)?yīng)表示)、線圈(由紅色區(qū)域?qū)?yīng)表示)、副磁線圈(由紫色區(qū)域?qū)?yīng)表示)和空氣(由空白區(qū)域表示)4個(gè)部分構(gòu)成。

有限元分析電流激勵(lì)設(shè)置大致如圖4所示，所加電流激勵(lì)為多匝Stranded類型，大小可以調(diào)整，激勵(lì)位于線圈截面處。邊界條件是默認(rèn)的零磁場(chǎng)，故不需要再手動(dòng)添加。

線圈內(nèi)部及附近的磁感線分布和電磁場(chǎng)強(qiáng)度云圖如圖5～6所示。從仿真的結(jié)果可以得出結(jié)論，當(dāng)線圈加上電流激勵(lì)之后，發(fā)生電磁感應(yīng)效應(yīng)，由此產(chǎn)生一定的磁通量，磁通量主要集中在線圈內(nèi)，通過(guò)間隙沿下部磁芯流入到附近的外磁芯，逐漸向其余外磁芯傳播，從而產(chǎn)生了電磁吸引力作用在銜鐵上，隨后銜鐵與固定電極接觸，將觸點(diǎn)接通，達(dá)到控制電路的目的。從線圈磁場(chǎng)云圖的結(jié)果可得：線圈中的磁場(chǎng)主要分布在線圈內(nèi)部且較為集中，這會(huì)對(duì)銜鐵產(chǎn)生比較大的吸引力，這與后續(xù)的計(jì)算結(jié)果相符合，電磁力呈現(xiàn)為Z軸方向且大小較為穩(wěn)定，其他方向的力與Z軸相比數(shù)量級(jí)相差過(guò)大，可以忽略不計(jì)，該吸引力能夠保證銜鐵和固定電極的穩(wěn)定接觸，提高繼電器在工作時(shí)的可靠性，使其可以在復(fù)雜多變的環(huán)境下穩(wěn)定工作。由此可以說(shuō)明所建立的微電磁繼電器的仿真模型是合理的。

2.2 勵(lì)磁線圈的電磁力計(jì)算

當(dāng)在平面磁芯線圈上施加激勵(lì)時(shí)，產(chǎn)生電磁感應(yīng)效應(yīng)，銜鐵會(huì)在線圈所生成的磁場(chǎng)洛侖茲力的作用下垂直運(yùn)動(dòng)下去。很明顯，為了保證動(dòng)靜觸點(diǎn)的接觸，保證繼電器工作的可靠性，線圈因電磁效應(yīng)所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)應(yīng)當(dāng)足夠吸引銜鐵，使它與固定電極接觸，使得控制電路接通。因此，勵(lì)磁線圈的電磁力應(yīng)達(dá)到一定的大小。為了便于分析，一般認(rèn)為銜鐵此時(shí)是各向同性的磁性材料，則銜鐵在垂直方向(Z)上所受到平面磁芯線圈的電磁力可以表示為[11]

(1)

式中：Bz為控制電路接通以后，線圈中電磁感應(yīng)強(qiáng)度在垂直方向上的分量；Mz為銜鐵被整個(gè)磁化后的磁感應(yīng)強(qiáng)度的垂直分量；V為銜鐵的體積大小數(shù)值。由此，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)Mz表示為[11]

(2)

式中：Xm為各向同性的磁性材料磁化系數(shù)；ur和u0為銜鐵材料的相對(duì)磁導(dǎo)率和真空磁導(dǎo)率的數(shù)值，均可查表；Hz為線圈電磁感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的垂直方向(Z)的分量。將式(2)代入到式(1)，可推導(dǎo)得

(3)

由畢奧-薩伐爾定律可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度是電流密度和距離的函數(shù)關(guān)系，以控制電路載流電流10 A為例，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，對(duì)電流進(jìn)行參數(shù)化掃描處理，可得到不同電流下電磁力，如表1所示。

表1 不同電流下電磁力

由表1可知，對(duì)應(yīng)電流激勵(lì)下的電磁力方向呈現(xiàn)為Z軸方向，大小較為穩(wěn)定且隨電流變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，這與前面的云圖結(jié)果一致。利用Origin圖像處理軟件作出固定電極與活動(dòng)電極間隙D為5 μm時(shí)的Fz-I函數(shù)圖像，如圖7所示。

由圖7可以看出，當(dāng)電流激勵(lì)增加，電磁力增長(zhǎng)非?？欤虼嗽龃箅娏鞯募?lì)可以促進(jìn)銜鐵和固定電極的閉合，使得控制電路接通，有助于提高繼電器工作靈敏性，不過(guò)另一方面盲目增加電流也會(huì)讓平面磁芯線圈的功率變得過(guò)大，可能出現(xiàn)異常發(fā)熱、冒煙等問(wèn)題，引發(fā)事故，降低可靠性，因此，在實(shí)際應(yīng)用中線圈電流應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，在同樣的電流激勵(lì)下，也可以考慮通過(guò)其他方式達(dá)到增強(qiáng)電磁力的目的，比如增加線圈匝數(shù)等。

同理，在線圈仿真結(jié)果中對(duì)活動(dòng)間隙進(jìn)行參數(shù)化掃描處理，可得I=10 A時(shí)的Fz-D函數(shù)圖像曲線，如圖8所示。

由圖8可知，在線圈電流為10 A時(shí)，活動(dòng)間隙約在1.2 μm處電磁力達(dá)到最大值4.8 N?？梢?jiàn)，為保證電極間存在足夠的吸引力，活動(dòng)間隙的大小也應(yīng)維持在合理的范圍內(nèi)，在當(dāng)前參數(shù)下，活動(dòng)間隙保持1.2 μm時(shí)繼電器接通效果最好。

因此，為使繼電器實(shí)現(xiàn)較為良好的控制效果，在設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)時(shí)，應(yīng)該將勵(lì)磁電流的大小、銜鐵和固定電極的相對(duì)位置，還有平面線圈的功率大小等諸多方面的因素一起考慮。

2.3 銜鐵的受力應(yīng)變分析

對(duì)活動(dòng)電極進(jìn)行受力分析時(shí)，可以把電極看作懸臂梁模型來(lái)處理，假設(shè)電極各個(gè)部分受力都是均勻的，那么可以建立電極在垂直方向上的撓曲線方程[12-13]:

(4)

查閱資料，將銜鐵材料的楊氏模量參數(shù)E=210 GPa，以及上面仿真過(guò)程中的參數(shù)和結(jié)果I=10 A，D=1.2 μm處的Fz代入到式(4)，通過(guò)Origin圖像處理軟件可得到銜鐵在垂直方向的位移W和x的函數(shù)圖像，如圖9所示。

曲線在開(kāi)始時(shí)上升趨勢(shì)比較平緩，之后則是近乎線性上升。在x=L處，活動(dòng)電極取得最大位移量為

可見(jiàn)，該參數(shù)下活動(dòng)電極(銜鐵)的最大位移量Wmax大于銜鐵和固定電極的活動(dòng)間隙D=1.2 μm，因此該參數(shù)下平面磁芯線圈對(duì)活動(dòng)電極的電磁力足夠吸引活動(dòng)電極做往復(fù)垂直運(yùn)動(dòng)，繼電器可以正常工作。結(jié)合電流與電磁力的關(guān)系，可以適當(dāng)減小電流，這樣可以兼顧不使線圈功率過(guò)大，增強(qiáng)繼電器的可靠性，亦可產(chǎn)生足夠的位移量，能提供足夠穩(wěn)定的接觸力，如此繼電器的結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步優(yōu)化。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著微電磁繼電器技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，其被逐步運(yùn)用于芯片制造、航空航天和工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域中，前景變得越來(lái)越廣闊。筆者主要針對(duì)微電磁繼電器的結(jié)構(gòu)和工作原理，使用ANSYS有限元分析軟件仿真計(jì)算了繼電器平面磁芯線圈內(nèi)部和附近的電磁場(chǎng)分布，銜鐵與固定電極之間的電磁力情況，以及對(duì)電極的應(yīng)力形變進(jìn)行分析，為微電磁繼電器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，使微電磁繼電器的結(jié)構(gòu)得到一定的優(yōu)化。