基于机械结构的交流接触器振动机理分析及优化

张志文, 章星栋, 朱映平, 黄振顺

(浙江正泰电器股份有限公司, 浙江 温州 325603)

0 引 言

随着社会生产和科学技术的发展,交流接触器的应用领域及使用日益增长,可应用于接通与切断交流回路[1],并可实现远程操作来接通和切断主电路及大容量控制电路,特别是应用于航空航天、电能输送和机床等重要领域的控制系统[2]。其主要由磁系统、触头系统、灭弧系统等部分组成。交流接触器的主要工作原理:当磁系统的线圈通以额定电压后,带有磁轭的线圈会产生强磁场,吸引衔铁向磁轭方向运动,而装在触头支持上的动触头通过衔铁的运动与固定在基座上的静触头的吸合或断开、来实现对电路通、断的控制[3];当施加在线圈两端的电压显著下降或消失时,衔铁部件会在反力弹簧的作用下复位,从而实现电路的分断或接通。因此交流接触器可以实现低电压控制高电压、低电流控制高电流的功能,进而实现远距离地频繁接通与分断电路[4]。

在生产制造及后续使用中,交流接触器中的各部位零件会不可避免地发生碰撞并存在一定的制造误差,当各零部件误差积累到一定程度时,就会出现明显铁心振动,并伴随噪声产生的情况[5]。因此,交流接触器在制造及客诉当中,铁心的振动与噪声是最常见的问题之一。本文针对该问题结合实际案例就产生的原因及解决方案进行剖析。

1 振动的类别及来源

交流接触器的内部结构图如图1所示。

图1 交流接触器的内部结构图

交流接触器的工作环境不确定,在不同环境下动作会由于各部件的磨损等因素,造成其振动。由于振动的原因,会对交流接触器的可靠动作和寿命值产生影响。为了提高交流接触器动作的可靠性和安全性,需要找到振动原因,并采取一定的措施加以解决。

交流接触器在制造及使用过程中,产生的振动多种多样,其中最为主要是电磁振动与机械振动。

1.1 电磁振动的产生原因

电磁振动是交流接触器的固有特性,是不可避免的。其产生的主要原因是交流接触器的铁心是由无取向的硅钢片制成,其内部有无数的由于分子电流运动形成的小磁针。在未对其施加外力时,小磁针是杂乱无章的,整体对外不显磁性。当对其施加外力时(如线圈通电后产生的磁场),这些小磁针就会运动转向,方向趋于一致,对外显磁性。有无外力作用的小磁针分布图如图2所示。线圈通以交流电时,交流电的大小和方向会随时间的变化而发生改变,同样线圈产生的磁场大小与方向也会随之改变,小磁针反复地工频运动就会产生振动,这就是交流接触器的电磁振动。电磁振动不可完全杜绝,但可通过调节参数和改进结构设计来降低至可接受的程度。

图2 有无外力作用的小磁针分布图

1.2 机械振动的产生原因

交流接触器除了存在电磁振动,还存在机械振动。机械振动产生的原因主要有两种:一种为铁心问题产生振动,一种为系统不平衡产生振动。机械振动及其产生的噪声通常是很大的,同时由于振动和噪声产生的危害也是不可接受的。此类振动只要找到其产生的原因,就可以通过采取一定的措施加以避免。

2 机械振动分析与解决方案

机械振动主要由铁心问题和系统不平衡造成。而不同的问题均有其不同的表现形式。

2.1 铁心问题引起的机械振动

铁心问题引起的机械振动,其表现形式主要有两种。

(1) 极面加工不平造成的振动。铁心通常会经过冲压、叠铆、磨削、去毛刺、清洗、刷防锈油、包装及入库等工序后才应用于交流接触器。在磨削过程中,工作台面不平、进刀量过大或转序过程中的磕碰等均会造成铁心极面不平,从而产生振动和噪声。这类振动和噪音可以通过更换铁心得到有效的解决。

(2)铁心极面有异物引起的振动。极面的异物主要来源有两个方面,即铁心加工过程产生的毛刺和进行铁心装配的台面不清洁,这类振动可以通过清洁极面的方法加以消除。

2.2 系统匹配不平衡造成的机械振动

系统匹配不平衡造成的机械振动主要包括3种情况,即压力中心不重合造成的系统不平衡、运动间隙不合理造成的系统不平衡和铁心缺乏自我调节造成的系统不平衡,以上任意一种情况发生,均会造成系统不平衡,从而产生振动,并形成噪声。

2.2.1 压力中心不重合造成的系统不平衡

某型交流接触器,车间反馈校验过程中有15%～25%的产品有比较大的振动,铁心极面无异物或杂质,但为消除该振动需要反复更换铁心。据相关的检验记录来看,无异常。

(1)对设计的压力中心的相关尺寸进行了计算,无异常;

(2)通过现场数据分析可知,校验振动比例较大的位置均集中在某供方物料上,通过对影响压力中心的尺寸进行测量分析发现该问题是由供方加工错误造成的。底座图如图3所示;基底图如图4所示。由于供方理解错误(A=C≠B=D),将A和B加工成相等的尺寸,使得铁心的压力中心发生偏移,从而产生振动。通过对错误尺寸进行修正,并对各尺寸进行规范化的标注,问题得到解决。

图3 底座图

图4 基座图

在接触器的底部和两侧面利用加速传感器,测得通过A/D转换,傅立叶变换后表征振动量的值,即频谱能量值;根据频谱能量值得到噪声分贝值。更改前后产品噪声的检测数据如表1所示。

表1 尺寸更改前后产品噪声的检测数据

由表1可见,经过更改产品尺寸能够降低噪声。各产品噪声降低的百分比如表2所示。

表2 各产品噪声降低的百分比

由表2可知,经过尺寸的更改,10台试品的各部位噪声均呈不同程度的下降,降低幅度均约20%。通过更改产品尺度能够消除压力中心不重合带来的系统不平衡的影响,进而更为显著地降低振动和噪声。

2.2.2 运动间隙设计不合理造成的系统不平衡

交流接触器的运动件主要是触头,触头支持在基座里运动实现通断[6]。基座要承担触头支持的主要运动限位,如果运动间隙设计不合理,则极易由于局部的变形卡滞引起振动。常见的间隙设计不合理情况主要分为两种。

(1)触头支持在基座里的各处运动间隙均设计为一个值。间隙设计相同如图5所示。

图5 间隙设计相同

(2)间隙虽有主次之分，但整个触头支持的面都是配合面。整个触头支持的面均为配合面如图6所示。

图6 整个触头支持的面均为配合面

通常为解决运动间隙不合理产生振动的方法有两种。

(1)将整个配合面减小成中间面的配合，以减小运动摩擦，从而达到降低乃至消除振动的目的。减小配合面示意图如图7所示。

图7 减小配合面示意图

(2)将触头支持的配合面缩小成4个点接触,来达到降低或消除振动的目的。缩小配合面为4个点示意图如图8所示。

图8 缩小配合面为4个点示意图

2.2.3 铁心缺乏自我调节造成的系统不平衡

交流接触器通常是垂直安装的,其铁心由于有自重,在基座里运动时通常不是直线运动的,而是会带有一点旋转的曲线运动,此时如果动、静铁心之间没有一个自我调节的余量,就极易发生受力不平衡的情况,从而产生振动,同时也极易使机械寿命后极面的局部磨损产生噪声[7]。动、静铁心之间未存在调节余量示意图如图9所示。

图9 动、静铁心之间未存在调节余量示意图

为消除振动和噪声，通常解决的思路：底座底面设计成一个圆弧面，同时给予静铁心一个调节间隙，当动铁心在带动触头支持运动时，静铁心有一个向上迎击并且自我调整的动作，从而促使铁心的压力中心重合，最大限度地降低振动。赋予静铁心一个调节余量示意图如图10所示。

图10 赋予静铁心一个调节余量示意图

3 结 语

通过对振动产生的原因以及试验数据的分析可以得出以下结论:

(1)交流接触器的振动主要分为电磁振动和机械振动。其中,电磁振动是交流接触器的固有特性,可以降低,但不可避免;而由于铁心问题和系统不平衡问题产生的机械振动,可以通过采取特定措施加以消除。

(2)铁心问题引起的机械振动,可以通过更换铁心及规范制造流程解决;系统不平衡引起的机械振动,可以通过合理的结构设计,如合理的间隙及运动匹配设计、铁心具有自我调节量的设计等,都能得到有效的解决。

(3)接触器累计操作次数会对交流接触器的振动和噪声产生影响。随着交流接触器累计操作次数的增加,交流接触器的铁心磨损愈发严重,其振动与噪音值均呈现显著的上升趋势。