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[摘 要]文章通过对平衡力式继电器的工作原理进行简介，阐述了轴固定片在平衡力式继电器中的关键作用以及轴固定片与小轴的连接关系，解决了轴固定片在平衡力式继电器装配、筛选等实际应用中存在的问题，为类似采用轴固定片结构的继电器设计提供了参考。
[关键词]轴固定片；可动磁钢；平衡力式；继电器
中图分类号：TM58 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）16-0079-02
1 引言
平衡力式继电器（又称立方英寸永磁激励继电器）系国际上最先进的中大功率继电器，具有技术含量高、品种规格齐全、结构紧凑、负载体积比高、抗冲振性能好等特点；又因其优越的环境性能、较长的负载寿命、高可靠性的指标，故平衡力式继电器主要应用在环境指标恶劣、可靠性要求高、寿命要求长的设备中作为电路切换的主要器件，在欧美发达国家的武器系统和航空航天领域中得到广泛使用，其高可靠及优越的负载体积比是其他元器件所不能替代的。
2 平衡力式继电器简介
平衡力继电器结构可分为平衡力I型（Leach I型）、平衡力Ⅲ型（Leach Ⅲ型）和可动磁钢平衡力式结构，其主要由接触系统、衔铁转换组合、电磁机构等几部分组成。
Leach I型主要特点：磁效率高，抗冲振性能好，但因其为封闭式支架，故多余物清洗较难控制。Leach III型主要特点：是Leach I型结构的改进型，是为适用于小型化而进行设计的改进结构；驱动为磁钢-线圈式基本结构，能确保常开和常闭的触点压力相等；单位尺寸内的触点压力大于Leach I型结构；单线圈产品具有最小的重量和最高可靠性；线圈功耗最小，并满足触点压力的要求；触点超行程损失小于Leach I型；较Leach I型有更简单和更少的零件；较Leach I型具有更稳定的衔铁振动和更好的密合面；开放的磁路结构，更有利于多余物微粒的清除；抗冲振性好；高度只有平衡力式的2/3，适用于超小型化的1/5和2/5立方英寸继电器。可动磁钢平衡力式结构特点：是在综合了Leach系列结构的基础上进行改进的结构，除继承了Leach系列结构的优点外，磁钢处于支架的开口处更有利于多余物的控制。但其零件和装配精度要求较高。
平衡力式继电器具有以下结构特点：
a、衔铁与触点运动方向垂直于基板平面，避免振动过程中外部激振力与结构谐振的叠加；
b、继电器衔铁运动机构与触点系统之间采用刚性连接，避免采用推动杆结构，衔铁的保持力完全施加在触点压力上，能获得最大的触点压力；
c、高度的通用性，在基本结构变化较小的情况下能设计成不同的触点形式；
d、结构中磁钢漏磁小，容易实现继电器线圈低功耗；
e、磁钢作为复原力，继电器吸-反力特性对称平衡；
f、继电器衔铁在激励与去激励状态下受到的力基本相等，确保继电器动断触点与动合触点拥有相同的负载和寿命能力；
g、磁钢的引入，为提高继电器的热稳定性提供了可靠的保障；
h、衔铁组合的重心位于转轴中心位置，可最大程度提高继电器的抗冲振能力。
平衡力继电器三种结构的基本原理相同，均由永久磁钢产生的永磁磁场和线圈产生的电磁场相互作用，促使继电器产生吸合或释放动作。本文就以可动磁钢平衡力式结构为例，介绍轴固定片在此系列继电器中的应用。
3 轴固定片应用背景
在可动磁钢平衡力式结构中，采用的是一种衔铁直接驱动式的电磁系统，所有动接触片均通过刚性连接的形式固定在衔铁上的，衔铁组合是继电器中唯一运动的部件，其可靠性直接影响继电器切换负载的能力和耐环境性能。衔铁组合由衔铁、陶瓷件以及动簧片组合构成，如图1所示。
衔铁组合中，衔铁感应来自磁路组合的电磁力产生旋转，同时带动连接在衔铁上的动簧片组合运动，实现接触系统的切换，因此，衔铁与动簧片组合之间连接强度成为触点能够顺利切换负载的关键。衔铁与动簧片组合之间的连接包括衔铁与陶瓷件之间的连接以及动簧片组合与陶瓷件直接的连接，其中动簧片组合与陶瓷之间采用刚性铆装连接，一般不存在技术难点；而陶瓷件与衔铁之间的连接则通过陶瓷上的转轴孔——转轴——轴固定片——衔铁实现连接，即轴固定片的连接强度决定了陶瓷件与衔铁之间的连接强度。故可以看出，轴固定片在整个衔铁组合中起到桥梁的作用，并且具有以下特点：1.轴固定片与各零部件之间为刚性连接，故须采用不锈钢材料来保证其强度；2.轴固定片进行点焊时，对转轴会有一拉力，为防止转轴变形或陶瓷件碎裂，轴固定片须与转轴进行弹性接触；3.为更好的对转轴进行固定，轴固定片的设计应与转轴有尽可能大的接触面积。
4 成功应用的关键
轴固定片在衔铁组合中的重要功能是有目共睹的，因此，轴固定片的成功应用也是平衡力继电器衔铁组合成功设计的关键，但是，在实际操作过程中，衔铁与陶瓷件之间通过轴固定片连接存在一对矛盾：轴固定片拉力过大，会造成转轴扭曲变形，形成转轴两端不同轴，容易出现继电器的死故障，另外，如果拉力过大，也可能会造成陶瓷件的碎裂，卡在轴固定片中，容易出现继电器的机械噪音；轴固定片拉力不足时，转轴会松动，并且动簧片与衔铁之间也会出现松动，造成继电器接触不可靠，反力特性不稳定，也就存在出现死故障的隐患。
为解决轴固定片点焊过程中的这对矛盾，我们对轴固定片采用V形槽及弹性悬臂设计，即对轴固定片与轴连接端增加一缺口，如图2所示。图2展示了如何来实现这种结构：轴紧向下压，并用两只精巧的扣片托牢；在实际的装置中，这两只扣片支撑了大约8N的作用力，扣片点焊到衔铁的两侧。当向下的作用力施于扣片时，两只悬臂便作为悬臂梁并向外偏移，产生了弹性的作用力。如果轴的支撑体没有弹性作用，则即使将陶瓷件脚嵌入衔铁表面，也能引起该装置的松动。这种扣片装置能适应范围宽广的零件容差，同时又能得到同样牢固的衔铁—陶瓷件—动触点簧片的组合装置。
5 成功应用实例
现分析衔铁组合在点焊时的应力分布情况，主要分析轴固定片和轴之间力的作用。点焊时力的情况可以简化为轴不动，给轴固定片一个竖直向上8N的力，如图3所示，分析此时固定片上的应力分布情况。
得出此时的应力分布如图4所示，最大应力值为284MPa，见图中红色区域。
再计算出此时的安全系数分布图如图5所示，可以看出最大应力处的安全系数最小，为2.43，大于1，说明点焊时最大应力未超过材料的屈服强度，安全。
接着来分析一下衔铁组合在正弦振动下的应力分布情况。将衔铁组合看成一个整体来分析，也就是各零件之间的连接是稳定的。正弦振动的参数为频率3000Hz，加速度为30g。为方便分析，将加速度载荷转化为位移载荷进行加载，通过2次积分得出位移载荷为S=0.016t-8.44×10-7sin6000πt，将位移载荷分成一个线性和一个正弦函数进行加载，即对2个幅值的位移载荷分别赋予不同的时间函数，均加载在衔铁组合的上表面上。通过分析得出应力分布如图6所示，整体应力值较低，最大应力仅为1.79MPa，分布在中间铆钉部分，远小于材料的屈服强度。
通过分析可以得出，开口轴固定片在点焊及振动过程中，均能满足产品要求，重要的是可以避免转轴变形及松动的风险，完全可以满足产品性能。
6 结束语
轴固定片在平衡力式继电器中的关键作用是有目共睹的，与簧片系统、转轴及衔铁之间的相互关系也是平衡力式继电器衔铁组合中关键的设计技术。如何在实际应用中有效地利用轴固定片，避免产品在装配过程中拉伤转轴、使陶瓷件破裂等质量隐患，以及产品在振动筛选中各零部件的坚固连接，实现其应有的功能，是平衡力式继电器设计中必须考虑的问题，希望本文为类似采用轴固定片结构的继电器设计提供了参考。
参考文献
[1] 王凌志 黄俊才 动簧固定片在平衡力式继电器中的应用 机电元件，2010，4 P46.
[2] 郑天丕 周峻峰 继电器制造、工艺、使用.北京 电子工业出版社 1996.
[关键词]轴固定片；可动磁钢；平衡力式；继电器
中图分类号：TM58 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）16-0079-02
1 引言
平衡力式继电器（又称立方英寸永磁激励继电器）系国际上最先进的中大功率继电器，具有技术含量高、品种规格齐全、结构紧凑、负载体积比高、抗冲振性能好等特点；又因其优越的环境性能、较长的负载寿命、高可靠性的指标，故平衡力式继电器主要应用在环境指标恶劣、可靠性要求高、寿命要求长的设备中作为电路切换的主要器件，在欧美发达国家的武器系统和航空航天领域中得到广泛使用，其高可靠及优越的负载体积比是其他元器件所不能替代的。
2 平衡力式继电器简介
平衡力继电器结构可分为平衡力I型（Leach I型）、平衡力Ⅲ型（Leach Ⅲ型）和可动磁钢平衡力式结构，其主要由接触系统、衔铁转换组合、电磁机构等几部分组成。
Leach I型主要特点：磁效率高，抗冲振性能好，但因其为封闭式支架，故多余物清洗较难控制。Leach III型主要特点：是Leach I型结构的改进型，是为适用于小型化而进行设计的改进结构；驱动为磁钢-线圈式基本结构，能确保常开和常闭的触点压力相等；单位尺寸内的触点压力大于Leach I型结构；单线圈产品具有最小的重量和最高可靠性；线圈功耗最小，并满足触点压力的要求；触点超行程损失小于Leach I型；较Leach I型有更简单和更少的零件；较Leach I型具有更稳定的衔铁振动和更好的密合面；开放的磁路结构，更有利于多余物微粒的清除；抗冲振性好；高度只有平衡力式的2/3，适用于超小型化的1/5和2/5立方英寸继电器。可动磁钢平衡力式结构特点：是在综合了Leach系列结构的基础上进行改进的结构，除继承了Leach系列结构的优点外，磁钢处于支架的开口处更有利于多余物的控制。但其零件和装配精度要求较高。
平衡力式继电器具有以下结构特点：
a、衔铁与触点运动方向垂直于基板平面，避免振动过程中外部激振力与结构谐振的叠加；
b、继电器衔铁运动机构与触点系统之间采用刚性连接，避免采用推动杆结构，衔铁的保持力完全施加在触点压力上，能获得最大的触点压力；
c、高度的通用性，在基本结构变化较小的情况下能设计成不同的触点形式；
d、结构中磁钢漏磁小，容易实现继电器线圈低功耗；
e、磁钢作为复原力，继电器吸-反力特性对称平衡；
f、继电器衔铁在激励与去激励状态下受到的力基本相等，确保继电器动断触点与动合触点拥有相同的负载和寿命能力；
g、磁钢的引入，为提高继电器的热稳定性提供了可靠的保障；
h、衔铁组合的重心位于转轴中心位置，可最大程度提高继电器的抗冲振能力。
平衡力继电器三种结构的基本原理相同，均由永久磁钢产生的永磁磁场和线圈产生的电磁场相互作用，促使继电器产生吸合或释放动作。本文就以可动磁钢平衡力式结构为例，介绍轴固定片在此系列继电器中的应用。
3 轴固定片应用背景
在可动磁钢平衡力式结构中，采用的是一种衔铁直接驱动式的电磁系统，所有动接触片均通过刚性连接的形式固定在衔铁上的，衔铁组合是继电器中唯一运动的部件，其可靠性直接影响继电器切换负载的能力和耐环境性能。衔铁组合由衔铁、陶瓷件以及动簧片组合构成，如图1所示。
衔铁组合中，衔铁感应来自磁路组合的电磁力产生旋转，同时带动连接在衔铁上的动簧片组合运动，实现接触系统的切换，因此，衔铁与动簧片组合之间连接强度成为触点能够顺利切换负载的关键。衔铁与动簧片组合之间的连接包括衔铁与陶瓷件之间的连接以及动簧片组合与陶瓷件直接的连接，其中动簧片组合与陶瓷之间采用刚性铆装连接，一般不存在技术难点；而陶瓷件与衔铁之间的连接则通过陶瓷上的转轴孔——转轴——轴固定片——衔铁实现连接，即轴固定片的连接强度决定了陶瓷件与衔铁之间的连接强度。故可以看出，轴固定片在整个衔铁组合中起到桥梁的作用，并且具有以下特点：1.轴固定片与各零部件之间为刚性连接，故须采用不锈钢材料来保证其强度；2.轴固定片进行点焊时，对转轴会有一拉力，为防止转轴变形或陶瓷件碎裂，轴固定片须与转轴进行弹性接触；3.为更好的对转轴进行固定，轴固定片的设计应与转轴有尽可能大的接触面积。
4 成功应用的关键
轴固定片在衔铁组合中的重要功能是有目共睹的，因此，轴固定片的成功应用也是平衡力继电器衔铁组合成功设计的关键，但是，在实际操作过程中，衔铁与陶瓷件之间通过轴固定片连接存在一对矛盾：轴固定片拉力过大，会造成转轴扭曲变形，形成转轴两端不同轴，容易出现继电器的死故障，另外，如果拉力过大，也可能会造成陶瓷件的碎裂，卡在轴固定片中，容易出现继电器的机械噪音；轴固定片拉力不足时，转轴会松动，并且动簧片与衔铁之间也会出现松动，造成继电器接触不可靠，反力特性不稳定，也就存在出现死故障的隐患。
为解决轴固定片点焊过程中的这对矛盾，我们对轴固定片采用V形槽及弹性悬臂设计，即对轴固定片与轴连接端增加一缺口，如图2所示。图2展示了如何来实现这种结构：轴紧向下压，并用两只精巧的扣片托牢；在实际的装置中，这两只扣片支撑了大约8N的作用力，扣片点焊到衔铁的两侧。当向下的作用力施于扣片时，两只悬臂便作为悬臂梁并向外偏移，产生了弹性的作用力。如果轴的支撑体没有弹性作用，则即使将陶瓷件脚嵌入衔铁表面，也能引起该装置的松动。这种扣片装置能适应范围宽广的零件容差，同时又能得到同样牢固的衔铁—陶瓷件—动触点簧片的组合装置。
5 成功应用实例
现分析衔铁组合在点焊时的应力分布情况，主要分析轴固定片和轴之间力的作用。点焊时力的情况可以简化为轴不动，给轴固定片一个竖直向上8N的力，如图3所示，分析此时固定片上的应力分布情况。
得出此时的应力分布如图4所示，最大应力值为284MPa，见图中红色区域。
再计算出此时的安全系数分布图如图5所示，可以看出最大应力处的安全系数最小，为2.43，大于1，说明点焊时最大应力未超过材料的屈服强度，安全。
接着来分析一下衔铁组合在正弦振动下的应力分布情况。将衔铁组合看成一个整体来分析，也就是各零件之间的连接是稳定的。正弦振动的参数为频率3000Hz，加速度为30g。为方便分析，将加速度载荷转化为位移载荷进行加载，通过2次积分得出位移载荷为S=0.016t-8.44×10-7sin6000πt，将位移载荷分成一个线性和一个正弦函数进行加载，即对2个幅值的位移载荷分别赋予不同的时间函数，均加载在衔铁组合的上表面上。通过分析得出应力分布如图6所示，整体应力值较低，最大应力仅为1.79MPa，分布在中间铆钉部分，远小于材料的屈服强度。
通过分析可以得出，开口轴固定片在点焊及振动过程中，均能满足产品要求，重要的是可以避免转轴变形及松动的风险，完全可以满足产品性能。
6 结束语
轴固定片在平衡力式继电器中的关键作用是有目共睹的，与簧片系统、转轴及衔铁之间的相互关系也是平衡力式继电器衔铁组合中关键的设计技术。如何在实际应用中有效地利用轴固定片，避免产品在装配过程中拉伤转轴、使陶瓷件破裂等质量隐患，以及产品在振动筛选中各零部件的坚固连接，实现其应有的功能，是平衡力式继电器设计中必须考虑的问题，希望本文为类似采用轴固定片结构的继电器设计提供了参考。
参考文献
[1] 王凌志 黄俊才 动簧固定片在平衡力式继电器中的应用 机电元件，2010，4 P46.
[2] 郑天丕 周峻峰 继电器制造、工艺、使用.北京 电子工业出版社 1996.