Современная электроника №2/2020

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 58 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2020 Повышение ресурса герконов за счёт оптимизации воздействующей магнитодвижущей силы Часть 1 Рис. 1. Модель сближения контактов в герконе при воздействии магнитного поля В статье предложен способ повышения рабочего ресурса герконов, который основан на уменьшении количества отскоков контактов в каждом цикле срабатывания. В первой части статьи излагается механистическая модель, которая позволяет рассчитывать время первого касания контактов и скорость их соударения для произвольных форм тока в связанной с герконом катушке. Николай Лемешко (nlem83@mail.ru ) , Павел Струнин (Pavel.Strunin@rohde-schwarz.com) В ВЕДЕНИЕ В настоящее время значительное вни- мание уделяется повышению надёж- ности функционирования электрон- ных устройств, которая определяется используемой компонентной базой и режимами её эксплуатации. Практика показала, что такие показатели надёж- ности [1], как вероятность безотказной работы и средняя наработка на отказ, существенно снижаются при прибли- жении компонентов к предельно допу- стимым режимам эксплуатации. В свя- зи с этим выбор режима работы ком- понентов является важным условием обеспечения надёжности техниче- ских средств. Одними из самых надёжных компо- нентов электрических схем являют- ся герконы и реле на их основе, среди которых встречаются образцы с пре- дельным количеством коммутаций свыше 100 млн. Как известно, комму- тация в герконах осуществляется за счёт того, что контактная пара стано- вится частьюмагнитной цепи, в резуль- тате чего между контактами действует сила тяги, подобная возникающей в зазоре между электромагнитом и яко- рем. В справочной документации для герконов указывают интервалы для двух параметров: магнитодвижущей силы (м.д.с.) срабатывания и отпуска- ния. Однако этой информации недоста- точно для оптимизации работы герко- нов и повышения их надёжности. В работе [2] отмечается, что процесс перехода контактной пары геркона в замкнутое состояние сопровождается в среднем шестью отскоками контак- тов. Время дребезга может составлять до 10 мс в зависимости от силы перво- начального их соударения. Если геркон работает под значительной токовой нагрузкой активного характера, осо- бенно индуктивного, то каждый отскок будет сопровождаться искрением, кото- рое приводит к эрозии контактов, их истончению, повышению переходного сопротивления и последующему изло- му [3]. Ещё одной проблемой является чрезмерная механическая нагрузка на области крепления контактов в корпу- се геркона, которая приводит к ускоре- нию старения материала и в перспек- тиве – к появлению трещин и разруше- нию корпуса. Анализ работы геркона показыва- ет, что чрезмерное увеличение м.д.с. должно приводить к снижению време- ни первого соударения контактов при одновременном увеличении его ско- рости и, соответственно, количества отскоков, что приводит к значитель- ному снижению ресурса работы гер- кона. Целью настоящей работы явля- ется выработка подходов к увеличению ресурса работы герконов, в первую оче- редь – в составе реле, и устройств на их основе, а также к сопутствующему сни- жению энергии, требующейся для сра- батывания геркона. М ОДЕЛЬ СБЛИЖЕНИЯ КОНТАКТОВ ГЕРКОНА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ Из законов механики следует, что отскок контактов в герконе происходит в результате обмена импульсами дви- жения, который возникает из-за нену- левых скоростей контактов в момент их первого соприкосновения [4]. Для оптимизации управления м.д.с. следу- ет более тщательно рассмотреть про- цесс сближения контактов в герконе, модель которого может быть построена на основе известных законов механики. Рассмотрим пару контактов в составе геркона (см. рис. 1), имеющихпостоянные жёсткости c 1 и c 2 внаправлениисилытяги внешнегомагнитногополя.Будемсчитать, чтоконтактыдвижутсяот своихкрайних положений к точке соприкосновения вдоль прямой (на иллюстрации показа- на пунктиром), параллельной оси Х, причёмприотсутствиимагнитногополя положение контактов 1 и 2 соответству- ют координатам x 1,0 =0 и x 2,0 = A . Помеще- ние геркона в магнитное поле приводит ктому, чтосистемаиз двухконтактовста- новитсячастьюмагнитнойцепи, имежду ними возникает некоторая сила тяги F M , которая стремится сблизить контакты и является функцией расстояния между ними, т.е. F M = F M ( x 2 ( t )– x 1 ( t )). С другой сто- роны, при отклонении контактов 1 и 2 от положения равновесия возникают силыпротиводействия, обусловленныеих деформациейиравные c 1 x 1 ( t )и c 2 ( A – x 2 ( t )) соответственно. Задавая механическую инерционность контактовмассами m 1 и m 2 , получим следующие выражения для зависимостейих ускоренийот времени: ; . Далее необходимо определить зави- симость силы тяги F M , возникающую между контактами геркона. Для этого следует проанализировать структуру магнитной цепи, в которой создаётся данная сила. Известно, что для элек- тромагнита с одним зазором малых Контакт 1 Контакт 2 Боковые стенки корпуса геркона X X 2 (t) C 2 (A–X 2 (t)) X 1 (t) F M F М C 1 X 1 (t) (1)