Wie halten Relais Blitzen stand? Eine Analyse des innovativen Designs von Relais mit hoher Blitzfestigkeit

Wenn ein gewaltiger Blitzstoßstrom in ein Relais , ist das Kontaktsystem oft das erste, das ausfällt. In diesem Moment wird an den Kontaktflächen eine erhebliche Holm-Kraft erzeugt. Diese elektromagnetische Kraft stößt die Kontakte heftig ab, was dazu führt, dass sich der Stromkreis – der geschlossen bleiben sollte – abnormal öffnet, was zu einem Geräteausfall führt.

Herkömmliche Relais scheinen dieses Problem nicht zu lösen. Jüngste technische Innovationen nutzen die Lorentz-Kraft auf geniale Weise, um die Holm-Kraft abzuschwächen und so einen stabilisierenden Effekt zu erzielen, indem „Kraft eingesetzt wird, um der Kraft entgegenzuwirken“.

Schematische Darstellung des Lorentz-Krafterzeugungsmechanismus

Blitz-Herausforderung: Kernphysikalischer Mechanismus der Kontaktabstoßung

Die Gefahr eines Blitzschlags für Relais besteht im Moment eines extrem hohen Stroms. Wenn ein Blitzstrom (der mehrere zehn Kiloampere erreichen kann) durch den schmalen Kontaktbereich eines Relais fließt, erzeugt er zwei Schlüsselkräfte zwischen den Kontakten.

Die erste ist die Holm-Kraft (auch Kontaktabstoßungskraft genannt). Es entsteht durch den starken Einschnürungseffekt des Stroms an den Kontaktpunkten (tatsächlich handelt es sich um mehrere mikroskopische Unebenheiten). Die Stromleitungen werden an den mikroskopischen Unebenheiten extrem gequetscht, wodurch eine starke elektrodynamische Kraft entsteht, die versucht, die Kontakte auseinanderzudrücken. Seine Größe ist proportional zum Quadrat des Stroms; Bei einem Blitzeinschlag reicht sein Wert aus, um den normalen Kontaktdruck der Kontakte zu überwinden.

Die andere ist die Lorentzkraft. Dies ist die Kraft, die in einem Magnetfeld auf einen stromdurchflossenen Leiter ausgeübt wird. In einem Relais ist der Strom, der durch einen speziell geformten Leiter fließt, einer Kraft im von ihm selbst erzeugten Magnetfeld ausgesetzt, und die Richtung der Kraft folgt der Regel der linken Hand. Der Schlüssel liegt darin, dass durch ein ausgeklügeltes Design die Richtung der Lorentz-Kraft so gesteuert werden kann, dass sie der Holm-Kraft entgegengesetzt ist, wodurch ihre schädlichen Auswirkungen ausgeglichen werden.

Tabelle 1. Vergleich zweier Schlüsselkräfte, die bei Blitzeinschlag auf Kontakte wirken

Branchendilemma: Technische Einschränkungen des traditionellen Designs

Lange Zeit beruhte die Verbesserung der Blitzfestigkeit von Relais hauptsächlich auf „stärkenden“ Ansätzen wie der Erhöhung der Kontaktmaterialhärte und der Erhöhung des Kontaktdrucks. Angesichts der mit dem Quadrat der Strömung wachsenden Holm-Kraft stoßen diese Methoden jedoch schnell an ihre Grenzen.

Ein besonders deutlicher Widerspruch tritt bei Versuchen auf, die Lorentzkraft zu nutzen. Bei Gleichstromrelais wird zum Löschen des Lichtbogens, der beim Unterbrechen großer Ströme entsteht, häufig die Technologie der „magnetischen Lichtbogenlöschung“ eingesetzt, bei der Permanentmagnete um die Kontakte angeordnet sind.

Dieses Magnetfeld führt jedoch dazu, dass die stromdurchflossene bewegliche Feder eine zusätzliche Lorentzkraft erfährt, oft nach unten. Diese Kraft hilft nicht nur nicht dabei, der Abstoßungskraft zu widerstehen, sondern kann auch einen Teil des Kontaktdrucks ausgleichen, wodurch sich die Kontakte bei Blitzstrom leichter abstoßen, was tatsächlich die Kurzschlussfestigkeit des Produkts verringert.

Dies ist genau die theoretische Bestätigung der im Projekt des Anwenders beschriebenen Kernherausforderung: „Die Lorentzkraft ist in Situationen mit kleinen Lücken leicht zu realisieren, in großen Kontaktlücken jedoch sehr schwierig zu nutzen.“ Die größte Schwierigkeit bei der Konstruktion besteht darin, die Richtung und Größe der Lorentz-Kraft präzise zu steuern, sodass sie zu einem „Verbündeten“ und nicht zu einem „Feind“ wird.

Innovativer Durchbruch: Designphilosophie, „Gewalt“ einzusetzen, um „Gewalt“ entgegenzuwirken

Um das oben genannte Dilemma zu überwinden, ist es notwendig, über das lokale Optimierungsdenken hinauszugehen und ein integriertes innovatives Design des Kontaktsystems des Relais durchzuführen. Modernste technische Lösungen basieren im Wesentlichen auf zwei Kernideen.

Idee 1: Magnetfeldrekonstruktion, um die schädliche Lorentzkraft „auf Null zu bringen“ oder umzukehren

Um den Nebenwirkungen entgegenzuwirken, die durch das magnetische Löschlichtbogenfeld verursacht werden, besteht eine innovative Lösung darin, die räumliche Magnetfeldverteilung durch Änderung der Anzahl, Anordnung und Polarität von Permanentmagneten zu rekonstruieren.

Zum Beispiel ein Drei-Magnet-Layout: Zwei Magnete befinden sich auf den beiden Seiten der beweglichen Feder in Breitenrichtung und entsprechen einem Satz beweglicher und stationärer Kontakte; Der dritte Magnet befindet sich auf einer Seite der beweglichen Feder in Längsrichtung und entspricht einem anderen Kontaktsatz.

Das entscheidende Design besteht darin, dass die Polfläche des dritten Magneten ungefähr senkrecht zu den Polflächen der ersten beiden Magneten steht. Durch dieses spezielle Magnetkreisdesign kann die Netto-Lorentzkraft, die auf die bewegliche Feder im magnetischen Blaslichtbogen-Löschfeld wirkt, nahezu auf Null gebracht werden, wodurch der schädliche Nebeneffekt grundsätzlich eliminiert wird und sichergestellt wird, dass der Kontaktdruck nicht gestört wird.

Chemisches Diagramm der Holm-Kraft und der Lorentz-Kraft

Idee 2: Strukturelle Innovation zur effizienten Nutzung der vorteilhaften Lorentzkraft

Um aktiv eine vorteilhafte Lorentz-Kraft zu erzeugen, die der Holm-Kraft entgegenwirkt, ist der Schlüssel zum Entwurf einer spezifischen stromführenden Leiterschleife. Eine fortschrittliche Lösung verwendet ein Design, das „mehrsträngigen flexiblen Kupferdraht, der flexibel mit einer starren beweglichen Feder verbunden ist“ mit einer „U-förmigen“ Struktur kombiniert.

Krafterzeugung: Wenn ein Blitzstrom durch die „U-förmige“ bewegliche Feder und die damit verbundenen flexiblen Drähte fließt, können entsprechend ihrer Umlaufrichtung an den beiden parallelen Armen der U-förmigen Struktur Lorentzkräfte gleicher Richtung und senkrecht zur Kontaktebene erzeugt werden.

Kraftübertragung und -wandlung: Diese Kraft wirkt auf das gesamte bewegliche Federpaket. Die flexible Verbindung des mehradrigen flexiblen Kupferdrahtes ist von entscheidender Bedeutung, da sie dafür sorgt, dass die Lorentzkraft effektiv übertragen und in Normaldruck auf die Kontaktschnittstelle umgewandelt werden kann, anstatt eine starre Verdrehung oder Verschiebung der Struktur zu verursachen.

Dynamische Kompensation: Wenn die Holm-Kraft versucht, die Kontakte auseinanderzustoßen, erhöht sich die vorgefertigte Lorentz-Kraft synchron und bildet einen dynamischen, adaptiven Kompensationsmechanismus, der die Kontakte „zusammendrückt“. Die U-förmige Struktur selbst sorgt zudem für eine bessere mechanische Stabilität und einen Hebelarmeffekt.

Dieses Design löst auf geniale Weise das Problem der „Schwierigkeit bei der Nutzung der Lorentzkraft bei großen Kontaktabständen“. Durch die flexible Verbindung und das gesamte Strukturdesign wird eine effiziente Sammlung und Nutzung der Lorentzkräfte auf stromführende Leiter über einen größeren Bereich außerhalb des Small-Gap-Effekts (d. h. der Stromverengungszone) erreicht.

Schematische Darstellung der Drehlagerausführung „U-förmiger“ Kontaktaufbau

Precision Design: Unterstützung durch Simulationstechnik und Materialwissenschaften

Die Verwirklichung der oben genannten präzisen Kraftsteuerung ist untrennbar mit fortschrittlichen Konstruktionswerkzeugen und -materialien verbunden.

Die multiphysikalische Kopplungssimulation ist in diesem Bereich zu einer unverzichtbaren Forschungs- und Entwicklungsmethode geworden. In hochzuverlässigen Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt wurde bei der Analyse abgedichteter elektromagnetischer Relais ein bidirektionales interaktives Kopplungsmodell für Mehrkörperdynamik und elektromagnetische Finite-Elemente-Kopplung übernommen.

Diese Methode kann in Echtzeit die Wechselwirkungen zwischen transientem mechanischem Drehmoment, elektromagnetischer Kraft und Verformungsparametern berechnen, den komplexen dynamischen Prozess im Moment eines Blitzeinschlags genau simulieren und den Berechnungsfehler wichtiger Parameter wie der Einzugshaltekraft auf einen durchschnittlichen Wert von 2,21 % kontrollieren.

Dies ist herkömmlichen Methoden, die auf statischen Datentabellen basieren, weit überlegen und liefert genaue Vorhersagen zur Optimierung von Parametern wie U-förmigen Strukturabmessungen sowie flexibler Drahtlänge und -steifigkeit.

In Bezug auf die Materialien besteht die bewegliche Feder normalerweise aus einer hochelastischen Berylliumkupfer- oder Phosphorbronzelegierung mit hoher Leitfähigkeit, um wiederholter Krafteinwirkung und Temperaturschocks standzuhalten. Mehradrige flexible Kupferdrähte erfordern eine extrem hohe Reinheit und Flexibilität, um eine zuverlässige Strom- und Kraftleitung nach Langzeitvibrationen zu gewährleisten.

Auch Isoliermaterialien und Gehäusestrukturen müssen überdacht werden, um den Hochspannungsisolierungsanforderungen gerecht zu werden, die Blitzeinschläge mit sich bringen können.

Entdecken Sie unsere Relaisprodukte

Unser Relais-Portfolio ist für Anwendungen konzipiert, bei denen hohe Ströme, Überspannungsereignisse und langfristige Zuverlässigkeit gemeinsam angegangen werden müssen. Von Standard versiegelt elektrische Stromstoßrelais bis hin zu maßgeschneiderten Kontaktsystemen mit hoher Blitzfestigkeit helfen unsere Lösungen Ingenieuren beim Übergang vom passiven Schutz zur aktiven Kontaktstabilisierung.

Zusammenfassung

Die Kerninnovation dieses Projekts besteht darin, den Mechanismus, durch den Relaiskontakte aufgrund der Holm-Kraft bei großem Blitzstrom versagen, eingehend zu untersuchen und die Designidee der Nutzung der Lorentz-Kraft zur aktiven Gegenwirkung kreativ vorzuschlagen. Im Rahmen des Projekts wurde erfolgreich ein Schlüsselmechanismus entwickelt, der eine drehgelagerte „U-förmige“ bewegliche Federstruktur mit einer mehrsträngigen flexiblen Kupferdrahtverbindung kombiniert und die erzeugte Lorentz-Kraft effizient in Normaldruck umwandelt, der die Kontakte stabilisiert.

Unter präziser Verifizierung und Optimierung durch Multiphysik-Kopplungssimulationstechnologie erreicht dieses Design einen grundlegenden technologischen Durchbruch vom traditionellen „passiven Widerstand“ zur „aktiven dynamischen Aufhebung“ und verbessert die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Relais in extremen Blitzumgebungen erheblich.