一種高壓直流接觸器的設(shè)計(jì)

辜飛 胡鳳生 李杰

深圳巴斯巴汽車電子有限公司 廣東省深圳市 518118

將 S=120.7mm2，δ=1.8mm 代入上式；得：

再計(jì)算漏磁通產(chǎn)生的力Fdn，漏磁通產(chǎn)生的力是為漏磁通與線圈作用而產(chǎn)生的電動(dòng)力，其公式簡(jiǎn)要如下：

式中：IW——為線圈磁勢(shì)；

LP——銜鐵鏈入線圈的長(zhǎng)度；

LK——線圈長(zhǎng)度

g——單位長(zhǎng)度的漏磁導(dǎo)

同軸圓柱體的單位長(zhǎng)度漏磁導(dǎo)：

其中，rm為繞后線圈半徑，rn=骨架內(nèi)徑

將rm=17mm；rn=6.8mm代入（5）式，

得 g=8.57×10-6Hm

再將Lp=29.7，LK=30.1，IW=465（安匝）代入（4）式，得

計(jì)算出，產(chǎn)品起始電磁吸力為FC=Fdm+Fdn=4.5N

通過計(jì)算得出FC=4.5N大于初始彈簧反力（3.2N）。理論計(jì)算驗(yàn)證滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

2 接觸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

接觸系統(tǒng)主要從觸點(diǎn)材料的選擇、觸點(diǎn)的接觸形式與帶載能力、接觸電阻、接觸壓力、觸點(diǎn)溫升等幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 觸頭材料的選擇

從通斷電流、電壓、觸點(diǎn)壓力、通斷頻率、電流的性質(zhì)（直流或交流）以及環(huán)境氣氛等方面來選擇觸點(diǎn)材料。接觸器在正常情況下，承載和分?jǐn)嗟碾娏鞑淮笥陬~定值，但有時(shí)會(huì)遇到過電流和短路情況。觸點(diǎn)接通時(shí)會(huì)發(fā)生因彈跳造成的機(jī)械磨損、電弧造成的燒損和熔焊。觸點(diǎn)閉合狀態(tài)下會(huì)發(fā)生負(fù)載電流時(shí)的接觸電阻增高和發(fā)熱問題，過電流和短路造成的熔焊，以及因電壓釋放時(shí)觸點(diǎn)斷開燃弧造成的熔焊，觸點(diǎn)斷開時(shí)會(huì)發(fā)生機(jī)械磨損的熔焊，以及燃弧造成的熔焊，這些都與接觸器的結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與閉合和斷開速度、觸點(diǎn)壓力、觸點(diǎn)形狀、負(fù)載電流、電壓以及滅弧方式有關(guān)。但是不同的觸點(diǎn)材料在各種情況下的表現(xiàn)是不相同的。因此，在選用觸點(diǎn)材料的時(shí)候，必須盡詳細(xì)考慮這些條件，特別采用不同的滅弧方式時(shí)需要選擇不同的觸點(diǎn)材料，例如，采用電弧自熱滅弧方式的接觸器，不宜選用熱離子發(fā)射型材料，如銀鎢、銀石墨等，而用采用銀氧化鎘、銀氧化錫氧化銦、銀鎳、銀等材料。

觸頭材料的選取，一般是根據(jù)負(fù)載類別選擇相應(yīng)的觸點(diǎn)材料，如下表1，為汽車?yán)^電器使用負(fù)載及對(duì)應(yīng)使用的觸頭材料。

在不同應(yīng)用中繼電器觸頭材料的選用（表1）。

根據(jù)接觸器電壽命和電性能要求，經(jīng)理論分析和試驗(yàn)的篩選驗(yàn)證，該接觸器設(shè)計(jì)觸點(diǎn)材料選用鎢銅，其軟化溫度可達(dá)到1000℃、電導(dǎo)率為42S/m、熱導(dǎo)率為220W/（m·K）、硬度達(dá)到235HB，具有耐高溫及抗電弧能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

2.2 觸點(diǎn)接觸形式與帶載能力

接觸器的觸點(diǎn)接觸形式有點(diǎn)接觸、線接觸、面接觸三種形式。點(diǎn)接觸觸點(diǎn)在接觸處平均壓強(qiáng)比較大，容易破壞觸點(diǎn)表面的污染物，但散熱面積小，觸點(diǎn)磨損較快，由于壓強(qiáng)大，可以克服觸點(diǎn)表面膜引起的接觸不可靠的影響。適宜作小電流負(fù)荷的觸點(diǎn)。面接觸觸點(diǎn)接觸面平均壓強(qiáng)比較小，但散熱面積大，觸點(diǎn)磨損較慢，適宜于大電流負(fù)荷。線接觸觸點(diǎn)特點(diǎn)介于點(diǎn)接觸和面接觸二者之間。因本文講述的接觸器設(shè)計(jì)為大電流（150A），觸點(diǎn)接觸采用面接觸方式。接觸器動(dòng)，靜觸點(diǎn)直徑φ8.6mm，動(dòng)、靜觸點(diǎn)接觸面積達(dá)到58mm，載流密度為（5～8）A/mm2，按最少計(jì)算載流為290A，約為設(shè)計(jì)額定載流的2倍，有效地保證了觸點(diǎn)承受負(fù)載的能力。

2.3 觸點(diǎn)的接觸電阻

由于電接觸，使得電路的電阻增加。所增加的這部分電阻稱為接觸電阻。接觸電阻為什么會(huì)產(chǎn)生，因?yàn)闊o論觸點(diǎn)表面加工如何平整光亮，從微觀上看它仍是凹凸不平的，當(dāng)有電流流過觸點(diǎn)時(shí)，電流線在接觸點(diǎn)附近向接觸點(diǎn)收縮，導(dǎo)致有效的導(dǎo)電截面積會(huì)大大縮小，進(jìn)而產(chǎn)生接觸電阻增加。這部分由于電流收縮增加的電阻，稱之為收縮電阻，用Rt表示。此外接觸表面不可能是完全清潔的，存在一定的雜質(zhì)，表面形成一層膜，接觸表面的雜質(zhì)和膜給電流的流通造成阻力，使接觸電阻又增加一個(gè)膜電阻，用Rm表示。所以觸點(diǎn)間總的接觸電阻RZ應(yīng)是：RZ= Rt+Rm，在工程上常用如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算接觸電阻

式中：K——與觸點(diǎn)材料的物理化學(xué)性質(zhì)以及接觸表面狀況有關(guān)的系數(shù)，見表2和表3

M——與觸點(diǎn)的接觸形式、壓力大小和實(shí)際接觸面的數(shù)目等因素有關(guān)的指數(shù)，通常在壓力不是太大的情況下，對(duì)于點(diǎn)接觸m=0.5，對(duì)于線接觸m=0.7，對(duì)于面接觸m=1；

F-觸點(diǎn)終壓力，單位對(duì)表2的數(shù)據(jù)用（克力），對(duì)表3用（千克力）。

上述接觸電阻公式，表達(dá)了接觸電阻R與壓力、觸點(diǎn)材料、接觸面積狀態(tài)等因素的關(guān)系，進(jìn)而得以廣泛應(yīng)用。然而所給的系數(shù)都是在一定條件下做試驗(yàn)求出來，根據(jù)現(xiàn)有150A直流接觸器，觸點(diǎn)壓力取值為：15N～18.2N，由上述公式（6）可知：

表1 在不同應(yīng)用中繼電器觸頭材料的選用

表2 系數(shù)K

表3 系數(shù)K

即，理論計(jì)算接觸電阻Rz=（0.43-0.52）（mΩ）

理論值Rz=（0.43-0.52）（mΩ）＜要求值1（mΩ），滿足設(shè)計(jì)要求。

如果，上述公式給出的是室溫條件的接觸電阻。當(dāng)觸點(diǎn)通過電流而發(fā)熱時(shí)，其接觸電阻按下列公式變化：

長(zhǎng)期負(fù)荷造成的發(fā)熱

短期負(fù)荷造成的發(fā)熱

式中：R0—觸點(diǎn)在室溫下的接觸電阻（Ω）；

α—觸點(diǎn)材料的電阻溫度系數(shù)（1/℃）；

τ—觸點(diǎn)的溫升（對(duì)室溫）（℃）

2.4 觸點(diǎn)接觸壓力

觸點(diǎn)的終壓力是指產(chǎn)品動(dòng)、靜觸點(diǎn)完全處于閉合狀態(tài)時(shí)的觸點(diǎn)接觸壓力。其目的是確保動(dòng)、靜觸點(diǎn)可靠接觸，安全、穩(wěn)定通過負(fù)載額定電流。并且保證觸頭在通過約定發(fā)熱電流的持續(xù)作用下，觸頭溫升在允許規(guī)定范圍內(nèi)，使觸點(diǎn)溫升不能過高造成對(duì)觸點(diǎn)的傷害。主要作用有：一方面，對(duì)于容量小的觸點(diǎn)，還具有有一定的清膜作用。另一方面，因產(chǎn)品在吸合狀態(tài)下，動(dòng)、靜觸點(diǎn)受壓力作用及反作用，壓力越大，動(dòng)、靜觸點(diǎn)就不容易分離，使產(chǎn)品不因振動(dòng)導(dǎo)致觸點(diǎn)分離的隱患，保證產(chǎn)品安全性；其次，觸頭終壓力的大小會(huì)影響動(dòng)、靜觸點(diǎn)吸合狀態(tài)下產(chǎn)生的接觸電阻的大小值，與接觸電阻成反比例關(guān)系，即觸點(diǎn)的接觸壓力越大觸點(diǎn)接觸電阻就小，反之會(huì)導(dǎo)致接觸電阻值增大，在接觸電阻增大的情況下觸點(diǎn)之間承載額定電流時(shí)發(fā)熱量也隨之增大，為了使觸點(diǎn)通過電流是發(fā)熱量不要過大，應(yīng)使觸頭的接觸壓降小于觸頭材料的軟化壓降 Um， 并有一定裕度量。接觸壓降值范圍應(yīng)控制在材料軟化壓降的（1/3～1/2），才能保證產(chǎn)品觸點(diǎn)安全，根據(jù)這個(gè)原則，接觸壓降公式：

從而，可求得接觸電阻RZ=UZ/Ie（Ω）

接觸電阻除考慮收縮電阻和膜電阻以外，還應(yīng)考慮接觸部分的結(jié)構(gòu)形式、材料、表面加工情況和通電電流大小等很多因素等影響，要準(zhǔn)確地計(jì)算接觸電阻是很困難的，在實(shí)際工作中利用經(jīng)驗(yàn)公式，表示接觸電阻和壓力的函數(shù)關(guān)系，常用經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：F——觸頭壓力（N）

RZ——接觸電阻（μΩ）；

由上式，可計(jì)算出觸點(diǎn)壓力F

觸點(diǎn)初壓力是動(dòng)、靜觸頭剛開始接觸時(shí)的觸頭承受的壓力。初壓力大小由觸點(diǎn)彈簧的預(yù)壓縮量，它的作用主要是為了減小觸點(diǎn)閉合過程中的振動(dòng)，為避免觸點(diǎn)熔焊及減少燒蝕程度，觸點(diǎn)初壓力一般依據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，一般可取為（ 0.4～0.7）F終壓力。

觸點(diǎn)的終壓力是指觸點(diǎn)完全閉合狀態(tài)下作用于觸點(diǎn)上的壓力。終壓力大小由觸點(diǎn)壓縮彈簧的最終壓縮量決定，它能使觸點(diǎn)處于閉合狀態(tài)時(shí)的接觸電阻值保持較低。接觸器經(jīng)長(zhǎng)期使用以后，由于觸點(diǎn)壓縮彈簧彈力減小或觸點(diǎn)磨損等原因，會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)壓力減小，接觸電阻增大，此時(shí)應(yīng)調(diào)整觸點(diǎn)彈簧和壓力，使初壓力和終壓力達(dá)到規(guī)定的數(shù)值。但觸點(diǎn)壓力的終壓力應(yīng)小于電磁吸力的終電磁吸力，從現(xiàn)有產(chǎn)品DC450V 、150 A 理論計(jì)算出觸點(diǎn)終壓力為18.2N，通過理論設(shè)計(jì)和現(xiàn)有產(chǎn)品驗(yàn)證，對(duì)設(shè)計(jì)壓縮彈簧的形變量和彈性系數(shù)決定終壓力的大小。再經(jīng)過電磁系統(tǒng)中計(jì)算電磁吸力大小值（動(dòng)鐵芯與銜鐵無限貼合），比較終壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電磁吸力，使電磁系統(tǒng)提供的最終吸合保持力能夠滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

2.5 觸點(diǎn)的溫升

以觸點(diǎn)的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)熱為例，觸點(diǎn)的穩(wěn)定溫升取決于它的發(fā)熱與散熱之間的熱平衡。這與包括觸點(diǎn)在內(nèi)的整個(gè)載流體的機(jī)構(gòu)尺寸有關(guān)。計(jì)算一般電器觸點(diǎn)的溫升往往都是很復(fù)雜的。我們用一個(gè)例子來說明有關(guān)觸點(diǎn)溫升的一些重要概念。如圖所示，顯示一對(duì)觸點(diǎn)，與其相連的載流體是一對(duì)等截面等長(zhǎng)直導(dǎo)體。觸點(diǎn)發(fā)熱的熱源有二部分：一部分是電流在導(dǎo)體中的能量損耗W1；另一部分是電流在接觸電阻上的能量損耗W2=I2R。這些熱量都通過導(dǎo)體表面散出。通過解熱平衡方程，可求出接觸區(qū)與導(dǎo)體區(qū)交界處的溫升τ的公式

式中：ρ、λ——導(dǎo)體的電阻系數(shù)（歐·厘米）和導(dǎo)熱系數(shù)（瓦·度-1·厘米-1）；

K——導(dǎo)體的散熱系數(shù)（瓦·厘米-2·度-1）；

m、q——導(dǎo)體的周長(zhǎng)（厘米）和截面（厘米2）；

I、UZ——觸點(diǎn)電流（安）和觸點(diǎn)壓降（伏）。

在公式（11）中的第一項(xiàng)

從該公式可以看出由導(dǎo)體中能量損耗所引起的溫升；

在公式（11）中的第二項(xiàng)

從第二項(xiàng)公式可以看出由于接觸電阻上能量損耗在導(dǎo)體中的傳輸和散發(fā)，在接觸區(qū)與導(dǎo)體區(qū)的交界處造成的溫升。

觸點(diǎn)的最高溫升要高于公式（11）所表示的交界處的溫升，這是因?yàn)榻佑|面上以及收縮區(qū)內(nèi)的熱量要向外傳送，接觸區(qū)內(nèi)又造成一個(gè)熱的“壓降”。因此觸點(diǎn)的最高溫升是：

其中代表觸點(diǎn)最高溫升點(diǎn)相對(duì)于觸點(diǎn)外部的溫度差。

通過對(duì)接觸區(qū)內(nèi)電流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分析，可以找出一個(gè)的近似表達(dá)式

對(duì)于不同的觸點(diǎn)，公式（14）中的三項(xiàng)溫升之間的比例也不相同。如在大電流的接觸器中，觸點(diǎn)壓力很大，使UZ很小， 一項(xiàng)所占比例不大。而接觸器導(dǎo)體截面是按發(fā)熱條件決定的，電流密度一般很大，因此 一項(xiàng)占比例較大，對(duì)于小電流的繼電器觸點(diǎn)則相反，其導(dǎo)體截面是按一些機(jī)械性能的要求決定的，電流密度很低 很小。而這種產(chǎn)品往往處于對(duì)靈敏度對(duì)要求，觸點(diǎn)壓力很低，UZ較大，使 在總溫升中占了主導(dǎo)地位。

3 滅弧系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高電壓、大電流接觸器在直流分?jǐn)嗉夹g(shù)在行業(yè)內(nèi)一直都被視為難點(diǎn)。當(dāng)動(dòng)、靜觸點(diǎn)分?jǐn)鄷r(shí)，在動(dòng)、靜觸點(diǎn)之間的空氣被擊穿形成帶電離子，并在熱運(yùn)動(dòng)的作用下加速了帶電離子之間的相互碰撞，進(jìn)而使游離產(chǎn)生電弧。所以減少電弧產(chǎn)生頻率，以及快速熄滅電弧是觸點(diǎn)可靠分?jǐn)囡@得至關(guān)重要。

3.1 電弧的產(chǎn)生

電弧是一種氣體放電的特殊形式，氣體放電的形式很多，有電暈放電、輝光放電、火花放電和弧光（電弧）放電等等。

電弧的產(chǎn)生條件是電路內(nèi)的電流和電壓必須大于某一最小起弧電流和最小起弧電壓，電弧的產(chǎn)生是由于氣體的游離，游離的原因有熱發(fā)射、冷發(fā)射、碰觸游離和熱游離。

（1）熱發(fā)射：觸點(diǎn)分開過程中觸點(diǎn)表面溫度劇增，由于熱運(yùn)動(dòng)作用，金屬內(nèi)的自由電子克服了金屬內(nèi)正離子的吸力而從陰極表面發(fā)射，形成熱發(fā)射；（2）冷發(fā)射：也為高電場(chǎng)發(fā)射。觸點(diǎn)剛分開是在氣隙間形成高電場(chǎng)。將電子從陰極表面拉出；（3）碰撞游離：從陰極發(fā)射出來的電子，在電場(chǎng)作用下獲得能量而加速，碰撞中性分子而使其游離；（4）熱游離：電弧燃燒時(shí)，電弧溫度很高（可達(dá)幾千度），氣體分子在高溫作用下，由于強(qiáng)烈的熱運(yùn)動(dòng)相互碰撞而游離。

3.2 滅弧措施

通常直流電弧滅弧常用措施可采取以下途徑：

（1）拉長(zhǎng)電弧：使電弧伏安特性向上移動(dòng)，即電弧拉長(zhǎng)，使要維持電弧燃燒所需的電弧電壓增大，如電弧電壓超過外施電壓，則電弧就可熄滅。（2）強(qiáng)冷電?。褐绷麟娀》€(wěn)定燃燒，電弧功率幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁β?，通過傳導(dǎo)，輻射和對(duì)流將熱功率散失到周圍介質(zhì)中。要使電弧熄滅，應(yīng)該人為加強(qiáng)傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流三種散熱的強(qiáng)度，使消游離速度超過游離速度。

3.3 滅弧設(shè)計(jì)

（1）磁吹滅弧

采用磁吹時(shí)，作用在斷開動(dòng)、靜觸點(diǎn)之間的電弧上的力由下式?jīng)Q定：

式中：B——為磁場(chǎng)強(qiáng)度；

L——為電弧長(zhǎng)度（當(dāng)電弧未離開觸點(diǎn)之前，等于觸點(diǎn)間的距離）；

I——為流過電弧的電流；

此滅弧方式能夠改變電弧運(yùn)動(dòng)方向、拉長(zhǎng)電弧，起到快速冷卻電弧、快速熄滅電弧的作用。通過試驗(yàn)驗(yàn)證可知該滅弧方式滅弧效果非常良好。

（2）窄縫滅弧

在直流電器中，窄縫滅弧室廣泛得到應(yīng)用，它是有效的滅弧方式，通常由耐弧的絕緣片形成窄縫，斷開時(shí)，磁吹使電弧迅速進(jìn)入窄縫，還配以引弧角使電弧拉長(zhǎng)，電弧在其中運(yùn)動(dòng)同時(shí)與絕緣片接觸而冷卻和散出熱量，因強(qiáng)烈的區(qū)游離作用能迅速熄滅電弧。

（3）柵片滅弧

制作柵片滅弧裝置，滅弧柵是由許多銅片或鐵片組成，在這些片之間，電弧被分成若干長(zhǎng)度不大（2～3mm）而串聯(lián)的短弧，電弧電壓降主要是由陰極和陽(yáng)極電壓降組成，當(dāng)電流從極小值到大電流變化時(shí)，電弧電壓相應(yīng)地發(fā)生變化。為了在直流電路中可靠地熄滅電弧，必須選擇n片柵片，使?jié)M足下列關(guān)系式：

式中：U——電源電壓；

A——靠近電極壓降之和。

（4）真空滅弧

根據(jù)真空電擊穿理論得知：真空度＞1.33×10Pa時(shí)，絕緣擊穿強(qiáng)度會(huì)有明顯變化； 當(dāng)真空度＜1.33×10Pa時(shí)，絕緣擊穿強(qiáng)度保持不變。將高壓直流接觸器的觸點(diǎn)密封在真空室內(nèi)，密封室內(nèi)零件進(jìn)行真空除氣，密封室整體進(jìn)行烘烤排氣保證產(chǎn)品密封室真空度＞1.0×10Pa，達(dá)到真空滅弧。

4 結(jié)束語

本文主要闡述了對(duì)一種高壓直流接觸器的電磁系統(tǒng)、接觸系統(tǒng)及滅弧系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的論述說明，針對(duì)電磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)描述了電磁吸力原理和理論計(jì)算；對(duì)接觸系統(tǒng)設(shè)計(jì)則從五個(gè)方面進(jìn)行了闡述：（1）觸頭材料的選??；（2）觸點(diǎn)的接觸形式與帶載能力；（3）觸點(diǎn)接觸電阻計(jì)算；（4）觸點(diǎn)接觸壓力計(jì)算描述；（5）觸點(diǎn)的溫升計(jì)算；對(duì)滅弧系統(tǒng)設(shè)計(jì)從電弧的產(chǎn)生及表現(xiàn)形式，直流滅弧所采用常用措施介紹，并詳細(xì)介紹幾種滅弧方式的設(shè)計(jì)進(jìn)行了說明，通過本文對(duì)高壓直流接觸器的幾大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使廣大讀者在使用和運(yùn)用過程中更加了解高壓直流接觸器的工作特性，對(duì)從事這方面的設(shè)計(jì)者來說，通過本文的詳細(xì)介紹，望能提供有所幫助。