節(jié)能車用大功率預(yù)熱繼電器的改進(jìn)

吳　剛

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

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節(jié)能車用大功率預(yù)熱繼電器的改進(jìn)

吳剛

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

摘要：文章論述了節(jié)能車用大功率預(yù)熱繼電器的工作原理，重點介紹了電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱設(shè)計、增加了大電流分?jǐn)?觸點滅弧保護(hù)、改進(jìn)觸點材料優(yōu)化觸點結(jié)構(gòu)形式。

關(guān)鍵詞：工作原理；大電流分?jǐn)?觸點滅弧保護(hù)；觸點材料

1引言

目前，柴油機汽車預(yù)熱系統(tǒng)在國Ⅳ及以上標(biāo)準(zhǔn)的車上均需采用電加熱，電加熱預(yù)熱方式將成為預(yù)熱系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。該預(yù)熱系統(tǒng)中的主要部件電加熱器功率在1000W～3200W。因此，系統(tǒng)工作時的電流也很大，一般都在80A～150A左右。我所研制的車用大功率繼電器能夠在大功率負(fù)荷條件下工作，且有極高的可靠性。經(jīng)試驗驗證做出改進(jìn)后的車用預(yù)熱繼電器增加了產(chǎn)品電壽命，并在產(chǎn)品處于接近失效狀態(tài)時，能夠可靠地、主動地將繼電器輸出端在有效的時間范圍內(nèi)斷開或直接失效，不造成任何其它的次生危害，使產(chǎn)品不存在任何安全性隱患。

2產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)及性能特性

節(jié)能車用大功率預(yù)熱繼電器是電磁式直流大功率繼電器，具體技術(shù)參數(shù)指標(biāo)見表1。該產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于柴油發(fā)動機汽車預(yù)熱控制系統(tǒng)、電動汽車及混合動力汽車電源切換、工業(yè)控制系統(tǒng)及自動化，如直流電機及直流負(fù)載控制及頻繁開關(guān)切換等使用場合，符合國家新能源技術(shù)和節(jié)能減排等政策的要求。

表1　主要技術(shù)指標(biāo)

3工作原理

節(jié)能車用大功率預(yù)熱繼電器是由輸入控制電路、電磁系統(tǒng)、傳動機構(gòu)和輸出接觸系統(tǒng)四大部分組成，原理框圖見圖1所示，工作原理圖如圖2所示。其工作原理是：當(dāng)輸入控制電壓加到輸入端控制電路時，電磁系統(tǒng)部分的電磁鐵動作，通過傳動機構(gòu)使主觸點由斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)換為閉合狀態(tài)，使繼電器接通，接通外電路，并通過電磁力系統(tǒng)保持輸出端接通狀態(tài)；當(dāng)施加在輸入端控制電壓去除時，電磁力消失，主觸點靠彈簧等反力機構(gòu)提供的反力由接通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為斷開狀態(tài)，切斷主回路。電磁繼電器就是通過輸入端的低電壓小電流控制信號來實現(xiàn)輸出端的高電壓、大電流的接通、保持和切斷負(fù)載回路的目的。

圖1　節(jié)能車用大功率預(yù)熱繼電器電器原理框圖

圖2　節(jié)能車用大功率預(yù)熱繼電器工作原理圖

4電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱設(shè)計

電磁繼電器是一種復(fù)雜的機電元件，它將電能通過磁鏈變換成機械動作去推動電氣觸點。其工作性能及可靠性就取決于和應(yīng)用及特性指標(biāo)有關(guān)的各種設(shè)計參數(shù)的相互影響，要保證機械結(jié)構(gòu)與電氣特性曲線相匹配。當(dāng)機械結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定時，綜合采用規(guī)定的環(huán)境條件、線圈回路狀態(tài)、機械壽命要求和觸點負(fù)載狀態(tài)所能影響繼電器性能的因素來評價，分析繼電器的設(shè)計合理與否。

電磁繼電器中觸點一般有四種推動方式：(1)直接由拍合式銜鐵推動；(2)多簧片的撓曲；(3)預(yù)張動簧片推動；(4)直接由螺線管推動等方式。當(dāng)電磁式繼電器的切換電流/功率上升到一定程度后，結(jié)合繼電器的使用環(huán)境、技術(shù)參數(shù)指標(biāo)、安裝要求，以及適宜于大批量產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的要求，最終確定了采用“直接由螺線管推動”的結(jié)構(gòu)形式。

其主體電磁結(jié)構(gòu)采用帶有錐度極面的裝甲螺管直動吸入式結(jié)構(gòu)，動磁芯設(shè)計有較適宜的動作行程，保證動觸點與靜觸點有合適的觸點間距以及觸點跟蹤，既保證繼電器能夠可靠地分?jǐn)唷缁?，又有適宜的觸點壓力，保證接觸可靠。吸入式結(jié)構(gòu)的主磁通和漏磁通都能夠產(chǎn)生吸力，吸力大、吸持牢固、穩(wěn)定可靠。動磁芯采用帶有錐面的結(jié)構(gòu)，繼電器動磁芯在整個動作過程吸力平坦、均勻，減小觸點閉合時的碰撞及增加接觸的可靠性，使繼電器的動態(tài)吸力特性和返力特性能夠較易實現(xiàn)良好的配合，降低空氣間隙與吸力特性的相關(guān)敏感性，易于實現(xiàn)產(chǎn)品的批量生產(chǎn)，滿足繼電器能夠可靠工作、降低動作功率、減小動作時間、提高壽命等要求，同時也保證了在大空氣間隙下也有滿足要求的電磁力，以保證繼電器可靠吸合。

如圖3所示，在動磁芯下端磁路部分，由下?lián)蹊F構(gòu)成正常工作磁路系統(tǒng)和由外殼構(gòu)成的安全磁路系統(tǒng)。繼電器正常工作時，經(jīng)由下?lián)蹊F這一工作磁路正常循環(huán)；當(dāng)在繼電器壽命末期工作時，當(dāng)觸點接觸壓降大于300mV，發(fā)熱量較大，動觸點支架會產(chǎn)生熱變形，逐步強制繼電器使用由外殼構(gòu)成的安全磁路系統(tǒng)，強制繼電器向預(yù)設(shè)安全模式失效，大大降低了因觸點繼續(xù)惡化而粘連的故障可能性。

圖3　電磁式預(yù)熱繼電器安全保護(hù)裝置原理圖

設(shè)計時，充分考慮到溫度范圍、振動、安裝使用環(huán)境等環(huán)境條件對產(chǎn)品的各參數(shù)指標(biāo)的影響，在綜合分析評估的基礎(chǔ)上，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計部分進(jìn)行環(huán)境溫度、振動、絕緣電阻、介質(zhì)耐壓等指標(biāo)參數(shù)設(shè)計；在輸入控制電路和線圈部分進(jìn)行線圈電壓、電流、能耗、動作時間等電參數(shù)設(shè)計；在電磁系統(tǒng)部分進(jìn)行吸合電壓、釋放電壓、電磁吸力、動作行程等電磁參數(shù)設(shè)計；在接觸系統(tǒng)部分進(jìn)行接觸電阻、額定負(fù)載電壓、額定負(fù)載電流等接觸系統(tǒng)和電氣負(fù)載參數(shù)的設(shè)計。

由于電磁繼電器較寬范圍的輸入電流及大電流負(fù)載，繼電器在工作時會由于繞組及觸點發(fā)熱而升溫，尤其是因觸點間的接觸電阻在大分?jǐn)嚯娏鲿r產(chǎn)生的熱引起的升溫。根據(jù)環(huán)境溫度范圍和負(fù)載條件，在設(shè)計最大安全額定工作電壓、線圈電流、線圈功耗時要考慮到：(1)線圈能承受規(guī)定壽命中所施加的持續(xù)發(fā)熱累計時間的能力；(2)繼電器其他結(jié)構(gòu)零件如絕緣件、推動件和觸點能承受一定溫度的能力而又不損害繼電器工作的性能；(3)繼電器線圈和結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)污染觸點的可能性和對鄰近零件的影響。與此同時，還要考慮到當(dāng)電源電壓降低到額定值的85%時，繼電器依然能夠可靠地工作。

按前面所述選擇設(shè)計依據(jù)的原則并結(jié)合具體產(chǎn)品的要求，通過電路試驗，利用計算機軟件進(jìn)行有限元仿真模擬分析，確定各結(jié)構(gòu)部分的參數(shù)與尺寸，達(dá)到理想的最佳狀態(tài)。

5大電流安全可靠分?jǐn)?觸點滅弧保護(hù)

對大電流分?jǐn)嗉夹g(shù)而言，技術(shù)的難點就是滅弧。主觸點在閉合和斷開時，由于和靜觸點之間的間隙場強變化而造成空氣的電離產(chǎn)生電弧。電弧的產(chǎn)生會造成觸點局部高溫而熔化，形成“電焊”現(xiàn)象，將動觸點和靜觸點熔焊在一起，從而造成繼電器失效，在使用過程中存在安全隱患。為降低電弧的危害程度及保護(hù)觸點，使繼電器能夠可靠地分?jǐn)嗲袚Q負(fù)載的大電流，就必須設(shè)計采用特殊的結(jié)構(gòu)和技術(shù)來消弧和滅弧，降低或消除電弧的產(chǎn)生和危害程度，延長觸點的壽命；采用有拉開熔接觸點能力的反力推動機構(gòu)，電磁繼電器分?jǐn)嗟呢?fù)載比較大，要求觸點在閉合時有一定的觸點壓力和斷開時有一定的斷開距離，以及實現(xiàn)要求的分?jǐn)?、閉合速度要求，從而可靠地將大電流分?jǐn)?。?gòu)造類同迷宮式的滅弧室，同時保證適宜的觸點開距，使觸點在斷開時能夠迅速可靠地滅弧。

觸點粘連失效后可能會對整機使用環(huán)境造成安全隱患，輕者燒毀附近的零部件，重者會起火燒毀整機。此外，還應(yīng)有可靠的安全機構(gòu)裝置，或者采用魯棒設(shè)計理念，產(chǎn)品設(shè)計有正常工作磁路和安全保護(hù)磁路兩路磁路結(jié)構(gòu)，利用磁通自動尋找最小磁阻的回路而構(gòu)造磁路回路的特性，設(shè)計合理的兩路磁路間隙和選擇好觸點支架材料耐溫特性，使產(chǎn)品能夠智能化判斷自身的技術(shù)狀態(tài)，當(dāng)判斷繼電器處于接近失效狀態(tài)時，能夠可靠地、主動地將繼電器輸出端在有效的時間范圍內(nèi)斷開或直接失效，不造成任何其它的次生危害，使產(chǎn)品不存在任何安全性隱患。

6觸點材料及結(jié)構(gòu)形式

觸點的壽命和工作的可靠性與觸點材料有很大的關(guān)系，電磁繼電器觸點的材料選用很講究，材料選用得當(dāng)，既經(jīng)濟可行，又可以延長觸點的壽命，進(jìn)而延長繼電器的壽命。觸點材料盡可能選用高導(dǎo)電、導(dǎo)熱材料并攙和添加劑防止熔接，結(jié)合觸點的結(jié)構(gòu)形式的選擇和使用，使觸點的壽命最大化，進(jìn)而使繼電器的電氣壽命最大化。

對于分?jǐn)啻箅娏鞯睦^電器，觸點材料從性能上來說最優(yōu)選用銀氧化鎘AgCdO材質(zhì)。采用先進(jìn)的燒結(jié)、擠壓工藝，氧化鎘質(zhì)點彌散分布于銀基體中，在電弧作用下，氧化鎘劇烈分解、蒸發(fā)使觸頭表面冷卻，起到降低電弧能量和熄弧的作用，從而使材料具有高的抗熔焊性、耐電磨損性及較低的接觸電阻。由于銀氧化鎘材料中含有六價鎘，具有毒性，不符合環(huán)保指令的要求，可采用銀氧化錫AgSnO或銀氧化鋅AgZnO等含銀氧化物代替。但是，由于這些材料都含有貴金屬Ag,觸點造價一般都比較高。

從零件的經(jīng)濟性和性能綜合考慮，對目前市場上所使用的銅基合金材料進(jìn)行試驗研究，最終根據(jù)觸點材質(zhì)性能的優(yōu)劣，選用了碲銅合金材質(zhì)。碲銅合金觸點是一種由含0.4%-0.7%碲和純度高、塑性好的高導(dǎo)電性銅粉結(jié)合、精制而成的高導(dǎo)、易切削金屬材料，具有極好的易切削性能和優(yōu)良的導(dǎo)電性、熱膨脹小、耐腐蝕性，高強度，高密度，高硬度，耐高溫、耐電弧燒蝕、強度高，比重大，導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，易于加工，不含貴金屬，產(chǎn)品性價比高。

碲銅觸點環(huán)保無毒，符合歐盟RoSH環(huán)保要求，具有抗熔焊、耐電磨損性好，燃弧時間短，分?jǐn)嘈阅芨?、抗大電流沖擊能力強的特點。在大分?jǐn)嚯娏鳁l件下，具有更理想的抗電弧侵蝕能力，接觸面材料熱膨脹系數(shù)小，避免因觸點材料的熱脹冷縮差異的增大而形成接觸電阻增大的現(xiàn)象，避免熱磨損；在大接觸壓力情況下，比銀基觸點具有更高的耐機械磨損能力。

確定了觸點材質(zhì)后，為保證可靠地分?jǐn)啻箅娏骷翱煽康赜|點滅弧，觸點的結(jié)構(gòu)型式非常關(guān)鍵。如圖4 節(jié)能車用大功率預(yù)熱繼電器結(jié)構(gòu)圖所示，觸點系統(tǒng)采用“面線”的接觸方式的雙斷點結(jié)構(gòu)，靜觸點僅起到電連接的作用，動觸點不僅起到電連接的作用，還起到觸點滅弧的作用。小彎曲半徑帶引弧角的外形結(jié)構(gòu)，使動觸點在閉合時能夠有一定的觸點壓力破壞觸點表面的氧化膜而保證可靠的電連接，接觸電阻小，觸點在接通主電路時產(chǎn)生的熱也減小，由觸點引起的溫升大大減?。欢一⌒谓Y(jié)構(gòu)使觸點在閉合和斷開時產(chǎn)生的電弧沿切線方向釋放，從觸點轉(zhuǎn)移到弧角的時間短，迫使電弧迅速離開觸點進(jìn)入滅弧室，弧根也迅速離開觸頭，使電弧快速熄滅，從而可靠的滅弧，延長動觸點的電壽命，同時也大大減輕了對滅弧罩的破壞磨損。

具有弧形結(jié)構(gòu)引弧角的動觸點，不僅可以可靠地滅弧、低接觸電阻，而且由于質(zhì)量小，也提高了動觸點系統(tǒng)的抗振動、抗沖擊的能力，從而提高了環(huán)境適應(yīng)能力。

7結(jié)束語

以上簡要地論述了車用大功率預(yù)熱繼電器的工作原理和改進(jìn)方案。研制的產(chǎn)品還沒有批量生產(chǎn)和工程配套使用，在結(jié)構(gòu)、工藝等方面還存在一些不足：(1)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝性有待優(yōu)化。根據(jù)產(chǎn)品適用于工程實際經(jīng)驗和反饋，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)還有待于優(yōu)化，產(chǎn)品零件加工工藝、裝配工藝還需要按照大批量的汽車電子產(chǎn)品的要求進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，提升批量生產(chǎn)的質(zhì)量水平。(2)觸點負(fù)載范圍有待提升。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)研究內(nèi)容，結(jié)合后期產(chǎn)品工程化使用反饋，以及整機要求的更新，觸點的負(fù)載能力、電壽命等技術(shù)參數(shù)及產(chǎn)品的可靠性等方面還有很大的提升空間，這將是下一階段的研究主要內(nèi)容和研究目標(biāo)。(3)產(chǎn)品的安裝方式單一。針對產(chǎn)品使用的不同場合和用途，產(chǎn)品的安裝形式也要多樣化，以滿足不同使用場合的安裝要求，同時根據(jù)不同的安裝結(jié)構(gòu)要求，對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，形成系列化的貨架式產(chǎn)品，滿足不同行業(yè)不同用途用戶的要求，提升產(chǎn)品的市場適應(yīng)能力。

參考文獻(xiàn)：

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Improvement of High-power Preheating

Relay for Energy-saving Motor

WU Gang

(No.40 Institute of CETC, Bengbu, Anhui 233010)

Abstract：The article discusses the working principle of high-power energy-saving motor preheating relay, and mainly introduces the structure design and thermal design, electromagnetic system increases the large current breaking/contact arcing protection, improvement of contact materials, optimizing the structure of contact form.

Keywords：working principle; large current breaking/contact arcing protection; contact materials

中圖分類號：TN784

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-6133(2015)02-0025-04

Doi:10.3969/j.issn.1000-6133.2015.02.006

收稿日期：2015-01-20