一種高壓直流接觸器的設(shè)計

辜飛　胡鳳生　李杰

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的大力發(fā)展，尤其在新能源發(fā)展可以說是日新月異，對新能源高壓直流接觸器的應(yīng)用需求越來越多。如電動汽車、充電樁、太陽能發(fā)電、航空航天及鐵道交通領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。本文主要介紹一種高壓直流接觸器，用于高壓電源分配管理系統(tǒng)，其作用切換高電壓大電流負(fù)載，具有分?jǐn)嚯娏鞔?、帶載能力強(qiáng)、體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，但如何設(shè)計好一款高壓直流接觸器顯得至關(guān)重要，本文從電磁系統(tǒng)設(shè)計、接觸系統(tǒng)設(shè)計、滅弧系統(tǒng)設(shè)計等幾個方面設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)介紹。通過理論設(shè)計及結(jié)合實(shí)際進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。

關(guān)鍵詞：電磁鐵;接觸力;接觸電阻;溫升;滅弧;磁吹;電弧

無論是繼電器還是接觸器，在的使用過程中，動作原理、結(jié)構(gòu)形式如何千差萬別、它們都是由感應(yīng)機(jī)構(gòu)（接受輸入信號）、比較機(jī)構(gòu)（提供比較量）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（輸出電路）三部分組成。接觸器作為一種電器控制元器件，從電路的角度來看，接觸器分控制部分，即輸入回路;被控部分，即輸出回路。當(dāng)接觸器的控制部分的輸入量（M）達(dá)到一定值時，其輸出回路的電參量（N）就發(fā)生跳躍變化。即形成了控制部分（即輸入回路）和被控制部分（即輸出回路）之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。其工作原理為：當(dāng)接觸器線圈通電時，當(dāng)M

1 電磁鐵系統(tǒng)設(shè)計

電磁鐵系統(tǒng)是接觸器動力之源，直接影響產(chǎn)品的動作的關(guān)鍵，所以對該系統(tǒng)的很多方面有很高的參數(shù)要求，才能確保產(chǎn)品可靠性。本文通過理論設(shè)計計算和現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計驗(yàn)證，確保產(chǎn)品性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)化。

1.1 電磁鐵吸力原理

電磁接觸器能否可靠工作取決于其吸力特性與反力特性配合的是否恰當(dāng)，為了保證接觸器在電源電壓波動時仍能可靠吸合，應(yīng)使吸合電壓小于額定電壓，并且在此電壓下（額定電壓的50%～70%），接觸器的電磁吸合力應(yīng)大于彈簧反力（或反力矩）。

1.2 理論計算

計算接觸器處于斷開位置時吸合電壓下的靜吸力，目前以現(xiàn)有產(chǎn)品為例，產(chǎn)品為直推式電磁鐵的電磁吸力FC

由主磁通Fdm和漏磁通Fdn兩部分吸力合成，即

FC=Fdm+Fdn

式中：Fdm為主磁通產(chǎn)生的電磁端面吸力

Fdm= （1）

式中：為磁壓降;為間隙磁導(dǎo);δ為磁間隙大小

平面接觸的磁導(dǎo)率，= （2）

式中：μ0為空氣磁導(dǎo)率，1.25×10-6Hm

S為接觸面的面積

根據(jù)（2）式，得

= （3）

即Fdm==

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，一般汽車接觸器的工作環(huán)境溫度最高為85℃，接觸器的最大吸合電壓為9V，計算出初始起動電磁力，即設(shè)計驗(yàn)證產(chǎn)品在最極端情況下，電磁系統(tǒng)工作的情況?，F(xiàn)有產(chǎn)品線圈匝數(shù)為：1724匝，常溫下線圈電阻為24Ω，銅的電阻溫度系數(shù)按40%來計算，經(jīng)計算出：在85℃時的線圈電阻為33.6Ω，線圈電流I為0.27A。計算出鐵磁阻的磁間隙的磁壓降Uδ，一般情況按鐵磁阻占整個回路磁阻的10%～20%來設(shè)計計算，取中間值為15%，則Uδ=393安匝。

將S=120.7mm2，δ=1.8mm代入上式;得：

==1.25×10-6×120.7/1.8*1.8 =-4.66×10-5

所以，F(xiàn)dm==×3932×（-4.66×10-6）=3.6N

再計算漏磁通產(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)生的電動力，其公式簡要如下：

Fdn= （4）

式中：IW——為線圈磁勢;

LP——銜鐵鏈入線圈的長度;

LK——線圈長度

g——單位長度的漏磁導(dǎo)

同軸圓柱體的單位長度漏磁導(dǎo)：

（5）

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

Fdn==×4652×8.57×

10-6×（28.7/30.1）2=0.9N

計算出，產(chǎn)品起始電磁吸力為 FC=Fdm+Fdn=4.5N

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

2 接觸系統(tǒng)設(shè)計

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)溫升等幾個方面進(jìn)行設(shè)計。

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，但有時會遇到過電流和短路情況。觸點(diǎn)接通時會發(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)下會發(fā)生負(fù)載電流時的接觸電阻增高和發(fā)熱問題，過電流和短路造成的熔焊，以及因電壓釋放時觸點(diǎn)斷開燃弧造成的熔焊，觸點(diǎn)斷開時會發(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)計為大電流（150A），觸點(diǎn)接觸采用面接觸方式。接觸器動，靜觸點(diǎn)直徑φ8.6mm，動、靜觸點(diǎn)接觸面積達(dá)到58mm，載流密度為（5～8）A/mm2，按最少計算載流為290A，約為設(shè)計額定載流的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，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)公式計算接觸電阻

（6）

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，對于點(diǎn)接觸m=0.5，對于線接觸m=0.7，對于面接觸m=1;

F-觸點(diǎn)終壓力，單位對表2的數(shù)據(jù)用（克力），對表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：

即，理論計算接觸電阻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，其接觸電阻按下列公式變化：

長期負(fù)荷造成的發(fā)熱

（7）

短期負(fù)荷造成的發(fā)熱

（8）

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（對室溫）（℃）

2.4 觸點(diǎn)接觸壓力

觸點(diǎn)的終壓力是指產(chǎn)品動、靜觸點(diǎn)完全處于閉合狀態(tài)時的觸點(diǎn)接觸壓力。其目的是確保動、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觸點(diǎn)的傷害。主要作用有：一方面，對于容量小的觸點(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、靜觸點(diǎn)受壓力作用及反作用，壓力越大，動、靜觸點(diǎn)就不容易分離，使產(chǎn)品不因振動導(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影響動、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)這個原則，接觸壓降公式：

UZ=（1/3）Um（V）～（1/2）Um（V）

（9）

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，可計算出觸點(diǎn)壓力F

（10）

觸點(diǎn)初壓力是動、靜觸頭剛開始接觸時的觸頭承受的壓力。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，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)時的接觸電阻值保持較低。接觸器經(jīng)長期使用以后，由于觸點(diǎn)壓縮彈簧彈力減小或觸點(diǎn)磨損等原因，會導(dǎo)致觸點(diǎn)壓力減小，接觸電阻增大，此時應(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 理論計算出觸點(diǎn)終壓力為18.2N，通過理論設(shè)計和現(xiàn)有產(chǎn)品驗(yàn)證，對設(shè)計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)中計算電磁吸力大小值（動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。