某小型大功率高負載大觸點間隙電磁繼電器的設(shè)計

陳 坤

（廈門宏發(fā)電聲股份有限公司，福建 廈門 361021）

1 某小型大功率高負載大觸點間隙電磁繼電器的設(shè)計意義

當(dāng)前，小型大功率繼電器依照等級的不同，分為敞開式繼電器、防塵繼電器以及塑封繼電器，其中的防塵繼電器和敞開式繼電器與塑封繼電器存在很大的差別，但是這2種繼電器的缺點也很明顯。自身體積都較為龐大，散熱性一般，而現(xiàn)在市場上缺少非塑封小型快速散熱繼電器[1]。眾所周知，繼電器在工作過程中內(nèi)部會產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致電量被嚴重的損耗，極大地縮短了繼電器的使用壽命，如何通過設(shè)計來解決小體積與遠轉(zhuǎn)熱量之間的關(guān)系，成為當(dāng)下亟待解決的問題。在小型大功率高負載繼電器設(shè)計時，不僅需要考慮到天氣、溫度、濕度等外界因素的影響，還要充分地考慮到在體積減小的條件下觸點切換負載等內(nèi)部實際問題，使人們生產(chǎn)過程中可以更加方便地使用電路。此外，小型大功率高負載繼電器在繼電器領(lǐng)域完全是一種革命性技術(shù)創(chuàng)新，該產(chǎn)品的研發(fā)既響應(yīng)了黨的十四大會議號召，創(chuàng)新民族科技領(lǐng)域產(chǎn)品，還能滿足社會發(fā)展需求，提高使用單位和企業(yè)的生產(chǎn)效率[2]。

2 某小型大功率高負載大間隙電磁繼電器的設(shè)計

圖1 傳統(tǒng)繼電器結(jié)構(gòu)圖

電磁繼電器包括接觸系統(tǒng)和磁路系統(tǒng)2個部分。接觸系統(tǒng)是由靜簧片、靜觸點、動簧片以及動觸點組成的；磁路部分是由線圈、軛鐵、鐵芯和銜鐵組成的。接觸系統(tǒng)與磁路系統(tǒng)通過動簧片與銜鐵、軛鐵鉚接或焊接組合，接觸系統(tǒng)一般由動簧片、靜簧片設(shè)計引出腳構(gòu)成導(dǎo)電回路。圖1 為一種常見的繼電器結(jié)構(gòu)圖。小型大功率高負載大間隙電磁繼電器的設(shè)計，主要有3個問題。1）如何壓縮繼電器的體積，在保證繼電器性能的前提下簡化零件結(jié)構(gòu)。2）小體積內(nèi)，高負載帶來的高溫升問題，即在有限空間內(nèi)，接觸系統(tǒng)的簧片體積受限，簧片載流截面積小，繼電器接通高負載時必然使得系統(tǒng)的溫升很高。而繼電器使用的塑料材料、簧片材料、漆包線等耐溫有限，在長期高溫環(huán)境中，塑料材料易老化，簧片易發(fā)生永久形變，進而出現(xiàn)繼電器性能下降或燒毀等問題[3]。3）大觸點間隙下， 觸點切換負載時電弧能量很高，間隙越大，電弧能量越高，在有限空間內(nèi)，電弧能量無處釋放，會對繼電器內(nèi)部元件造成損壞。

圖2 焊片結(jié)構(gòu)示意圖

該文針對上述提出的3個問題，進行深入研究，提出了一種小型大功率高負載大觸點間隙電磁繼電器的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案[4]。1）簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計。為了簡化繼電器的結(jié)構(gòu)，該文所述繼電器結(jié)構(gòu)仍然采用類似圖1的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)相對緊湊，由于傳統(tǒng)動簧片引出是在動簧片本體設(shè)計出引出腳，動簧片一般都比較薄，當(dāng)應(yīng)用于大電流負載時，為了增大動簧片的載流面積，避免動簧片載流密度高，通常在將動簧片部分作為引出腳時，引腳部分需要疊片，這樣在制作時就增加了模具的難度，尤其是動簧片一般都會有折彎，這就更增加了引腳疊片的難度，使得在工藝上很難實現(xiàn)。因此該文所述結(jié)構(gòu)對動簧片引出部分進行了優(yōu)化，采用焊片作為動簧部分引出腳[5]。如圖2所示，動簧片通過鉚接與焊片連接，再通過鉚接或焊接與軛鐵連接固定，焊片與軛鐵設(shè)計卡裝限位，如圖3所示。將動簧片的引出端通過焊片引出的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較簡單，工藝上好實現(xiàn)，同時也使動簧片結(jié)構(gòu)的設(shè)計得到簡化。2）高負載下系統(tǒng)溫升問題得到解決。由于接觸系統(tǒng)需要具有高負載能力，接觸系統(tǒng)需要足夠的載流能力，動簧片、動簧片引出腳、靜簧片的載流能力要足夠強大，靜簧片設(shè)計比較簡單，一般采用純銅材料，根據(jù)空間設(shè)計足夠的載流面積，保證載流能力；動簧片的材料一般選用高導(dǎo)電的銅合金材料，而傳統(tǒng)采用動簧片疊片引出腳的結(jié)構(gòu)其疊片空間、疊片次數(shù)有限，導(dǎo)致成為載流瓶頸，該文所述結(jié)構(gòu)將動簧片鉚接在焊片上，通過焊片引出，這樣，接觸系統(tǒng)的導(dǎo)電回路就由焊片、動簧片、觸點和靜簧片組成。焊片采用純銅材料，有效地降低了導(dǎo)電回路的阻抗，從而降低導(dǎo)電回路溫升，因此容易實現(xiàn)載流能力的提升[6]。3）小體積大觸點間隙下電弧損害抑制。在接觸系統(tǒng)中，觸點切換負載時，大觸點間隙下的電弧能量很高，尤其是在負載很大的情況下，電弧燒蝕問題更加突出。通過高速攝像捕捉電弧噴濺方向，發(fā)現(xiàn)倒裝拍合式結(jié)構(gòu)繼電器的電弧均向繼電器外側(cè)噴濺，電弧走向示意圖如圖4所示。電弧噴濺到外殼上，造成外殼燒穿，甚至造成繼電器燒毀。為了解決此問題，該文提出了 一種L 型定位片結(jié)構(gòu)，將定位片設(shè)計成 L 型結(jié)構(gòu)，如圖5所示，使其具有定位與擋弧雙重作用，有效阻擋電弧向外噴濺對繼電器外殼塑料件造成燒蝕問題。該方案已通過電耐久性測試驗證，能夠有效阻擋電弧燒蝕外殼的問題。

圖3 焊片與軛鐵裝配示意圖

上述創(chuàng)新結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了小體積內(nèi)高負載、大觸點間隙的性能要求，能夠快速、有效地將電氣內(nèi)部熱量排出，極大地提高了繼電器的使用壽命，增強繼電器在多樣化環(huán)境下的適應(yīng)程度，使設(shè)計產(chǎn)品更加符合現(xiàn)實實際情況需求[7]。因此，為小型大功率電磁繼電器結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一個新的設(shè)計方案。該創(chuàng)新結(jié)構(gòu)已申請并獲得專利授權(quán)，專利號和名稱：ZL 2019 20125079.9《一種適用于大負載的拍合式繼電器》。定位片結(jié)構(gòu)也已申請專利并獲得專利授權(quán)，專利號和名稱：ZL 2019 2 0125633.3《一種擋弧式電磁繼電器》。

3 小型大功率高負載大觸點間隙電磁繼電器未來的發(fā)展方向

隨著時代的進步，人民生活質(zhì)量的提升，人民對用電量需求逐漸加大，在面對這種情況時，小型大功率高負載大觸點間隙電磁繼電器范圍發(fā)展方向必須與信息技術(shù)、通信技術(shù)、智能技術(shù)相融合。通過信息技術(shù)實現(xiàn)控制延伸，使管理人員在千里之外實現(xiàn)對繼電器狀況的檢測，掌握各項數(shù)據(jù)變化規(guī)律。在繼電器設(shè)備發(fā)生問題以后操作人員可以通過通信技術(shù)，使繼電器“主動”與負責(zé)人取得電話聯(lián)系，派人在最短的時間內(nèi)解決故障問題。而智能化技術(shù)的融入就較為困難，智能化技術(shù)簡稱智能學(xué)習(xí)化技術(shù)，它能夠主動去觀測繼電器的情況，在繼電器發(fā)生問題時，內(nèi)置單片機開始“自主思考”解決的方案，按照分析方案解決相應(yīng)的故障問題，該技術(shù)不僅需要將“信息技術(shù)”與“通信技術(shù)”作為依托，還需要設(shè)計者成立單獨網(wǎng)絡(luò)信息后臺，供智能系統(tǒng)將數(shù)據(jù)分析進行云端共享，筆者下一階段的設(shè)計方向會逐漸向智能化靠攏，力求我國繼電器行業(yè)在世界舞臺爭做標(biāo)桿。

4 結(jié)語

該文介紹了一種小型大功率高負載大觸點間隙電磁繼電器的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計。這種創(chuàng)新不是唯一的，也可能存在不足之處，旨在開拓讀者的思路，總結(jié)繼電器行業(yè)設(shè)計經(jīng)驗，并能夠進行更好的創(chuàng)新。

圖4 觸點拉弧路徑示意圖

圖5 定位片結(jié)構(gòu)示意圖