一種電磁旁路開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李國(guó)強(qiáng)，肖 斌，王建雄，林 海

(貴州振華電器群英電器有限公司，貴州貴陽(yáng)，550018)

1 引言

近年來，隨著我國(guó)航天事業(yè)的快速發(fā)展，眾多各種功能衛(wèi)星在太空運(yùn)行，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。衛(wèi)星在軌道執(zhí)行任務(wù)時(shí)通常通過儲(chǔ)能電池組來維持衛(wèi)星的正常工作，當(dāng)其中一個(gè)電池發(fā)生故障時(shí)，儲(chǔ)能電池上并聯(lián)的旁路開關(guān)觸發(fā)將故障電池從電池組回路中切除，從而保證整個(gè)電池組的可靠供電。

2 旁路開關(guān)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外旁路開關(guān)多通過導(dǎo)電熔絲和分離塊組合控制來實(shí)現(xiàn)旁路開關(guān)的觸發(fā)并實(shí)現(xiàn)電氣切換，而引出端接觸環(huán)采用高彈性支撐帶或若干個(gè)高導(dǎo)電性的導(dǎo)電排構(gòu)成來實(shí)現(xiàn)電接觸，這類旁路開關(guān)在制造以及使用時(shí)存在以下不足：

1)引出端接觸環(huán)，采用高彈性支撐帶或若干導(dǎo)電排，電接觸時(shí)擠壓變形量小，零件的加工精度高、裝配工藝要求高，一致性控制困難；

2)觸發(fā)部分通過在分離塊上纏繞線絲和固定導(dǎo)電熔絲，纏繞力不易控制，導(dǎo)電熔絲張緊力不好控制，受高低溫環(huán)境溫度影響大，且抗振能力不足；

3)觸發(fā)時(shí)，分離塊導(dǎo)電熔絲通電受熱斷開，分離塊限位解除觸發(fā)，此過程為不可逆，旁路開關(guān)為一次性使用，不可重復(fù)使用。

3 電磁旁路開關(guān)設(shè)計(jì)

電磁旁路開關(guān)是在現(xiàn)有旁路開關(guān)總體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，同時(shí)借鑒了現(xiàn)有旁路開關(guān)存在的不足之處。使電磁旁路開關(guān)應(yīng)易于裝配，一致性好，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、抗振性能高，且可多次重復(fù)使用。

3.1 總體設(shè)計(jì)方案

電磁旁路開關(guān)設(shè)計(jì)主要是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，總體結(jié)構(gòu)見圖1，包括三大部分：接觸系統(tǒng)設(shè)計(jì)、鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和電磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過軸向裝配組裝在一起。鎖緊機(jī)構(gòu)主要是保持接觸系統(tǒng)輸出狀態(tài)；電磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是觸發(fā)改變鎖緊機(jī)構(gòu)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)接觸系統(tǒng)輸出切換；接觸系統(tǒng)保證輸出端供電持續(xù)以及轉(zhuǎn)換輸出供電持續(xù)性。

旁路開關(guān)接線關(guān)系如圖2所示，旁路開關(guān)初始狀態(tài)如圖1a)所示，引出端1與引出端2通過插針導(dǎo)通，引出端2上的電池處于供電狀態(tài)，當(dāng)電池供電系統(tǒng)檢測(cè)到引出端2上的電池出現(xiàn)故障時(shí)，電磁線圈接收電池電源控制系統(tǒng)指令觸發(fā)切換，插針發(fā)生軸向運(yùn)動(dòng)，引出端1與引出端2斷開，旁路掉了引出端2上的電池，同時(shí)引出端1與引出端3導(dǎo)通，啟用引出端3上的電池，保證衛(wèi)星正常供電, 旁路開關(guān)觸發(fā)后狀態(tài)如圖1b)所示。

a)電磁旁路開關(guān)初始狀態(tài)

圖2 電磁旁路開關(guān)接線關(guān)系

3.2 接觸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電磁旁路開關(guān)接觸系統(tǒng)如圖3所示。它主要由插針、引出端1、引出端2、引出端3以及絕緣外殼等組成，插針在軸向上運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)旁路開關(guān)的切換。

圖3 接觸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

各引出端(1、2、3)均由導(dǎo)電座、接觸彈簧指、固定彈簧組成，如圖4所示。初始狀態(tài)，插針壓縮引出端1和引出端2接觸彈簧指，實(shí)現(xiàn)引出端1與引出端2的電接觸，使引出端1與引出端2導(dǎo)通輸出；當(dāng)線圈通電，插針軸向運(yùn)動(dòng)，插針釋放引出端2接觸彈簧指，壓縮引出端3接觸彈簧指，引出端1與引出端2斷開，引出端1與引出端3導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)切換輸出。

插針與各引出端(1、2、3)之間通過壓縮接觸彈簧指來實(shí)現(xiàn)電接觸，多點(diǎn)接觸溫升低，接觸可靠，接觸彈簧指可壓縮量大，電磁旁路開關(guān)軸向裝配易于保障，零件制造精度和裝配工藝要求不高，一致性易于保障。

圖4 引出端和插針結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

電磁旁路開關(guān)鎖緊機(jī)構(gòu)如圖5所示。它主要由金屬外殼、鎖緊套、彈簧、鋼球、解鎖桿以及限位套等組成。金屬外殼固定連接鎖緊機(jī)構(gòu)并連接電磁系統(tǒng)與接觸系統(tǒng)，鎖緊套外圓面上裝配限位套，限位套壓縮彈簧，限位套被解鎖桿抬起的鋼球和鎖緊套卡住，彈簧無(wú)法釋放，保持限位套處于鎖緊狀態(tài)，接觸系統(tǒng)插針接通引出端1和引出端2，使旁路開關(guān)處于初始狀態(tài)。當(dāng)電磁旁路開關(guān)線圈通電，解鎖桿被電磁機(jī)構(gòu)拉動(dòng)鋼球落在解鎖桿的“V”字槽內(nèi)，限位套約束解除、彈簧釋放，限位套處于解鎖狀態(tài)，插針狀態(tài)發(fā)生變化，旁路開關(guān)輸出狀態(tài)改變(觸發(fā)后狀態(tài))，引出端1與引出端3導(dǎo)通。

鎖緊機(jī)構(gòu)通過解鎖桿以及解鎖桿上的“V”字槽、鋼球、鎖緊套，使限位套處于鎖緊狀態(tài)或者解鎖狀態(tài)，解鎖桿、鎖緊套、限位套以及鋼球做相應(yīng)的硬化處理，就可以保證該機(jī)構(gòu)重復(fù)使用。

圖5 鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 電磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電磁旁路開關(guān)電磁系統(tǒng)如圖6所示主要由底罩、軛鐵、線圈、底蓋、下靜鐵心、上靜鐵心、動(dòng)鐵心以及線圈引出端等組成。底罩和底蓋用于固定電磁系統(tǒng)；軛鐵、下靜鐵心、動(dòng)鐵心、上靜鐵心、線圈構(gòu)成磁路系統(tǒng)。旁路開關(guān)初始狀態(tài)，動(dòng)鐵心與上靜鐵心保持閉合，鎖緊機(jī)構(gòu)限位套處于鎖緊狀態(tài)，接觸系統(tǒng)插針導(dǎo)通引出端1與引出端2；當(dāng)給線圈通電時(shí)，動(dòng)鐵心與下靜鐵心閉合，帶動(dòng)解鎖桿使限位套解鎖，接觸系統(tǒng)插針發(fā)生狀態(tài)改變，旁路開關(guān)輸出狀態(tài)改變(觸發(fā)后狀態(tài))，引出端1與引出端3導(dǎo)通。

圖6 電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

電磁系統(tǒng)受溫度影響相對(duì)小，匹配合適的保持吸力即可滿足不同的抗振力學(xué)性能要求，抗振效果更好。

3.5 電磁旁路開關(guān)的復(fù)位

電磁旁路開關(guān)的復(fù)位如圖7所示，將外力機(jī)構(gòu)通過插針內(nèi)的復(fù)位螺紋進(jìn)行連接，施加軸向外拉力作用在插針上，限位套壓縮彈簧，同時(shí)給線圈施加反向電壓，動(dòng)鐵心與上靜鐵心閉合，解鎖桿推動(dòng)鋼球運(yùn)動(dòng)離開"V"字槽，被抬起的鋼球卡住限位套，旁路開關(guān)回復(fù)到初始狀態(tài)。

圖7 電磁旁路開關(guān)復(fù)位示意圖

電磁旁路開關(guān)通過復(fù)位設(shè)計(jì)，旁路開關(guān)可進(jìn)行多次測(cè)試及使用，旁路開關(guān)觸發(fā)和復(fù)位均為可逆，使用戶裝置系統(tǒng)中使用更方便、更可靠，成本更低。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文通過對(duì)比國(guó)內(nèi)外旁路開關(guān)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在的一些不足以，同時(shí)在現(xiàn)有旁路開關(guān)基礎(chǔ)上創(chuàng)新設(shè)計(jì)電磁旁路開關(guān)，并簡(jiǎn)單介紹了該電磁旁路開關(guān)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電磁旁路開關(guān)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于裝配、環(huán)境適應(yīng)性高、抗振能力強(qiáng)，可重復(fù)多次使用等優(yōu)點(diǎn)。