一種小型節(jié)能直流接觸器的設(shè)計(jì)技術(shù)

邵冬陽

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十研究所，安徽 蚌埠 233010)

1 引言

隨著清潔能源技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用，對低壓電器元件提出了越來越高的要求，直流接觸器作為重要的直流電源開關(guān)電器，研制和開發(fā)切換功率越來越大、體積小、控制靈活、安全可靠的直流接觸器是接觸器技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，該類產(chǎn)品在在一些需要用直流電源供電的系統(tǒng)，如新型電動(dòng)汽車、航天器、艦船等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

2 結(jié)構(gòu)原理和主要技術(shù)指標(biāo)

小型直流接觸器主要有幾部分:電磁系統(tǒng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、接觸系統(tǒng)、外殼和接線端等主要部分組成，外形在60mm×120mm×60mm的范圍。額定電壓270Vd.c.，電流225A，控制線圈電壓24Vd.c.的一種接觸器。在產(chǎn)品零部件的設(shè)計(jì)過程中，采用PRO/E和CAD等軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)用PRO/E先進(jìn)的TOP-DOWN的設(shè)計(jì)方法，即頂?shù)蕉说姆椒ǎ葘傮w結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，再到部件、零件的設(shè)計(jì)次序。用PRO/E建立的主要部分的3D模型剖視如圖1所示。

其基本原理是，當(dāng)線圈加動(dòng)作信號時(shí)，電磁部分的電磁鐵動(dòng)作，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使主觸點(diǎn)閉合，接通外電路。而當(dāng)施加在線圈上的動(dòng)作信號去除時(shí)，電磁力消失，主觸點(diǎn)靠彈簧等反力機(jī)構(gòu)提供的反力返回，分?jǐn)嘀骰芈罚佑|器就是通過控制信號來實(shí)現(xiàn)接通、保持和分?jǐn)嘭?fù)載回路的目的。

圖1 直流接觸器的3D模型剖面簡圖

3 采用雙線圈和驅(qū)動(dòng)電路控制技術(shù)

線圈的設(shè)計(jì)采取雙線圈的結(jié)構(gòu)形式，也就是將吸合過程分成吸合和保持兩個(gè)方面，分別用吸合和保持線圈來實(shí)現(xiàn)。剛開始吸合時(shí)，由于起始時(shí)工作氣隙較大，電磁吸力較小，此時(shí)希望提高電流值來提高吸合安匝，而當(dāng)吸合動(dòng)作完成時(shí)，此時(shí)工作氣隙較小，電磁吸力增大，可以降低吸合電流就可以滿足要求。這也是根據(jù)電磁鐵的行程吸力曲線的特點(diǎn)而采取的措施，將吸合和保持線圈分開，可以減低長期工作時(shí)線圈的吸合功率，降低線圈的溫升和電能的消耗，與節(jié)能的理念是相符的。具體通過圖2的電路來實(shí)現(xiàn)，在動(dòng)作時(shí)間一定的情況下，就可以根據(jù)需要來確定延時(shí)時(shí)間，其基本的原理是通過RC延時(shí)來完成。采用了雙線圈，線圈功耗從6.7W減少到1W左右。

圖2 雙線圈的控制電路圖

4 電磁系統(tǒng)的仿真技術(shù)

電磁系統(tǒng)部分主要是采用吸入式電磁鐵的結(jié)構(gòu)形式，吸入式電磁鐵小氣隙時(shí)的電磁吸力大，磁效率高，適合作為電磁驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件來滿足接觸系統(tǒng)的要求。我們要知道在啟動(dòng)和保持的安匝下，初始的吸力和保持力能否滿足負(fù)載的要求，就通過仿真分析的方法。我們使用的軟件是ansoft Maxwell 14.1，分析類型是靜態(tài)磁分析，采取的在吸合過程中取多點(diǎn)擬合，來繪制行程～吸力曲線，用3D模型來分析。

第一步建立模型，在pro/e中按照裝配關(guān)系建立模型，導(dǎo)入maxwell中，并簡化一些于磁路計(jì)算影響很小的結(jié)構(gòu)，分別定義材料，其中磁性材料DT4C的BH曲線由外部輸入?yún)?shù)如圖4所示、在定義全局坐標(biāo)系時(shí)，將y軸定義為與銜鐵的方向一致，如圖3所示。

圖3 電磁鐵簡化后的3D模型

圖4 DT4C的B-H曲線

第二步邊界條件可以用默認(rèn)值。第三步，選中線圈截面，施加激勵(lì)，該分析施加電流激勵(lì)，將安匝值輸入即可。第四步設(shè)置求解參數(shù)，選中銜鐵，求解參數(shù)為力。第五步網(wǎng)格劃分，采用surface approximation對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。第六步分析步設(shè)置可以用默認(rèn)值。第七步優(yōu)化分析設(shè)置，我們要添加的變量是銜鐵沿y軸方向的運(yùn)動(dòng)行程，起止行程是從0到2.5mm，步距0.5mm。這樣我們實(shí)際上求解分析了6個(gè)靜態(tài)工作點(diǎn)。求解計(jì)算后我們可得到行程吸力的曲線圖。我們按兩種情況，即加啟動(dòng)安匝激勵(lì)和保持安匝激勵(lì)兩種，分別得出曲線圖，。分析結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

在圖5圖6中，橫坐標(biāo)的行程從0到2.5mm，它是銜鐵運(yùn)動(dòng)閉合的過程中，可知啟動(dòng)吸力按圖5中行程為0mm時(shí)，在1牛頓左右，吸合保持時(shí)的吸力按圖6中行程為2.5mm時(shí)，大約7.5牛頓，通過實(shí)際的測試與仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果是相符的。

圖5 電磁鐵加啟動(dòng)激勵(lì)的吸力與行程的曲線圖

5 接觸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與密封技術(shù)

接觸系統(tǒng)采取橋式雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)，這樣做與單斷點(diǎn)相比具有切換功率更高的特點(diǎn)。根據(jù)電器基礎(chǔ)原理，電弧重燃電壓在(150～250)V，雙斷點(diǎn)橋式使重燃電壓變?yōu)?×(150～250)V，這種措施對工業(yè)電器是可行的選擇。其具體的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖7 直流接觸器的接觸系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)圖

對大電流分?jǐn)嗉夹g(shù)而言，主要的難點(diǎn)是滅弧。該接觸器是用真空滅弧的方式，特殊陶瓷密封工藝。分?jǐn)喹h(huán)境的真空和填充惰性氣體是提高觸點(diǎn)切換功率的主要手段，和空氣介質(zhì)相比，切換同樣的功率需要更小的觸點(diǎn)開距，而縮小觸點(diǎn)的開距就可以縮小接觸器的整體尺寸，使接觸器超小型化方向發(fā)展。

按照真空電擊穿理論，當(dāng)真空度大于1.33×10-1Pa時(shí)，絕緣擊穿強(qiáng)度有顯著的變化，當(dāng)真空度小于1.33×10-1Pa時(shí)，絕緣擊穿強(qiáng)度保持不變。因此，一般對真空滅弧室的真空度只要低于1.33×10-1Pa時(shí)，就認(rèn)為已滿足使用要求。

6 新材料和測試實(shí)驗(yàn)技術(shù)

隨著歐盟兩個(gè)指令的頒布與實(shí)施，增加了電器在環(huán)保生態(tài)方面的要求，它要求電器產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、使用、回收等全過程不影響生態(tài)環(huán)境。這是我們在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的因素，使用新型并符合歐盟指令的工藝和材料，如觸點(diǎn)材料、塑殼材料、滅弧罩材料，使性能更優(yōu)，更環(huán)保。

試驗(yàn)技術(shù)方面，大電流實(shí)驗(yàn)損耗大，周期長，在進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)虛擬測試和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，如對接觸器的壽命進(jìn)行仿真預(yù)測，這樣可縮短研制周期和降低成本，提高效率。

7 結(jié)語

文章結(jié)合實(shí)際的產(chǎn)品介紹了所應(yīng)用的技術(shù)進(jìn)行直流接觸器的設(shè)計(jì)過程，就應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行型號產(chǎn)品的開發(fā)和研制進(jìn)行了探討，現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)特別是數(shù)字化和仿真技術(shù)，得到越來越多的應(yīng)用，在目前的電器設(shè)計(jì)過程中，除了電弧的分?jǐn)噙^程外，其它的方面如機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)、電器的熱場分布等都可以采用，采用這些技術(shù)可大大的提高了設(shè)計(jì)的科學(xué)性、準(zhǔn)確性，減少因盲目設(shè)計(jì)帶來的不必要的反復(fù)，縮短產(chǎn)品的研制周期。該產(chǎn)品以后還可在增加產(chǎn)品的智能通信接口等方面對產(chǎn)品進(jìn)行完善，進(jìn)一步拓展產(chǎn)品的適用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域。

［1］Maxwell v12 magnetostatic guide ansoft corporation.

［2］何瑞華.我國新一代低壓電器發(fā)展與展望［J］.低壓電器，2012(1):1-6.