節能車用大功率預熱繼電器的改進

吳　剛

(中國電子科技集團公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

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節能車用大功率預熱繼電器的改進

吳剛

(中國電子科技集團公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

摘要：文章論述了節能車用大功率預熱繼電器的工作原理，重點介紹了電磁系統結構設計和熱設計、增加了大電流分斷/觸點滅弧保護、改進觸點材料優化觸點結構形式。

關鍵詞：工作原理；大電流分斷/觸點滅弧保護；觸點材料

1引言

目前，柴油機汽車預熱系統在國Ⅳ及以上標準的車上均需采用電加熱，電加熱預熱方式將成為預熱系統的發展趨勢。該預熱系統中的主要部件電加熱器功率在1000W～3200W。因此，系統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荷條件下工作，且有極高的可靠性。經試驗驗證做出改進后的車用預熱繼電器增加了產品電壽命，并在產品處于接近失效狀態時，能夠可靠地、主動地將繼電器輸出端在有效的時間范圍內斷開或直接失效，不造成任何其它的次生危害，使產品不存在任何安全性隱患。

2產品主要技術指標及性能特性

節能車用大功率預熱繼電器是電磁式直流大功率繼電器，具體技術參數指標見表1。該產品可廣泛應用于柴油發動機汽車預熱控制系統、電動汽車及混合動力汽車電源切換、工業控制系統及自動化，如直流電機及直流負載控制及頻繁開關切換等使用場合，符合國家新能源技術和節能減排等政策的要求。

表1　主要技術指標

3工作原理

節能車用大功率預熱繼電器是由輸入控制電路、電磁系統、傳動機構和輸出接觸系統四大部分組成，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：當輸入控制電壓加到輸入端控制電路時，電磁系統部分的電磁鐵動作，通過傳動機構使主觸點由斷開狀態轉換為閉合狀態，使繼電器接通，接通外電路，并通過電磁力系統保持輸出端接通狀態；當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提供的反力由接通狀態轉換為斷開狀態，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輸出端的高電壓、大電流的接通、保持和切斷負載回路的目的。

圖1　節能車用大功率預熱繼電器電器原理框圖

圖2　節能車用大功率預熱繼電器工作原理圖

4電磁系統結構設計和熱設計

電磁繼電器是一種復雜的機電元件，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用及特性指標有關的各種設計參數的相互影響，要保證機械結構與電氣特性曲線相匹配。當機械結構已經確定時，綜合采用規定的環境條件、線圈回路狀態、機械壽命要求和觸點負載狀態所能影響繼電器性能的因素來評價，分析繼電器的設計合理與否。

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)預張動簧片推動；(4)直接由螺線管推動等方式。當電磁式繼電器的切換電流/功率上升到一定程度后，結合繼電器的使用環境、技術參數指標、安裝要求，以及適宜于大批量產業化生產的要求，最終確定了采用“直接由螺線管推動”的結構形式。

其主體電磁結構采用帶有錐度極面的裝甲螺管直動吸入式結構，動磁芯設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斷、滅弧，又有適宜的觸點壓力，保證接觸可靠。吸入式結構的主磁通和漏磁通都能夠產生吸力，吸力大、吸持牢固、穩定可靠。動磁芯采用帶有錐面的結構，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，使繼電器的動態吸力特性和返力特性能夠較易實現良好的配合，降低空氣間隙與吸力特性的相關敏感性，易于實現產品的批量生產，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，由下擋鐵構成正常工作磁路系統和由外殼構成的安全磁路系統。繼電器正常工作時，經由下擋鐵這一工作磁路正常循環；當在繼電器壽命末期工作時，當觸點接觸壓降大于300mV，發熱量較大，動觸點支架會產生熱變形，逐步強制繼電器使用由外殼構成的安全磁路系統，強制繼電器向預設安全模式失效，大大降低了因觸點繼續惡化而粘連的故障可能性。

圖3　電磁式預熱繼電器安全保護裝置原理圖

設計時，充分考慮到溫度范圍、振動、安裝使用環境等環境條件對產品的各參數指標的影響，在綜合分析評估的基礎上，在產品結構設計部分進行環境溫度、振動、絕緣電阻、介質耐壓等指標參數設計；在輸入控制電路和線圈部分進行線圈電壓、電流、能耗、動作時間等電參數設計；在電磁系統部分進行吸合電壓、釋放電壓、電磁吸力、動作行程等電磁參數設計；在接觸系統部分進行接觸電阻、額定負載電壓、額定負載電流等接觸系統和電氣負載參數的設計。

由于電磁繼電器較寬范圍的輸入電流及大電流負載，繼電器在工作時會由于繞組及觸點發熱而升溫，尤其是因觸點間的接觸電阻在大分斷電流時產生的熱引起的升溫。根據環境溫度范圍和負載條件，在設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)線圈能承受規定壽命中所施加的持續發熱累計時間的能力；(2)繼電器其他結構零件如絕緣件、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)繼電器線圈和結構件產生的揮發性物質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。

按前面所述選擇設計依據的原則并結合具體產品的要求，通過電路試驗，利用計算機軟件進行有限元仿真模擬分析，確定各結構部分的參數與尺寸，達到理想的最佳狀態。

5大電流安全可靠分斷/觸點滅弧保護

對大電流分斷技術而言，技術的難點就是滅弧。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生電弧。電弧的產生會造成觸點局部高溫而熔化，形成“電焊”現象，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觸點，使繼電器能夠可靠地分斷切換負載的大電流，就必須設計采用特殊的結構和技術來消弧和滅弧，降低或消除電弧的產生和危害程度，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，電磁繼電器分斷的負載比較大，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，以及實現要求的分斷、閉合速度要求，從而可靠地將大電流分斷。構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，還應有可靠的安全機構裝置，或者采用魯棒設計理念，產品設計有正常工作磁路和安全保護磁路兩路磁路結構，利用磁通自動尋找最小磁阻的回路而構造磁路回路的特性，設計合理的兩路磁路間隙和選擇好觸點支架材料耐溫特性，使產品能夠智能化判斷自身的技術狀態，當判斷繼電器處于接近失效狀態時，能夠可靠地、主動地將繼電器輸出端在有效的時間范圍內斷開或直接失效，不造成任何其它的次生危害，使產品不存在任何安全性隱患。

6觸點材料及結構形式

觸點的壽命和工作的可靠性與觸點材料有很大的關系，電磁繼電器觸點的材料選用很講究，材料選用得當，既經濟可行，又可以延長觸點的壽命，進而延長繼電器的壽命。觸點材料盡可能選用高導電、導熱材料并攙和添加劑防止熔接，結合觸點的結構形式的選擇和使用，使觸點的壽命最大化，進而使繼電器的電氣壽命最大化。

對于分斷大電流的繼電器，觸點材料從性能上來說最優選用銀氧化鎘AgCdO材質。采用先進的燒結、擠壓工藝，氧化鎘質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行試驗研究，最終根據觸點材質性能的優劣，選用了碲銅合金材質。碲銅合金觸點是一種由含0.4%-0.7%碲和純度高、塑性好的高導電性銅粉結合、精制而成的高導、易切削金屬材料，具有極好的易切削性能和優良的導電性、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，導電導熱性好，易于加工，不含貴金屬，產品性價比高。

碲銅觸點環保無毒，符合歐盟RoSH環保要求，具有抗熔焊、耐電磨損性好，燃弧時間短，分斷性能高、抗大電流沖擊能力強的特點。在大分斷電流條件下，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。

確定了觸點材質后，為保證可靠地分斷大電流及可靠地觸點滅弧，觸點的結構型式非常關鍵。如圖4 節能車用大功率預熱繼電器結構圖所示，觸點系統采用“面線”的接觸方式的雙斷點結構，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構，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生的熱也減小，由觸點引起的溫升大大減小；而且弧形結構使觸點在閉合和斷開時產生的電弧沿切線方向釋放，從觸點轉移到弧角的時間短，迫使電弧迅速離開觸點進入滅弧室，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。

具有弧形結構引弧角的動觸點，不僅可以可靠地滅弧、低接觸電阻，而且由于質量小，也提高了動觸點系統的抗振動、抗沖擊的能力，從而提高了環境適應能力。

7結束語

以上簡要地論述了車用大功率預熱繼電器的工作原理和改進方案。研制的產品還沒有批量生產和工程配套使用，在結構、工藝等方面還存在一些不足：(1)產品結構工藝性有待優化。根據產品適用于工程實際經驗和反饋，產品的結構還有待于優化，產品零件加工工藝、裝配工藝還需要按照大批量的汽車電子產品的要求進行改進優化，提升批量生產的質量水平。(2)觸點負載范圍有待提升。根據現有的技術研究內容，結合后期產品工程化使用反饋，以及整機要求的更新，觸點的負載能力、電壽命等技術參數及產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容和研究目標。(3)產品的安裝方式單一。針對產品使用的不同場合和用途，產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，同時根據不同的安裝結構要求，對產品的結構進行優化改進，形成系列化的貨架式產品，滿足不同行業不同用途用戶的要求，提升產品的市場適應能力。

參考文獻：

[1]QCT20695-2002,汽車通用繼電器[S].

[2]GJB 1042A-2002,電磁繼電器通用規范[S].

[3]低壓電器設計手冊.[M].周茂祥主編.機械工業出版社.1992年10月第1版.

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

文獻標識碼：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