某小型大功率高負載大觸點間隙電磁繼電器的設計

陳 坤

（廈門宏發電聲股份有限公司，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計意義

當前，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部會產生大量的熱量，導致電量被嚴重的損耗，極大地縮短了繼電器的使用壽命，如何通過設計來解決小體積與遠轉熱量之間的關系，成為當下亟待解決的問題。在小型大功率高負載繼電器設計時，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部實際問題，使人們生產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域完全是一種革命性技術創新，該產品的研發既響應了黨的十四大會議號召，創新民族科技領域產品，還能滿足社會發展需求，提高使用單位和企業的生產效率[2]。

2 某小型大功率高負載大間隙電磁繼電器的設計

圖1 傳統繼電器結構圖

電磁繼電器包括接觸系統和磁路系統2個部分。接觸系統是由靜簧片、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。接觸系統與磁路系統通過動簧片與銜鐵、軛鐵鉚接或焊接組合，接觸系統一般由動簧片、靜簧片設計引出腳構成導電回路。圖1 為一種常見的繼電器結構圖。小型大功率高負載大間隙電磁繼電器的設計，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構。2）小體積內，高負載帶來的高溫升問題，即在有限空間內，接觸系統的簧片體積受限，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，在長期高溫環境中，塑料材料易老化，簧片易發生永久形變，進而出現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，電弧能量無處釋放，會對繼電器內部元件造成損壞。

圖2 焊片結構示意圖

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構設計方案[4]。1）簡化結構設計。為了簡化繼電器的結構，該文所述繼電器結構仍然采用類似圖1的傳統結構，結構相對緊湊，由于傳統動簧片引出是在動簧片本體設計出引出腳，動簧片一般都比較薄，當應用于大電流負載時，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。因此該文所述結構對動簧片引出部分進行了優化，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點是結構比較簡單，工藝上好實現，同時也使動簧片結構的設計得到簡化。2）高負載下系統溫升問題得到解決。由于接觸系統需要具有高負載能力，接觸系統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，靜簧片設計比較簡單，一般采用純銅材料，根據空間設計足夠的載流面積，保證載流能力；動簧片的材料一般選用高導電的銅合金材料，而傳統采用動簧片疊片引出腳的結構其疊片空間、疊片次數有限，導致成為載流瓶頸，該文所述結構將動簧片鉚接在焊片上，通過焊片引出，這樣，接觸系統的導電回路就由焊片、動簧片、觸點和靜簧片組成。焊片采用純銅材料，有效地降低了導電回路的阻抗，從而降低導電回路溫升，因此容易實現載流能力的提升[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，發現倒裝拍合式結構繼電器的電弧均向繼電器外側噴濺，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 型定位片結構，將定位片設計成 L 型結構，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

上述創新結構實現了小體積內高負載、大觸點間隙的性能要求，能夠快速、有效地將電氣內部熱量排出，極大地提高了繼電器的使用壽命，增強繼電器在多樣化環境下的適應程度，使設計產品更加符合現實實際情況需求[7]。因此，為小型大功率電磁繼電器結構設計提供了一個新的設計方案。該創新結構已申請并獲得專利授權，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》。定位片結構也已申請專利并獲得專利授權，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展方向

隨著時代的進步，人民生活質量的提升，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展方向必須與信息技術、通信技術、智能技術相融合。通過信息技術實現控制延伸，使管理人員在千里之外實現對繼電器狀況的檢測，掌握各項數據變化規律。在繼電器設備發生問題以后操作人員可以通過通信技術，使繼電器“主動”與負責人取得電話聯系，派人在最短的時間內解決故障問題。而智能化技術的融入就較為困難，智能化技術簡稱智能學習化技術，它能夠主動去觀測繼電器的情況，在繼電器發生問題時，內置單片機開始“自主思考”解決的方案，按照分析方案解決相應的故障問題，該技術不僅需要將“信息技術”與“通信技術”作為依托，還需要設計者成立單獨網絡信息后臺，供智能系統將數據分析進行云端共享，筆者下一階段的設計方向會逐漸向智能化靠攏，力求我國繼電器行業在世界舞臺爭做標桿。

4 結語

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新結構設計。這種創新不是唯一的，也可能存在不足之處，旨在開拓讀者的思路，總結繼電器行業設計經驗，并能夠進行更好的創新。

圖4 觸點拉弧路徑示意圖

圖5 定位片結構示意圖