CN101826420B - 倍比力矩交流接触器 - Google Patents

Abstract

倍比力矩交流接触器采用动铁心与触头支持件之间通过倍比力矩相连接，力矩臂比例部数K大于等于2，因此触头开距与超程之和是铁心开距最大值的K倍，铁心吸合时进入超程后磁感应强度达到饱和值，铁心闭合后激磁直流高电压转变成低电压，但激磁电流使铁心总是处于过饱和状态下工作，因此吸合及分断过程动触头运动速度比动铁心大K倍，动触头最大开距及超程之和比铁心开距大K倍，动触头分断速度大，燃弧时间短，银触头烧损量减小，铁心在饱和状态下工作吸力增大而截面积可减小，铁小开距小激磁电流可减小，因而硅钢片和线圈导线使用量可减小，同时振动减小，提高接触器的机械寿命、电寿命和分断能力。

Description

倍比力矩交流接触器

技术领域

交流接触器是控制电动机等用电设备运行的低压开关器件，其构造大体分为三部分：灭弧系统、电磁系统、弹簧机械系统，主要技术性能指标是机械寿命，电寿命和分断能力。

技术背景

交流接触器灭弧系统由动触头、静触头、磁吹及灭弧栅片构成并封闭在灭弧室中。电磁系统由动铁心、静铁心和激磁线圈构成并封闭在铁心室中。弹簧机械系统由反力弹簧、超程弹簧、触头支持件与动铁心连接起来，是运动器件。反力弹簧斥力作用在触头支持件与底板之间，触头支持件与动铁心是死连接，而触头支持件通过超程弹簧与动触头连接。反力弹簧斥力平均值记为F₁，F₁作用范围等于动铁心和触头支持件运动最大距离为l₁，l₁称为铁开距，因此F₁l₁等于反力弹簧作功的大小。超程弹簧斥力平均值记为F₂，F₂作用范围等于超程l2，超程是动触头与静触头闭合后动铁心又继续运动的距离，F₂l₂等于超程弹簧作功的大小。动触头运动的最大距离等于l₁-l₂，并称为触头开距。动铁心重量记为m₁，动触头重量与静触头支持件总重量记为m₂，关断激磁电源分断时运动器件最大速度相同记为V_m，其动能为

应与F₁l₁+F₂l₂相等，则

$F_1{l}_1+F_2{l}_2=\frac{1}{2}(m_1+m_2)V_m^2...\left(1\right)$

分断过程铁心剩磁力很小，由于铁心闭合后的激磁电流很小，刚一分断出现很小的气隙就需要增大非常大的激磁电流，因为电源已断，无法补充能量，剩磁很快下降为零，因此剩磁作功可忽略，所以弹簧力作功都转化成为运动件的动能了。合闸时接通激磁电源铁心产生吸力，其平均值记为F₃，作功等于F₃l₁，动铁心闭合时速度记为V₁，动触头闭合时速度记为V₂，由能量守恒知道：

$F_3{l}_1-F_1{l}_1-F_2{l}_2=\frac{1}{2}{m}_1{V}_1^2+\frac{1}{2}{m}_2{V}_2^2...\left(2\right)$

交流接触器分断时是触头支持件带着动铁心撞击灭弧室底板，由于F₁l₁+F₂l₂不大，因此撞击力和振动较小。合闸时铁心吸力增加速度与开距的平方成反比，而弹簧斥力与开距成反比，因此铁心吸力最终远大于弹簧最大斥力，所以合闸时动铁心撞击静铁心的力和振动最大，影响机械寿命的关键是弹簧合力的斥力特性与铁心吸力的电磁特性的配合。

交流接触器的电寿命和分断能力好坏取决于灭弧性能和分断速度，因此当接触器采用交流铁心改进为直流激磁铁心后，由于动铁心重量稍有减轻，使分断速度增大后，电寿命和分断能力有一定提高。现有交流接触器运动器件重量百分比如下：动铁心占40％左右，触头支持件占25％左右，动触头总和占35％左右，而铁心产生的吸力大约按一个磁极每平方厘米为3公斤力选取，为了提高分断速度，我按每平方厘米5公斤力选取铁心截面积，以减轻动铁心重量，同时有开关管快速去磁克服剩磁吸力，并减小反力弹簧作用距离，使其小于动铁心开距，这样开距末尾一段距离没有反力弹簧斥力的作用称为空程，以减小铁心吸合过程中过大吸力造成振动过大的毛病，从而申报了《快速保护控制开关》专利，使接触器具备分断短路电流的能力，又减少银触点的烧损量。实验发现，分断1万安培短路电流时，有时出现动触头二次闭合的误动作，于是又加大了反力弹簧的斥力，而不增大其作用距离，克服掉二次闭合产生误动作的毛病，由于斥力加大的同时将激磁电流有所增大，合闸时振动有稍许增大，此产品已进入市场。

后来发现进一步改进激磁电路，使接触器铁开距增大到断路器断口的水平时仍能可靠工作，于是又申报了《交流接触器的控制器》发明专利，该专利采用交流电源直接经全波整流后的高电压激磁，当铁心闭合后由电子开关管关断高电压转化为由低电压、小电流激磁，使铁开距增大后仍能可靠工作，这样取消开距空程后仍使接触器具有分断短路电流能力，而且分断短路电流值又进一步增大。但由于激磁高电压作用时间长，合闸时铁心产生很大的振动，开距大使接触器体积加大，影响外观造型。于是我又设计了双动电磁铁，将电磁铁静铁心去掉，加在动铁心上，于是动铁心成U形，两块动铁心相向运动插入激磁线圈，经力矩将动铁心和触头支持件连接起来，力矩之比严格遵守2∶1，使每个动铁心运动距离等于铁开距一半，这样铁开距不变，动铁心由一块变为两块，吸力而增加1倍，吸力增大1倍，力矩为2∶1正好使触头开距不变并保持直线运动。由于每块动铁心运动距离减小1半，铁心运动时间缩短，电源作功等于电压、电流和时间t的乘积uit，t减小，因此动铁心的动能减小，撞击力和振动减小。但是由于动铁心重量增大6倍之多，使分断速度大为降低，造成了银触点烧损量过大，使接触器电寿命无法达到标准。经一年多实验无法克服这个毛病，这种设计方案宣告失败。可见动铁心重量直接影响电寿命，动铁心运动距离又直接影响机械寿命，解决电寿命和机械寿命相互矛盾的技术关键是电磁铁吸力特性与弹簧合力的斥力特性的合理配合。由于电磁铁吸力F3与气隙距离的平方成反比，而弹簧合力的斥力F₁+F₂与气隙距离一次方成反比，这样当铁开距最大值时，激磁安匝数(平均值)值使铁心吸力F₃稍大于弹簧斥力时，则铁心开始运动，当动铁心走过触头最大开距时的吸力增大远比反力弹簧斥力增大值为大，使运动件产生的速度大，之后由于气隙进入触头超程范围内，铁心磁感应强度随气隙减小很快达到饱和状态值B_m，该时铁心吸力为极大值F_3m，由下式给出：

$F_{3m}=-\frac{B_m^2}{{\mathrm{\μ}}_0}S\left(N\right)...\left(3\right)$

S是铁心中心柱截面积。例如160A交流接触器铁心截面积S＝3.4cm²，采用冷轧硅钢片B_m＝17000高斯，则F_3m＝78.2公斤力，而反力弹簧最大斥力等于2.4公斤力，最大开距时斥力等于0.6公斤力，超程弹簧合力的最大斥力等于12公斤力，则F_1m+F_2m等于14.4公斤力，与铁心最大吸力之差是53.8公斤力。如此大的力作功转变成动铁心和动触头动能，是造成动铁心撞击力大振动大的关键因索，同时铁心利用率也极低。

如果找到一个方法，使铁心吸力最大值B_m稍大于弹簧合力的斥力最大值，又使初始值的铁心吸力也稍大于弹簧斥力，这样铁心吸力与弹簧斥力之和两条直线接近平行，使弹簧斥力与铁心吸力特性相匹配，也可极大的提高铁心利用率，因而减小运动器件的撞击力和振动。

本发明找到了这种新方法，那就是采用倍比力矩的新思路。

实质性技术内容

本发明倍比力矩交流接触器将动铁心与触头支持件之间通过一个倍比力矩来连接，动铁心与短力臂作刚性硬连接，二者没有活动余地，因此动铁心只能与力臂一起绕固定轴转动，长力臂经可转动的连片与触头支持件作软连接，带动触头支持件作直线运动。另外由于动铁心绕固定转动轴转动，而动铁心长度线又与固定转动轴平行，当电磁铁通电后，磁场由铁心侧下沿向上按比例递减。因此在最大开距状态下，动铁心侧下沿与静铁心之间气隙长度也不会超过1mm，两段气隙之和不超过2mm，有2700安匝激磁电流时铁心侧下沿处磁感应强度就达到饱和状态。最大开距时产生的铁心吸力已比反力弹簧斥力大。因此动铁心这种绕固定转动轴的转动方式彻底克服了最大开距时，电磁铁需要非常大的激磁安匝数的缺点，使激磁电流安匝数可比现有电磁铁减小一半。这是动铁心绕固定转动轴转动的结构方式的最大优点。由于触头支持件被限制在灭弧室底板的方形孔内，只能沿直线并经超程弹簧压迫动触头一起作直线运动，因此触头支持件与动触头的结构方式与现有交流接触器相同，不作任何改变。力矩臂比例倍数选取的原则是最大超程时，铁开距的气隙达到饱和磁感应强度B_m值，需要的激磁安匝数很容易达到。例如：当超程最大值是3mm，力矩臂比例倍数选取为3∶1，这样对应动触头3mm超程时的铁心气隙是1mm，两段气隙之和是2mm，需要2700安匝激磁电流，使铁心达到饱和磁感应强度B_m＝17000高斯，铁心吸力大于弹簧斥力之和。所以本发明采用力矩臂比例倍数为3∶1，根据接触器容量大小和超程差异适当增减该比例倍数达到最佳方案。注意动铁心长度线与力矩的固定转动轴是平行直线，因此动铁心质心到固定转动轴心是短力矩臂的长度，而固定转动轴心到长力臂带动连片的短轴心是长力矩臂长度，二者之比为3∶1，因此动铁心运动距离是以质心运动距离为平均值。力矩臂有两种型式：一种是杠杆式，如附图1所示；另一种是相互垂直的直角力矩臂，如附图2、3所示。可以将铁心安放在触头支持件的一侧，铁心仅占用铁心室一半多一点的空间，另一半空间完全可以成为辅助触头室，因此辅助触头不必占用交流接触器的灭弧室两侧位置，使交流接触器宽度减小。由于卧式铁心占用高度低，因此铁心室高度不比灭弧室高度大，所以接触器体积比现有交流接触器小一半。反力弹簧主要功能是将动铁心、触头支持件、动触头这些连动器件在分断状态下，压缩到最大触头开距处保持平衡，动铁心反应在动触头运动体系中的重力只有铁心重力的三分之一，因此反力弹簧斥力可相应减小。

以上面160A交流接触器为例：选铁心截面积S＝2.4cm²，力矩臂比例数为3∶1，超程弹簧最大斥力仍为12公斤力，反力弹簧最大斥力为2公斤斥力，最大斥力之和为14公斤力，3倍最大斥力等于42公斤力，铁心饱和磁感应强度B_m＝17000高斯，吸力F_3m＝55.5公斤力，与弹簧最大斥力之差只有13.5公斤力。动触头最大超程时对应铁心开距等于1mm，两段气隙之和为2mm，由公式(3)得到2700安匝即可使铁心饱和。完全可保证铁心对应超程范围内吸力大于弹簧斥力的要求。

当触头开距最大时，反力弹簧斥力可降到0.45公斤力，作用在铁心上等于1.35公斤力，这时铁心开距5mm，气隙之和是10mm，可验证27000安匝激磁电流产生铁心吸力大于1.35公斤力，因此铁心激磁安匝数在电压波动为下限值时等于或大于2700安匝即能可靠工作。只要闭合后的激磁安匝数在外电压波动最低情况下也能保持过饱和状态下工作，那么铁心保持吸合工作就是可靠的。由上面数据知道弹簧初始斥力和最大斥力都与铁心相应吸力值之差较小，所以说本发明彻底解决了铁心吸力特性与弹簧斥力特性较好匹配的技术难题，实验充分证明了上述分析数据的正确性。合闸或分断过程中动触头速度比动铁心速度大3倍，因此弹簧斥力作功，大部分转化成为动触头的动能，公式(1)应改写为下式：

$F_1{L}_1+F_2{L}_2=\frac{1}{2}{m}_1{V}_{1m}^2+\frac{1}{2}{m}_2{V}_{2m}^2...\left(4\right)$

V_2m＝3V_1m，

可见动触头分断速度大幅度提高。

倍比力矩交流接触器的技术特征有三个：一是采用倍比力矩将动铁心与触头支持件相连接；二是动铁心长度线与固定转动轴平行，动铁心和力矩一起绕固定转动轴转动；三是触头超程对应铁心气隙最大值时，激磁安匝数能使铁心达到饱和，使铁心吸力大于弹簧斥力之和，倍比力矩交流接触器灭弧室内结构佤现有接触器结构相同，大幅度提高了倍比例矩交流接触器机械寿命、电寿命和分断能力。

附图说明

附图1是杠杆倍比力矩示意图。

1为倍比杠杆力矩，2为固定转动轴，与动铁心长度线平行，3为动铁心，4为可转动连片，5为静铁心，6为激磁线圈，7为触头支持件，8为连片与触头支持件连接轴，9为长力臂与连片连接轴。

附图2是倍比直角力矩示意图。

1为倍比直角力矩，2为固定转动轴，与动铁心长度线平行，3为动铁心，4为可转动连片，5为静铁心，6为激磁线圈，7为触头支持件，8为支持件连片轴，9为长力矩臂轴(固定转动轴支架没有画出)。

附图3是倍比直角力矩侧视图。

1为倍比直角力矩，2为固定转动轴，3为动铁心，6为激磁线圈，7为触头支持件，10为固定转动轴支架座，4、5、8、9本图没有显示出来，没有标出(见附图2)，11是卡销，12是铁心室。

实际上倍比杠杆力矩及倍比直角力矩中的动铁心，力矩都是作旋转运动，而长力矩臂端点处短轴牵引可转动连片将转动转换成直线运动，与现有交流接触器中触头支持件运动相一致，因此灭弧室内的结构型式不作变动。而铁心室则重新设计，直角力矩是将短力矩臂转过90°，因此动铁心转动方向也随之改变90°，铁心卧式安装使铁心室高度更低。

实施例

以现有160A交流接触器为例，倍比力矩交流接触器灭弧室内器件和结构不变，铁心室重新设计如下：采用倍比直角力矩的卧式铁心，山字形静铁心中心柱宽为1.5cm，厚为1.8cm，中心柱截面积为1.5×1.8cm²，压不紧和对不齐系数影响，设计时按净铁心截面积2.4cm²，采用冷轧硅钢片，饱和磁感应强度状态下铁心吸力最大值为55.2公斤力，比例倍比数取3∶1，长力矩臂是塑料件卡接在动铁心两端，动铁心插入到力矩臂中一小段而被固定，动铁心两端比静铁心长一小段距离，力矩臂下方穿过固定转动轴后外侧由转动轴支架挡着，力矩臂则被限制在两个支架之间，支架是被压死在铁心室顶盖和底板之间被固定。因此静铁心外侧在两个力矩臂中间压紧在铁心室底板上。10是固定转动轴支架，11是固定转动轴的卡子，以防止轴串动。反力弹簧最大斥力为2公斤，反力弹簧初始值为0.45公斤力，可保证分断状态稳定，超程弹簧最大压力之和为12公斤力，弹簧力总和为14公斤力，3倍为42公斤力，55.2-42＝13.2公斤力，该差值与弹簧合力最大值14公斤力接近，说明铁心吸力与弹簧合力产生的斥力初始值及终端值连成的直线接近平行，使斥力特性与铁心吸力特性很好的匹配，解决了振动过大的技术难题。当电源电压波动降低到下限值时，激磁安匝数仍保证铁心处于过饱和状态下工作，这样有外界干扰振动倍比力矩交流接触器工作也是可靠的。电磁铁在触头支持件一侧，另一侧放辅助触头，这样接触器宽度减小，而铁心卧放高度不会超过4cm，铁心室高度小。激磁电压为直流，高电压时的激磁安匝数按2700安匝设计激磁线圈即可。

综上所述，本发明倍比力矩交流接触器采用倍比力矩将动铁心行程按比例倍数减小，这样就将弹簧斥力特性与铁心吸力特性相匹配，使二者上升速率接近。这不但节省了原材料，同时提高了电磁铁使用寿命，改善了电磁铁动作的运行时间，从而提高了电磁铁运行的可靠性和控制灵敏性，使技术性能有较大提高。

倍比力矩交流接触器采用动铁心与触头支持件之间通过倍比力矩相连接，力矩臂比例倍数K大于2以上，因此触头开距与超程之和是铁心开距最大值的K倍，铁心吸合时进入超程后磁感应强度达到饱和值，铁心闭合后激磁直流高电压转变成低电压，但激磁电流使铁心总是处于过饱和状态下工作，因此吸合及分断过程动触头运动速度比动铁心大K倍，动触头最大开距及超程之和比铁心开距大K倍，动触头分断速度大，燃弧时间短，银触头烧损量减小，铁心在饱和状态下工作吸力增大而截面积可减小，铁心开距小激磁电流可减小，因而硅钢片和线圈导线使用量可减小，同时振动减小，提高接触器的机械寿命、电寿命和分断能力。

Claims (2)

1.一种倍比力矩交流接触器，所述接触器采用倍比力矩将动铁心与触头支持件软连接的结构，短力矩臂与动铁心为刚性连接并一起绕固定转动轴转动，动铁心长度线与固定转动轴平行，长力矩臂经可转动的连片与触头支持件连接，并使触头支持件作直线运动，力矩比例倍数K大于等于2，这样动触头的最大开距及超程之和的距离是铁心最大开距的K倍，铁心吸合过程中达到磁感应强度为饱和值时的铁心气隙应等于超程最大值的K分之一，饱和磁感应强度时铁心吸力与反力弹簧及超程弹簧合力最大值之差应该与弹簧合力最大值接近，这是选取电磁参数与反力弹簧及超程弹簧合力及力矩比例数关系的最佳方案。

2.根据权利要求1所述接触器，倍比力矩可以采用杠杆式或相互垂直的直角力矩形式，铁心可以直立式或卧式，但铁心总是放在触头支持件一侧，触头支持件另一侧放置辅助触头或其它器件。

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