CN1574134A - 用于直流负载的触点结构及具有该触点结构的开关设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于直流负载的触点结构及具有该触点结构的开关设备，即使在大容量负载的情况下，该触点结构也能长时间反复开断，不会引起如开断故障、由于触点间电弧不正常持续引起的锁闭和淀积、触点烧毁和破坏、及接触电阻增加等问题，且可减小尺寸和降低成本。该触点结构包括彼此相互对置的静触点和可动触点及磁单元，磁单元向内部有两个触点的空间施加磁场，该磁场作用于与可动触点的移动方向相垂直的方向，将静触点和可动触点之一用作正极侧触点，另一触点用作负极侧触点。正极侧触点由至少含Ag和SnO2的AgSnO2基合金构成，负极侧触点由至少含Ag和Ni的AgNi基合金和含Ag和CuO的AgCuO基合金之一构成。

Description

用于直流负载的触点结构及具有 该触点结构的开关设备
技术领域
本发明涉及一种用于直流负载的触点结构及具有该用于直流负载触点结构的开关设备。
背景技术
在现有的诸如具有彼此相对的静触点和可动触点的继电器之类的开关设备中，使用以银-氧化锡-氧化铟为基的触点(此后称为AgSnO2In2O3基触点)、以银-氧化锡为基的触点(此后称为AgSnO2基触点)、以银-镍为基的触点(以后称为AgNi基触点)、以银-氧化锌为基的触点(以后称为AgZnO基触点)作为触点材料。通常，单独使用所述触点材料中的每一种作为可动触点和静触点通用的触点材料。在这样的开关设备中，最近已开始尝试克服高电压。通常，需用采用诸如增大触点和触点之间间隙之类的方法来实现能克服高电压的开关设备，但是如果使开关设备的尺寸缩小，那么触点和触点之间的间隙就不可能增大到超过约1mm。可是，如果仅将开关设备触点和触点之间的间隙设为约1mm，那么电弧就会保持较长的时间，如果电弧持续如100ms或更长时间，开关设备中出现开断故障的情况将增多。
电弧持续长时间时产生的另一问题是，使开关设备触点表面发热至很高温度，从而出现触点间的锁闭和淀积，或者发生触点的烧毁和破坏，因而影响开关设备的寿命。这个问题在开断大容量负载型开关设备中犹为突出。锁闭是由于从一触点向另一触点转移触点材料形成的凹陷和突起被塞住、从而禁止或延迟可动触点从静触点处释放的现象。淀积是由于触点表面的熔化使得可动触点和静触点彼此粘在一起、从而禁止或延迟其释放的现象。
为了得到长寿命的开关设备，可使用不同的方法，如通过增大触点和紧固触点的接触部分以提高触点的热阻并且增加开关设备的热容量的方法、增大触点和触点间的间隙以避免电弧的不正常持续的方法、以及将作用于触点间的释放力设置为大的力使得即使触点通过淀积彼此粘结在一起也能彼此脱离的方法。可是，这些方法并不能满意地获得开关设备的长寿命，而且还导致开关设备体积和/或成本的增加。
为了克服这个问题，公知的是，通过诸如永磁体之类的磁单元在触点之间产生磁场的方法。如果在触点之间产生磁场，洛伦兹(Lorentz)力作用于电弧，根据弗莱明(Fleming’s)左手定律，电弧在触点之间显著地被驱动(移动)。因此，避免了在触点表面上聚集电弧，并且容易断开电弧，从而可以获得长寿命。
发明内容
可是，即使采用所述方法也无法使例如开断大容量负载如约42V直流(DC)和10A的电力继电器的开关设备具有足够长的寿命。此外，还将产生随着开关反复动作而使接触电阻增加的新问题。还存在接触电阻在励磁期间引起焦耳损失的问题。当磁场的磁通密度增加时，开关设备的寿命延长至一定范围，但是无法避免磁单元尺寸和成本的增加。因此，仍不可能减小开关设备的尺寸和成本。
本发明从所述问题出发，提供了具有触点结构的开关设备，这种设备即使在大容量负载的情况下，触点结构也能长时间反复开断，而不会引起任何诸如开断故障、由于触点之间电弧的不正常持续引起的锁闭和淀积、触点的烧毁和破坏、以及增加接触电阻之类的问题，并且可以使其尺寸减小和成本降低。本发明还提供了一种具有所述触点结构的开关设备。
由此，本发明所提供的用于DC负载的触点结构包括：彼此相互对置的静触点和可动触点；以及磁单元，其向内部有两个触点的空间施加磁场，该磁场作用于与可动触点的移动方向垂直的方向，并且将静触点和可动触点之一用作正极侧触点，另一触点用作负极侧触点。在所述用于DC负载的触点结构中，正极侧触点由至少包含Ag和SnO2的AgSnO2基合金构成，负极侧触点由至少包含Ag和Ni的AgNi基合金和包含Ag和CuO的AgCuO基合金中的一种构成。本发明还提供了一种具有所述触点结构的开关设备。
术语“Ag-xM”在此指的是一种合金，此合金由Ag和M构成，其中M的含量是合金总重量的xwt％。例如，术语“Ag-12.2CuO”指的是一种由Ag和CuO构成的合金，其中CuO的含量是合金总重量的12.2wt％。术语“Ag-8.2SnO2-5.8In2O3”指的是一种由Ag、SnO2和In2O3构成的合金，其中SnO2和In2O3的含量分别是合金总重量的8.2wt％和5.8wt％。
附图说明
通过下面结合附图对本发明优选实施方式的详细描述，将更易于理解本发明，附图中：
图1A是本发明的触点结构的一实施方式的结构示意图；
图1B是沿图1A中方向I观察到的触点结构示意图；
图1C是沿图1A中方向II观察到的触点结构示意图；以及
图2A至2C是沿图1A的方向II观察到的触点结构示意图，它们示出了触点相互释放的过程。
具体实施方式
本发明的用于DC负载的触点结构具有能够断开和闭合作用于直流DC负载的电路的开关作用，并且构成了用于如继电器或开关之类的DC负载的开关器件部分。以下将参照相应附图对所述触点结构进行详细描述。
如图1A所示，本发明的用于DC负载的触点结构包括相互对置的静触点1和可动触点2、以及向内部存在有触点1和2的空间(尤其是向两个触点1和2彼此释放的空间)施加磁场的磁单元3，该磁场作用于与可动触点2的移动方向I相垂直的方向II。图1A是本发明的用于DC负载的触点结构的结构示意图，图1B是沿图1A中方向I观察到的触点结构示意图，图1C是沿图1A中方向II观察到的触点结构示意图，图中省略了磁单元3。在下面的描述中，为了简便，将图1A至1C总体简称为图1。
在本发明的触点结构中，将静触点1和可动触点2之一用作正极侧触点，而另一触点用作负极侧触点，通常静触点1用作正极侧触点，可动触点2用作负极侧触点。如图1所示，通常使静触点1和可动触点2分别被紧固在静触点部分11和可动触点部分12的状态下使用，而且一般而言，静触点部分11的横截面比可动触点部分12的横截面大。此外，由于触点释放期间产生的电弧引起的从负极侧触点发射的电子的影响，正极侧触点通常发热至较高温度。因此，从更有效地获得更长寿命的触点结构的观点出发，最好将紧固在比可动触点部分12的横截面和热容量大的静触点部分11上的静触点1用作发热至较高温度的负极侧触点。另一方面，从获得更长寿命的触点结构的观点出发，在材料的导电性较低、例如使用黄铜作为静触点部分材料使得可动触点侧元件(包括可动触点2和可动触点部分12)比静触点侧元件(包括静触点1和静触点部分11)热容量大的情况下，优选将可动触点2用作正极侧触点。
当静触点1和可动触点2分别用作正极侧触点和负极侧触点时，可以将触点结构连接使用，使得静触点1与DC电源的正极侧耦联，可动触点2与DC电源的负极侧耦联。
在本发明中，在静触点1或可动触点2用作正极侧触点的任意一种情况下，正极侧触点由AgSnO2基合金构成，负极侧触点由AgNi基合金或AgCuO基合金构成。换句话说，在静触点1用作正极侧触点、可动触点2用作负极侧触点的情况下，静触点1由AgSnO2基合金构成，可动触点2由AgNi基合金或AgCuO基合金构成。在可动触点2用作正极侧触点、静触点1用作负极侧触点的情况下，可动触点2由AgSnO2基合金构成，静触点1由AgNi基合金或AgCuO基合金构成。本发明中，由于配合使用所述正极侧触点和负极侧触点的材料，所以即使负载容量较大且施加的磁场磁通密度较小也可以避免触点1和2之间产生的电弧出现不正常持续。此外，可以减少它们之间的接触电阻，因此，可以长时间地避免各种问题，如开断故障、触点之间的锁闭和淀积、触点的烧毁和破坏以及接触电阻的增加，并且还可以方便地使触点结构的尺寸减小和成本降低。
构成正极侧触点的AgSnO2基合金是一种至少包含Ag和SnO2的合金，优选为还包含In2O3的AgSnO2In2O3基合金。只要可以实现本发明的目的，所述AgSnO2基合金可以包含别的元素(金属或金属氧化物)。
在AgSnO2基合金、尤其在AgSnO2In2O3基合金中含有的金属氧化物(如SnO2和In2O3)的总含量是AgSnO2基合金总重量的8-15wt％，优选为12-15wt％。如果这类金属氧化物的总含量太少，触点的转移电阻特性将降低。例如，当在与以后将要描述的例子相似的负载条件下对触点结构进行100,000次开关操作时，所述转移量是用于仅由Ag构成的触点的8.1mg和用于由Ag-8.2SnO2-5.8In2O3合金构成的触点的2.7mg的平均值。另一方面，如果金属氧化物的总含量太多，合金将难于形成触点。
在AgSnO2基合金、特别是在AgSnO2In2O3基合金中SnO2的含量是AgSnO2基合金总重量的6-10wt％，优选为7-10wt％。如果SnO2的含量太少，触点的转移电阻特性将降低。另一方面，如果SnO2的含量太多，接触电阻将不稳定，并且合金难于形成触点。
特别在AgSnO2In2O3基合金中In2O3的含量是AgSnO2In2O3基合金总重量的2-8wt％，优选为5-7wt％。如果In2O3的总含量太少，接触电阻不稳定。另一方面，如果In2O3的含量太多，触点的转移电阻特性将降低。例如当在与以后将要描述的例子相似的负载条件下对触点结构进行100,000次开关操作时，该转移量是用于由Ag-8.2SnO2-5.8In2O3合金构成的触点的2.7mg和用于由Ag-3.8SnO2-10.2In2O3合金构成的触点的5.6mg的平均值。
构成负极侧触点的AgNi基合金是一种包含至少Ag和Ni的合金，从触点的淀积电阻的观点出发，优选为还包含C的AgNiC基合金。只要可以实现本发明的目的，所述AgNi基合金可以包含其他元素(金属或金属氧化物)。
在AgNi基合金、尤其在AgNiC基合金中Ni含量是AgNi基合金总重量的8-12wt％，优选为9-11wt％。如果Ni含量太少，触点的转移电阻特性将降低。例如，当在与以后将要描述的例子相似的负载条件下对触点结构进行100,000次开关操作时，该转移量是用于仅由Ag构成的触点的8.1mg和用于由Ag-10Ni-0.5C合金构成的触点的7.2mg的平均值。另一方面，如果Ni含量太多，Ni容易凝结，并且容易在触点表面上沉淀。当Ni经过化学改变如氧化时，接触电阻将增加(电阻率-Ag：1.63×10-8Ωm，NiO：1011Ωm)。
特别在AgNiC基合金中，C的含量不大于AgNiC基合金总重量的2wt％，优选不大于1wt％。另一方面，如果C含量太多，则难于制造。
另一种可以构成负极侧触点的是AgCuO基合金，它是一种至少包含Ag和CuO的合金，只要可以实现本发明的目的，所述AgCuO基合金还可以包含其他元素(金属或金属氧化物)。
在AgCuO基合金中CuO含量是AgCuO基合金总重量的10-14wt％，优选为11-13wt％。如果CuO含量太少，触点的转移电阻特性将降低。例如，当在与以后将要描述的例子相似的负载条件下对触点结构进行100,000次开关操作时，该转移量是用于仅由Ag构成的触点的8.1mg和用于由Ag-12.2CuO合金构成的触点的6.5mg的平均值。另一方面，如果CuO含量太多，合金难于形成触点。
AgSnO2基合金和AgCuO基合金可以通过确保它们以各自的预定量含有其独立成分的已知方法来制造，也可以通过例如粉末冶金法或内部氧化法来制造。
AgNi基合金可以通过粉末冶金法来制造。
对构成静触点部分11和可动触点部分12的材料没有特别限制，优选将导电性较高的材料如电解铜用作静触点部分11，而将铍青铜用作可动触点部分12。
根据本发明的触点结构还包括磁单元3。如图1所示，磁单元3沿可动触点部分12的轴线方向J设置在静触点1和可动触点2的下游侧，但是只要磁单元3可以向内部有两个触点的空间、尤其是两个触点1和2彼此释放的空间施加作用在与可动触点的移动方向相垂直的方向上的磁场，就不用对磁单元3的布置作具体限定。例如，磁单元3可以设置在图1A页面的观察侧和背侧的任意一侧上的静触点1和可动触点2附近。
无须对磁单元3作出具体限定，可以使用任意一种当触点1和2彼此释放时能在两个触点1和2之间的中心部分产生较弱的磁场、例如具有不低于5mT左右的磁通密度的较弱的磁场的材料作为磁单元。具体可使用的例子是永磁体和电磁体。在本发明中，由于磁单元3仅能够产生如上所述的较弱的磁场，所以更多的是使用容易小型化的永磁体。当触点1和2彼此释放时，在两个触点1和2之间中心部分的优选磁通密度不低于10mT。
以下将参照附图2对根据本发明所述触点结构中用来使触点1和2彼此释放的操作机构进行简要说明。图2A至2C是沿图1中方向II观察到的本发明的触点结构的示意图，它们表示出触点1和2相互释放的过程。在静触点1和可动触点2之间的空间中，沿图2页面的观察侧到背侧方向产生较弱的磁场。图2中，静触点1用作正极侧触点，可动触点2用作负极侧触点。图2中用与图1相同的附图标记表示与图1中示出的相同部件。
首先，当静触点1和可动触点2彼此开始释放时(图2A)，在静触点1和可动触点2之间形成电弧4。此时，在静触点1和可动触点2之间的空间中沿从图2A的观察侧到背侧的方向产生磁场。并且洛伦兹力作用于电弧4。因此，当可动触点2进一步从静触点1处释放时，根据弗莱明左手定律，电弧4在触点1和2之间朝着图2页面的左边显著被驱动(移动)的同时弯曲(图2B)。此后，电弧4被切断，并且实现了开断(图2C)。在本发明的使用了所述材料的触点结构中，由于借助于磁场使电弧4在触点1和2之间被驱动的同时弯曲，所以避免了触点1和2表面上电弧4的聚集，并且容易切断电弧4。因此，可以显著减少电弧4的持续时间，从而有效阻止了电弧4。
为了提高磁场对电弧4的驱动效率，优选在沿磁性地驱动电弧4的方向上增大触点1和2之间的间隙，如通过使每个静触点1和可动触点2的周边比其中间部分薄来实现。
本发明还涉及开关设备。本发明的开关设备适用于DC负载，并且可以具有类似于所述用于DC负载的触点结构的任意结构。该开关设备可以是例如继电器和开关。
在本发明的触点结构和开关设备中，即使将可动触点和静触点之间的释放力设定在0.1-0.5N，并且将其间的接触力设定在0.1-1N的较小的值，也可以实现本发明的目的。所述释放力是将可动触点从静触点处释放所需的驱动力，它是事先设定的初始给定值之一。所述接触力是可动触点保持与静触点相接触所需的驱动力，它是事先设定的初始给定值之一。
本发明的触点结构和开关设备可应用于任何电力和电子设备的直流电路中，从用于车辆如汽车的电子装置的控制到用于工厂的重型电气设备，例如可有效应用在大负载条件如5至50A、甚至10A或更大的电流值下的开关直流电路中。
实施方式
对于每种实施方式1和2以及比较例1至9，将由下表中列出的触点材料构成的静触点和可动触点分别固定到静触点部分和可动触点部分上，将得到的构件与磁驱动继电器结合。将电解铜(横截面积：1.32mm2)和铍青铜(横截面积：0.45mm2)分别用作静触点部分和可动触点部分的材料。静触点、可动触点、静触点部分和可动触点部分以及继电器的其它结构与OMRON公司制造的小尺寸继电器近似。
电寿命测试
连接每个继电器，将静触点和动触点采用表中所示出的预定极性，并且在下述条件下对每个继电器进行评价：
测试条件：42V DC，10A，电阻负载
          (开关操作100,000次)
在接触部分中心施加的磁通密度：5mT
触点和触点之间的间隙：1mm
接触力：0.29N
释放力：0.15N
在此评价中，对每个继电器进行100,000次开关操作，没有遇到诸如在触点之间持续100ms或更长时间的电弧的不正常持续、触点的锁闭和淀积以及烧毁和破坏的问题的继电器标为“○”。在每个标为“×”的继电器中，存在如由于电弧的不正常持续引起的开断故障之类的问题，或如锁闭或淀积或者触点的烧毁和破坏之类的问题。
接触电阻
在表中列出了电寿命测试期间得到的各继电器的接触电阻的最大值。不大于25mΩ的接触电阻标为“○”，不大于30mΩ的接触电阻标为“△”，大于30mΩ的接触电阻标为“×”。不低于“△”的接触电阻在没有实际问题的范围内，标为“○”的值是优选的。
表
                触点材料   电寿命     接触电阻
 静触点(极性)     可动触点(极性)
实施方式1  AgSnO2In2O3(+)     AgNiC(-)    ○     ○(23.5)
比较例1  AgSnO2In2O3(-)     AgNiC(+)    ×     △(26.4)
实施方式2  AgSnO2In2O3(+)     AgCuO(-)    ○     ○(21.6)
比较例2  AgSnO2In2O3(-)     AgCuO(+)    ×     △(29.4)
比较例3  AgSnO2In2O3(+)     AgZnO(-)    ×     ×(35.3)
比较例4  AgSnO2In2O3(-)     AgZnO(+)    ×     ×(33.6)
比较例5  AgSnO2In2O3(+)     AgSnO2In2O3(-)    ○     ×(41.6)
比较例6  AgSnO2In2O3(-)     AgSnO2In2O3(+)    ×     ×(46.4)
比较例7  AgZnO(+)     AgZnO(-)    ×     ○(17.2)
比较例8  AgNiC(+)     AgNiC(-)    ×     ○(16.2)
比较例9  AgCuO(+)     AgCuO(-)    ×     ○(19.0)
在该表中，Ag-8.2SnO2-5.8In2O3用作AgSnO2In2O3，Ag-8ZnO用作AgZnO，Ag-10Ni-0.5C用作AgNiC，Ag-12.2CuO用作AgCuO。除了已列出的金属和金属氧化物外，触点材料不包含其它任何金属和金属氧化物。
即使负载容量较大，施加的磁场的磁通密度较小，本发明的触点结构和开关设备也可以长时间反复开断，而不会引起任何诸如开断故障、由于触点间电弧的不正常持续带来的锁闭和淀积、触点的烧毁和破坏、以及接触电阻的增加之类的问题。此外，可以方便地减小触点结构和开关设备的尺寸并降低它们的成本。

Claims (6)

1.一种用于直流负载的触点结构，包括：
相互对置的一静触点和一可动触点；以及
一磁单元，其向内部有两个触点的一空间施加磁场，该磁场作用于与所述可动触点的移动方向相垂直的方向，
所述静触点和所述可动触点之一用作一正极侧触点，所述另一触点用作一负极侧触点，
其中，所述正极侧触点由至少含Ag和SnO2的AgSnO2基合金构成，所述负极侧触点由至少含Ag和Ni的AgNi基合金和含Ag和CuO的AgCuO基合金之一构成。
2.如权利要求1所述的用于直流负载的触点结构，其中，所述静触点用作所述正极侧触点，所述可动触点用作所述负极侧触点。
3.如权利要求1或2所述的用于直流负载的触点结构，其中，用作所述正极侧触点的所述AgSnO2基合金是一AgSnO2In2O3基合金，用作所述负极侧触点的所述AgNi基合金是一AgNiC基合金。
4.如权利要求1至3中任一项所述的用于直流负载的触点结构，其中，所述正极侧触点由AgSnO2In2O3基合金构成，该合金含有总数为8-15wt％的金属氧化物、6-10wt％的SnO2和2-8wt％的In2O3，所述负极侧触点由含有8-12wt％的Ni、不高于2wt％的C的AgNiC基合金和含有10-14wt％的CuO的AgCuO基合金之一构成。
5.如权利要求1至4中任一项所述的用于直流负载的触点结构，其中，用永磁体作为提供所述磁场的所述磁单元。
6.一种开关设备，其中，包括如权利要求1至5中任一项所述的用于直流负载的触点结构。
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