吳　剛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

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節(jié)能車用大功率預(yù)熱繼電器的改進(jìn)

吳剛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

摘要：文章論述了節(jié)能車用大功率預(yù)熱繼電器的工作原理，重點(diǎn)介紹了電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)、增加了大電流分?jǐn)?觸點(diǎn)滅弧保護(hù)、改進(jìn)觸點(diǎn)材料優(yōu)化觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式。

關(guān)鍵詞：工作原理；大電流分?jǐn)?觸點(diǎn)滅弧保護(hù)；觸點(diǎn)材料

1引言

目前，柴油機(jī)汽車預(yù)熱系統(tǒng)在國(guó)Ⅳ及以上標(biāo)準(zhǔn)的車上均需采用電加熱，電加熱預(yù)熱方式將成為預(yù)熱系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。該預(yù)熱系統(tǒng)中的主要部件電加熱器功率在1000W～3200W。因此，系統(tǒng)工作時(shí)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(fù)荷條件下工作，且有極高的可靠性。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證做出改進(jìn)后的車用預(yù)熱繼電器增加了產(chǎn)品電壽命，并在產(chǎn)品處于接近失效狀態(tài)時(shí)，能夠可靠地、主動(dòng)地將繼電器輸出端在有效的時(shí)間范圍內(nèi)斷開或直接失效，不造成任何其它的次生危害，使產(chǎn)品不存在任何安全性隱患。

2產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)及性能特性

節(jié)能車用大功率預(yù)熱繼電器是電磁式直流大功率繼電器，具體技術(shù)參數(shù)指標(biāo)見表1。該產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車預(yù)熱控制系統(tǒng)、電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力汽車電源切換、工業(yè)控制系統(tǒng)及自動(dòng)化，如直流電機(jī)及直流負(fù)載控制及頻繁開關(guān)切換等使用場(chǎng)合，符合國(guó)家新能源技術(shù)和節(jié)能減排等政策的要求。

表1　主要技術(shù)指標(biāo)

3工作原理

節(jié)能車用大功率預(yù)熱繼電器是由輸入控制電路、電磁系統(tǒng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和輸出接觸系統(tǒng)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(dāng)輸入控制電壓加到輸入端控制電路時(shí)，電磁系統(tǒng)部分的電磁鐵動(dòng)作，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使主觸點(diǎn)由斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)換為閉合狀態(tài)，使繼電器接通，接通外電路，并通過(guò)電磁力系統(tǒng)保持輸出端接通狀態(tài)；當(dāng)施加在輸入端控制電壓去除時(shí)，電磁力消失，主觸點(diǎn)靠彈簧等反力機(jī)構(gòu)提供的反力由接通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為斷開狀態(tài)，切斷主回路。電磁繼電器就是通過(guò)輸入端的低電壓小電流控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出端的高電壓、大電流的接通、保持和切斷負(fù)載回路的目的。

圖1　節(jié)能車用大功率預(yù)熱繼電器電器原理框圖

圖2　節(jié)能車用大功率預(yù)熱繼電器工作原理圖

4電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)

電磁繼電器是一種復(fù)雜的機(jī)電元件，它將電能通過(guò)磁鏈變換成機(jī)械動(dòng)作去推動(dòng)電氣觸點(diǎn)。其工作性能及可靠性就取決于和應(yīng)用及特性指標(biāo)有關(guān)的各種設(shè)計(jì)參數(shù)的相互影響，要保證機(jī)械結(jié)構(gòu)與電氣特性曲線相匹配。當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定時(shí)，綜合采用規(guī)定的環(huán)境條件、線圈回路狀態(tài)、機(jī)械壽命要求和觸點(diǎn)負(fù)載狀態(tài)所能影響繼電器性能的因素來(lái)評(píng)價(jià)，分析繼電器的設(shè)計(jì)合理與否。

電磁繼電器中觸點(diǎn)一般有四種推動(dòng)方式：(1)直接由拍合式銜鐵推動(dòng)；(2)多簧片的撓曲；(3)預(yù)張動(dòng)簧片推動(dòng)；(4)直接由螺線管推動(dòng)等方式。當(dāng)電磁式繼電器的切換電流/功率上升到一定程度后，結(jié)合繼電器的使用環(huán)境、技術(shù)參數(shù)指標(biāo)、安裝要求，以及適宜于大批量產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的要求，最終確定了采用“直接由螺線管推動(dòng)”的結(jié)構(gòu)形式。

其主體電磁結(jié)構(gòu)采用帶有錐度極面的裝甲螺管直動(dòng)吸入式結(jié)構(gòu)，動(dòng)磁芯設(shè)計(jì)有較適宜的動(dòng)作行程，保證動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)有合適的觸點(diǎn)間距以及觸點(diǎn)跟蹤，既保證繼電器能夠可靠地分?jǐn)?、滅弧，又有適宜的觸點(diǎn)壓力，保證接觸可靠。吸入式結(jié)構(gòu)的主磁通和漏磁通都能夠產(chǎn)生吸力，吸力大、吸持牢固、穩(wěn)定可靠。動(dòng)磁芯采用帶有錐面的結(jié)構(gòu)，繼電器動(dòng)磁芯在整個(gè)動(dòng)作過(guò)程吸力平坦、均勻，減小觸點(diǎn)閉合時(shí)的碰撞及增加接觸的可靠性，使繼電器的動(dòng)態(tài)吸力特性和返力特性能夠較易實(shí)現(xiàn)良好的配合，降低空氣間隙與吸力特性的相關(guān)敏感性，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的批量生產(chǎn)，滿足繼電器能夠可靠工作、降低動(dòng)作功率、減小動(dòng)作時(shí)間、提高壽命等要求，同時(shí)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(dòng)磁芯下端磁路部分，由下?lián)蹊F構(gòu)成正常工作磁路系統(tǒng)和由外殼構(gòu)成的安全磁路系統(tǒng)。繼電器正常工作時(shí)，經(jīng)由下?lián)蹊F這一工作磁路正常循環(huán)；當(dāng)在繼電器壽命末期工作時(shí)，當(dāng)觸點(diǎn)接觸壓降大于300mV，發(fā)熱量較大，動(dòng)觸點(diǎn)支架會(huì)產(chǎn)生熱變形，逐步強(qiáng)制繼電器使用由外殼構(gòu)成的安全磁路系統(tǒng)，強(qiáng)制繼電器向預(yù)設(shè)安全模式失效，大大降低了因觸點(diǎn)繼續(xù)惡化而粘連的故障可能性。

圖3　電磁式預(yù)熱繼電器安全保護(hù)裝置原理圖

設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮到溫度范圍、振動(dòng)、安裝使用環(huán)境等環(huán)境條件對(duì)產(chǎn)品的各參數(shù)指標(biāo)的影響，在綜合分析評(píng)估的基礎(chǔ)上，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分進(jìn)行環(huán)境溫度、振動(dòng)、絕緣電阻、介質(zhì)耐壓等指標(biāo)參數(shù)設(shè)計(jì)；在輸入控制電路和線圈部分進(jìn)行線圈電壓、電流、能耗、動(dòng)作時(shí)間等電參數(shù)設(shè)計(jì)；在電磁系統(tǒng)部分進(jìn)行吸合電壓、釋放電壓、電磁吸力、動(dòng)作行程等電磁參數(shù)設(shè)計(jì)；在接觸系統(tǒng)部分進(jìn)行接觸電阻、額定負(fù)載電壓、額定負(fù)載電流等接觸系統(tǒng)和電氣負(fù)載參數(shù)的設(shè)計(jì)。

由于電磁繼電器較寬范圍的輸入電流及大電流負(fù)載，繼電器在工作時(shí)會(huì)由于繞組及觸點(diǎn)發(fā)熱而升溫，尤其是因觸點(diǎn)間的接觸電阻在大分?jǐn)嚯娏鲿r(shí)產(chǎn)生的熱引起的升溫。根據(jù)環(huán)境溫度范圍和負(fù)載條件，在設(shè)計(jì)最大安全額定工作電壓、線圈電流、線圈功耗時(shí)要考慮到：(1)線圈能承受規(guī)定壽命中所施加的持續(xù)發(fā)熱累計(jì)時(shí)間的能力；(2)繼電器其他結(jié)構(gòu)零件如絕緣件、推動(dòng)件和觸點(diǎn)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(jié)構(gòu)件產(chǎn)生的揮發(fā)性物質(zhì)污染觸點(diǎn)的可能性和對(duì)鄰近零件的影響。與此同時(shí)，還要考慮到當(dāng)電源電壓降低到額定值的85%時(shí)，繼電器依然能夠可靠地工作。

按前面所述選擇設(shè)計(jì)依據(jù)的原則并結(jié)合具體產(chǎn)品的要求，通過(guò)電路試驗(yàn)，利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行有限元仿真模擬分析，確定各結(jié)構(gòu)部分的參數(shù)與尺寸，達(dá)到理想的最佳狀態(tài)。

5大電流安全可靠分?jǐn)?觸點(diǎn)滅弧保護(hù)

對(duì)大電流分?jǐn)嗉夹g(shù)而言，技術(shù)的難點(diǎn)就是滅弧。主觸點(diǎn)在閉合和斷開時(shí)，由于和靜觸點(diǎn)之間的間隙場(chǎng)強(qiáng)變化而造成空氣的電離產(chǎn)生電弧。電弧的產(chǎn)生會(huì)造成觸點(diǎn)局部高溫而熔化，形成“電焊”現(xiàn)象，將動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)熔焊在一起，從而造成繼電器失效，在使用過(guò)程中存在安全隱患。為降低電弧的危害程度及保護(hù)觸點(diǎn)，使繼電器能夠可靠地分?jǐn)嗲袚Q負(fù)載的大電流，就必須設(shè)計(jì)采用特殊的結(jié)構(gòu)和技術(shù)來(lái)消弧和滅弧，降低或消除電弧的產(chǎn)生和危害程度，延長(zhǎng)觸點(diǎn)的壽命；采用有拉開熔接觸點(diǎn)能力的反力推動(dòng)機(jī)構(gòu)，電磁繼電器分?jǐn)嗟呢?fù)載比較大，要求觸點(diǎn)在閉合時(shí)有一定的觸點(diǎn)壓力和斷開時(shí)有一定的斷開距離，以及實(shí)現(xiàn)要求的分?jǐn)?、閉合速度要求，從而可靠地將大電流分?jǐn)?。?gòu)造類同迷宮式的滅弧室，同時(shí)保證適宜的觸點(diǎn)開距，使觸點(diǎn)在斷開時(shí)能夠迅速可靠地滅弧。

觸點(diǎn)粘連失效后可能會(huì)對(duì)整機(jī)使用環(huán)境造成安全隱患，輕者燒毀附近的零部件，重者會(huì)起火燒毀整機(jī)。此外，還應(yīng)有可靠的安全機(jī)構(gòu)裝置，或者采用魯棒設(shè)計(jì)理念，產(chǎn)品設(shè)計(jì)有正常工作磁路和安全保護(hù)磁路兩路磁路結(jié)構(gòu)，利用磁通自動(dòng)尋找最小磁阻的回路而構(gòu)造磁路回路的特性，設(shè)計(jì)合理的兩路磁路間隙和選擇好觸點(diǎn)支架材料耐溫特性，使產(chǎn)品能夠智能化判斷自身的技術(shù)狀態(tài)，當(dāng)判斷繼電器處于接近失效狀態(tài)時(shí)，能夠可靠地、主動(dòng)地將繼電器輸出端在有效的時(shí)間范圍內(nèi)斷開或直接失效，不造成任何其它的次生危害，使產(chǎn)品不存在任何安全性隱患。

6觸點(diǎn)材料及結(jié)構(gòu)形式

觸點(diǎn)的壽命和工作的可靠性與觸點(diǎn)材料有很大的關(guān)系，電磁繼電器觸點(diǎn)的材料選用很講究，材料選用得當(dāng)，既經(jīng)濟(jì)可行，又可以延長(zhǎng)觸點(diǎn)的壽命，進(jìn)而延長(zhǎng)繼電器的壽命。觸點(diǎn)材料盡可能選用高導(dǎo)電、導(dǎo)熱材料并攙和添加劑防止熔接，結(jié)合觸點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式的選擇和使用，使觸點(diǎn)的壽命最大化，進(jìn)而使繼電器的電氣壽命最大化。

對(duì)于分?jǐn)啻箅娏鞯睦^電器，觸點(diǎn)材料從性能上來(lái)說(shuō)最優(yōu)選用銀氧化鎘AgCdO材質(zhì)。采用先進(jìn)的燒結(jié)、擠壓工藝，氧化鎘質(zhì)點(diǎn)彌散分布于銀基體中，在電弧作用下，氧化鎘劇烈分解、蒸發(fā)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(jià)鎘，具有毒性，不符合環(huán)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(diǎn)造價(jià)一般都比較高。

從零件的經(jīng)濟(jì)性和性能綜合考慮，對(duì)目前市場(chǎng)上所使用的銅基合金材料進(jìn)行試驗(yàn)研究，最終根據(jù)觸點(diǎn)材質(zhì)性能的優(yōu)劣，選用了碲銅合金材質(zhì)。碲銅合金觸點(diǎn)是一種由含0.4%-0.7%碲和純度高、塑性好的高導(dǎo)電性銅粉結(jié)合、精制而成的高導(dǎo)、易切削金屬材料，具有極好的易切削性能和優(yōu)良的導(dǎo)電性、熱膨脹小、耐腐蝕性，高強(qiáng)度，高密度，高硬度，耐高溫、耐電弧燒蝕、強(qiáng)度高，比重大，導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，易于加工，不含貴金屬，產(chǎn)品性價(jià)比高。

碲銅觸點(diǎn)環(huán)保無(wú)毒，符合歐盟RoSH環(huán)保要求，具有抗熔焊、耐電磨損性好，燃弧時(shí)間短，分?jǐn)嘈阅芨?、抗大電流沖擊能力強(qiáng)的特點(diǎn)。在大分?jǐn)嚯娏鳁l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(shù)小，避免因觸點(diǎn)材料的熱脹冷縮差異的增大而形成接觸電阻增大的現(xiàn)象，避免熱磨損；在大接觸壓力情況下，比銀基觸點(diǎn)具有更高的耐機(jī)械磨損能力。

確定了觸點(diǎn)材質(zhì)后，為保證可靠地分?jǐn)啻箅娏骷翱煽康赜|點(diǎn)滅弧，觸點(diǎn)的結(jié)構(gòu)型式非常關(guān)鍵。如圖4 節(jié)能車用大功率預(yù)熱繼電器結(jié)構(gòu)圖所示，觸點(diǎn)系統(tǒng)采用“面線”的接觸方式的雙斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)，靜觸點(diǎn)僅起到電連接的作用，動(dòng)觸點(diǎn)不僅起到電連接的作用，還起到觸點(diǎn)滅弧的作用。小彎曲半徑帶引弧角的外形結(jié)構(gòu)，使動(dòng)觸點(diǎn)在閉合時(shí)能夠有一定的觸點(diǎn)壓力破壞觸點(diǎn)表面的氧化膜而保證可靠的電連接，接觸電阻小，觸點(diǎn)在接通主電路時(shí)產(chǎn)生的熱也減小，由觸點(diǎn)引起的溫升大大減??；而且弧形結(jié)構(gòu)使觸點(diǎn)在閉合和斷開時(shí)產(chǎn)生的電弧沿切線方向釋放，從觸點(diǎn)轉(zhuǎn)移到弧角的時(shí)間短，迫使電弧迅速離開觸點(diǎn)進(jìn)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(zhǎng)動(dòng)觸點(diǎn)的電壽命，同時(shí)也大大減輕了對(duì)滅弧罩的破壞磨損。

具有弧形結(jié)構(gòu)引弧角的動(dòng)觸點(diǎn)，不僅可以可靠地滅弧、低接觸電阻，而且由于質(zhì)量小，也提高了動(dòng)觸點(diǎn)系統(tǒng)的抗振動(dòng)、抗沖擊的能力，從而提高了環(huán)境適應(yīng)能力。

7結(jié)束語(yǔ)

以上簡(jiǎn)要地論述了車用大功率預(yù)熱繼電器的工作原理和改進(jìn)方案。研制的產(chǎn)品還沒(méi)有批量生產(chǎn)和工程配套使用，在結(jié)構(gòu)、工藝等方面還存在一些不足：(1)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝性有待優(yōu)化。根據(jù)產(chǎn)品適用于工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和反饋，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)還有待于優(yōu)化，產(chǎn)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(chǎn)品的要求進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，提升批量生產(chǎn)的質(zhì)量水平。(2)觸點(diǎn)負(fù)載范圍有待提升。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)研究?jī)?nèi)容，結(jié)合后期產(chǎn)品工程化使用反饋，以及整機(jī)要求的更新，觸點(diǎn)的負(fù)載能力、電壽命等技術(shù)參數(shù)及產(chǎn)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(nèi)容和研究目標(biāo)。(3)產(chǎn)品的安裝方式單一。針對(duì)產(chǎn)品使用的不同場(chǎng)合和用途，產(chǎn)品的安裝形式也要多樣化，以滿足不同使用場(chǎng)合的安裝要求，同時(shí)根據(jù)不同的安裝結(jié)構(gòu)要求，對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，形成系列化的貨架式產(chǎn)品，滿足不同行業(yè)不同用途用戶的要求，提升產(chǎn)品的市場(chǎng)適應(yīng)能力。

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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(hào)：TN784

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6133(2015)02-0025-04

Doi:10.3969/j.issn.1000-6133.2015.02.006

收稿日期：2015-01-20