陳德為 黃燁洋 呂伯欽 李鴻揚

（福州大學機械工程及自動化學院，福州 350002）

可保證斷電分閘的具有電磁反力的永磁式接觸器的實現(xiàn)與分析

陳德為 黃燁洋 呂伯欽 李鴻揚

（福州大學機械工程及自動化學院，福州 350002）

根據(jù)永磁體同極磁場相斥異極磁場相吸的原理以及釹鐵硼永磁體極高的磁能積和矯頑力，本文提出一種新型的可保證斷電分閘的具有電磁可控反力的永磁式智能交流接觸器的設計方案，并對其動態(tài)特性進行了測試與分析。分析結(jié)果表明該新型永磁式智能交流接觸器可保證在斷電的常態(tài)下觸頭永遠處于分斷狀態(tài)，而且可實現(xiàn)快速合、分閘。

永磁式智能交流接觸器；可保證斷電常態(tài)分閘；動態(tài)特性；測試與分析

交流接觸器是一種常用于電氣控制與低壓配電系統(tǒng)中的電磁電器，在大容量的控制電路以及需要反復通斷交流或直流電路的遠距離集中操控場合有著很好的適用性[1]。交流接觸器的非正常運行不僅會嚴重影響生產(chǎn)線的正常運作，還可能導致嚴重的事故危及人生安全[2]。因此保證交流接觸器的可靠運行對整個系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要。隨著現(xiàn)代工業(yè)步伐的逐步加速，市場對交流接觸器的產(chǎn)量和工作性能的要求也在不斷提高。

傳統(tǒng)交流接觸器是以線圈通電產(chǎn)生的電磁力驅(qū)動的，在這樣的工作方式下，接觸器的觸頭部分極易受電網(wǎng)電壓起伏不定因素的影響而導致?lián)p壞。同時接觸器為了維持穩(wěn)定的合閘狀態(tài)而持續(xù)高壓通電將導致線圈溫升，這些將增加接觸器工作過程的耗能。相比之下永磁接觸器的最大優(yōu)勢在于吸持階段的節(jié)電工作，這降低了接觸器在工作過程中的電能消耗，并實現(xiàn)了免維護運行。永磁機構(gòu)原理這一革命性原理于20世紀80年代被提出[3-4]。

永磁體能提供穩(wěn)定的磁場是個優(yōu)點，但在常態(tài)下也是缺點，會使接觸器在未通電的情況下無法分閘?，F(xiàn)階段大部分的永磁接觸器主要憑借永磁力來保持合閘，關(guān)于突然斷電情況下能夠可靠分閘的接觸器的研究成果還不夠成熟。因此本文為了解決這一問題設計了一個非線性彈簧來抵消永磁體的磁力，使接觸器在常態(tài)下能正常分閘。傳統(tǒng)交流接觸器的分閘主要依靠彈簧的彈力，這使得分閘時速度慢且動靜觸頭間易產(chǎn)生電弧，本文在動鐵心上增加永磁體，利用永磁體具有較大矯頑力的特性，由系統(tǒng)控制整流回路接通線圈產(chǎn)生和永磁體磁力相當?shù)较蛳喾吹碾姶帕?，利用同極磁場間的斥力和彈簧彈力使接觸器快速分閘。

1 永磁式智能交流接觸器的實現(xiàn)

1.1 永磁式智能交流接觸器的操動機構(gòu)描述

本文設計的永磁式智能交流接觸器，由塑殼、動鐵心、靜鐵心、動靜觸頭、主線圈以及非線性彈簧等構(gòu)成機械操動機構(gòu)。如圖1所示，動鐵心4中嵌入一塊長方體永磁體 5和一塊圓柱體永磁體 6，另一塊圓柱體永磁體10嵌入線圈骨架9的底部作為接觸器的靜鐵心，非線性彈簧套在動鐵心的外部，三相觸頭A、B、C不同步[5]。

圖1 永磁式智能交流接觸器機構(gòu)簡圖

1）非線性彈簧

整體呈塔狀且彈性系數(shù)并非固定不變的彈簧為截錐螺旋壓縮彈簧（以下稱為非線性彈簧），非線性彈簧在接觸載荷的初始階段彈力與彈簧變形量成正比即呈線性關(guān)系，隨著載荷逐漸增大，彈簧的有效圈數(shù)減少且剛性增強，在該階段彈力與變形的關(guān)系是非線性的。彈簧的自振頻率受到剛度變化的影響，非線性彈簧非固定值的剛度有利于緩和或者防止消除共振，因而常用于有減振需求的場合。同時，與普通的圓柱螺旋壓縮彈簧相比，特殊的結(jié)構(gòu)使非線性彈簧可以在完全壓縮高度更小的條件下承受更大的載荷，并且受載時具有更好的穩(wěn)定性。本文選用的主力彈簧為非線性彈簧[6-7]，對于永磁式智能交流接觸器而言，非線性彈簧在完全壓縮時刻產(chǎn)生的最大反力是其抵消永磁吸力并保證永磁接觸器在常態(tài)下分閘的關(guān)鍵。此外，主力彈簧的受載穩(wěn)定性可保證使接觸器的合閘與分閘過程順利可靠的進行。

非線性彈簧的變形量與軸向載荷的特性曲線如圖2所示。動鐵心向下運動至剛合點的過程中，彈簧彈力值的大小也隨著自身的完全壓并遞增至最大值。接觸器完成合閘動作之后，彈簧反力增至最大，控制電路接通低壓電路，此時低壓電磁力與永磁動鐵心的矯頑力可抵消彈簧的最大反力，從而實現(xiàn)接觸器的低壓吸持。

圖2 截錐螺旋彈簧的特性曲線

2）動鐵心

本文選用的永磁體[8-9]N35是由釹鐵硼材料制成的。稀土永磁材料中的釹鐵硼永磁材料于19世紀90年代被發(fā)明，其中含有大量的稀土元素釹、鐵和硼。因其相對于其他永磁材料所具備的良好機械性能與突出的磁積能特性，被譽為永磁王。同時豐富的原材料來源與適宜的價格也讓釹鐵硼逐步代替其他永磁材料取得在工業(yè)應用中的重要地位。

動鐵心和主線圈骨架都采用尼龍材料制成，尼龍具有不導磁、無剩磁的特性，因此不會產(chǎn)生類似剩磁材料（如硅鋼片、半硬磁合金材料等）磁化后需要反向電流去磁的現(xiàn)象。在常態(tài)斷電的情況下，主力彈簧的彈力大于動靜鐵心之間的靜態(tài)吸力令永磁式智能交流接觸器處于分閘。線圈正向通電的情況下，根據(jù)電磁感應原理通電線圈產(chǎn)生磁場與電磁吸力，動鐵心在永磁吸力與異向相吸生成的電磁吸力的復合作用下，克服彈簧反力帶動觸頭向下運動至完全閉合。觸頭正常合閘后，接觸器的控制系統(tǒng)通過單片機關(guān)斷高壓電路，同時線圈接通24V直流電壓，接觸器依靠低壓吸持。線圈反向通電的情況下，永磁磁場與線圈電磁場同向相斥，彈簧反力與電磁反力促使動鐵心向上移動至觸頭分離。

3）靜鐵心

本文選用的靜鐵心材料為Q235型號的低碳鋼，低碳鋼加工性好，具有較高的磁飽和感應強度以及較小的矯頑力，因此不易產(chǎn)生剩磁，但易有鐵損。

1.2 永磁式智能交流接觸器的控制系統(tǒng)

為完成永磁式智能交流接觸器的動態(tài)特性實驗，一套完整齊全的智能控制系統(tǒng)是不可缺少的。本文根據(jù)永磁式智能交流接觸器的動作特性與要求設計的智能控制系統(tǒng)主要包括單片機模塊、電路模塊以及A/D采集模塊。如圖3所示，單片機模塊于軟件平臺寫入程序并執(zhí)行命令，單片機作為控制電路導通的主控核心，電路模塊識別單片機指令完成電路的通、斷電，A/D采集模塊由傳感器采集電流信號傳輸至上位機。

圖3 永磁式智能交流接觸器智能控制原理圖

永磁接觸器在合閘與分閘時各自通正、反向電流。接通AC 220V電源后，控制系統(tǒng)首先通過電路中的過零檢測電路檢測電源電壓的過零點，單片機根據(jù)判斷過零信號調(diào)用延時程序執(zhí)行接觸器選相合閘動作。高壓元件在延時程序中被啟動后，單相電源電壓經(jīng)整流回路輸出的脈動直流電壓通過控制回路1正向加在接觸器線圈上，產(chǎn)生正向激磁，使接觸器在線圈強激磁和永磁體強激磁的疊加下快速可靠吸合。

單片機程序在接觸器吸合結(jié)束后關(guān)閉高壓元件并通過控制回路3接通低壓吸持回路，完成永磁式智能交流接觸器直流低壓無聲節(jié)電吸持[10]。

接觸器分閘過程中，單片機接收到由過零電路檢測出A相負載電流已過零的信號后，關(guān)斷低壓部分的開關(guān)器件并開啟控制回路2中的高壓元件，令永磁式智能交流接觸器的三相異步觸頭結(jié)構(gòu)能夠在三相負載電流同時過零點的附近可靠分斷。整流電壓經(jīng)控制回路2再次反向加在接觸器線圈兩端使其反向激磁，進而產(chǎn)生與永磁力方向相反的可控電磁斥力，在電磁斥力以及非線性彈簧的彈簧反力疊加下完成永磁式智能交流接觸器的迅速分閘，從而有效地縮短分閘過程中觸頭電弧的燃弧時間，減小觸頭的燒蝕程度。單片機系統(tǒng)的控制流程圖如圖4所示。

圖4 永磁式智能交流接觸器單片機控制流程圖

2 永磁式智能交流接觸器的動態(tài)特性測試與分析

應用本研究室研制的基于單目視覺技術(shù)的智能交流接觸器三維動態(tài)測試裝置，對永磁式智能交流接觸器進行全方位的三維動態(tài)特性測試[11-13]。

2.1 測試特征點標記

以永磁式智能交流接觸器的首開相觸頭（A）、非首開相觸頭（B）和動鐵心（C）的三維運動過程為測試對象，用CAD繪制以白色為背景的黑色圓形特征標記點對測試對象進行正面和側(cè)面標記。這些特征標記點的運動過程可以代表剛體部件的運動過程，從而獲得準確有效的動態(tài)特性。永磁式智能交流接觸器的特征標記點如圖5所示。其中Z方向為接觸器的主運動方向，X、Y方向為非主運動方向。

圖5 永磁式智能交流接觸器特征標記點示意圖

2.2 永磁式智能交流接觸器合閘過程的動態(tài)測試與分析

如圖6所示，其中az表示首開相觸頭在z方向上的位移、zb表示非首開相觸頭在z方向上的位移，zc表示動鐵心在 z方向上的位移，i表示通過線圈的電流，u表示線圈兩端電壓，v表示動鐵心的運動速度。

圖6 合閘相角θ =0°永磁式智能交流接觸器吸合過程圖

線圈電磁力與永磁吸力帶動動鐵心部件（動鐵心、首開相觸頭、非首開相觸頭）開始向下運動，非首開相觸頭向下運動約6mm之后，觸頭閉合達到剛合點。首開相觸頭由于被墊高約4mm，在非首開相觸頭閉合之后，在電磁力的作用下繼續(xù)往下運動至10mm之后，觸頭閉合達到剛合點。首開相觸頭也閉合之后，動鐵心在電磁力的作用下拉伸觸頭彈簧繼續(xù)往下運動約 13.5mm之后達到剛合點，此時動鐵心的速度為最大值。動靜鐵心的碰撞使底部軟墊產(chǎn)生變形，動鐵心在達到剛合點之后仍向下運動了一段距離，受到阻力速度驟減，直到軟墊的變形達到極限值，隨著軟墊的復原，動鐵心又受力向上回彈，重復此振蕩運動至振幅為 0，軟墊無變形，動鐵心回到原剛合點。由圖6可知，首開相觸頭、非首開相觸頭和動鐵心觸動之后在主運動方向上的運動曲線并非完全一致，這是由于電磁電器的動作過程是極其復雜的，整個電磁系統(tǒng)與機械系統(tǒng)相互作用，受到各種參數(shù)的影響[14]。因此，通過對智能接觸器動態(tài)特性的測試與分析，可以更為直觀真實地反映其動態(tài)過程。

圖 7（a）、（b）、（c）分別為合閘相角θ =0°吸合過程時首開相觸頭、非首開相觸頭和動鐵心的三維運動曲線。 za、 zb、 zc分別表示首開相觸頭、非首開相觸頭和動鐵心在z方向的位移， xa、 xb、 xc分別表示首開相觸頭、非首開相觸頭和動鐵心在x方向的位移， ya、 yb、 yc分別表示首開相觸頭、非首開相觸頭和動鐵心在y方向的位移。

由圖7可知，永磁式智能交流接觸器的線圈正向上電后，動鐵心部件向下運動，首開相觸頭和非首開相觸頭的運動過程較為平穩(wěn)，觸頭閉合之后在z方向上的回彈也較小。在與靜鐵心產(chǎn)生碰撞之前，動鐵心的運動曲線也是呈平穩(wěn)上升的狀態(tài)，當動鐵心達到剛合點，也就是動、靜鐵心產(chǎn)生碰撞之后，動鐵心在 z方向上有一定的回彈。此外，動鐵心部件的配合間隙以及裝配產(chǎn)生的誤差，使接觸器在合閘過程中，非主運動方向即x、y方向上也有較小幅度的晃動。

圖7 合閘相角θ =0°永磁式智能交流接觸器位移特性曲線

2.3 永磁式智能交流接觸器分閘過程的動態(tài)測試與分析

圖 8為永磁式智能交流接觸器在相角θ =0°時依靠電磁反力分閘的動態(tài)特性曲線，圖9為依靠彈簧反力分閘的動態(tài)特性曲線。za、 zb、 zc分別表示首開相觸頭、非首開相觸頭和動鐵心在主運動方向 z方向上的位移。接觸器在分閘的過程中，動鐵心部件受到向上的力，動鐵心最先開始運動，運動一定距離后，被墊高的首開相和非首開相相繼彈開，當運動到頂部時動鐵心作減速運動仍會運動一段距離，受頂部塑殼及動鐵心自身變形影響，動鐵心有一定的回彈，振蕩至運動靜止。對比圖8和圖9可知，接觸器在電磁反力和彈簧反力共同作用下彈開較僅靠彈簧反力彈開時的受力更大，分斷速度更快，分斷時間更短，從而減少電弧的燃弧時間，降低觸頭燒蝕程度，延長接觸器的壽命[15]。

圖8 依靠電磁反力彈開永磁式智能交流接觸器分閘過程圖

圖9 依靠彈簧反力彈開永磁式智能交流接觸器分閘過程圖

3 結(jié)論

本文提出了一種新型的永磁式智能交流接觸器，重新設計其控制系統(tǒng)，并采用本研究室自主研究的基于單目視覺技術(shù)的智能交流接觸器的三維動態(tài)測試裝置對改造后的永磁式智能交流接觸器進行動態(tài)測試，得出以下結(jié)論：

1）永磁式智能交流接觸器可在非線性彈簧反力的作用下保證斷電常態(tài)分閘。

2）永磁式智能交流接觸器可在STM32單片機的控制下能夠克服彈簧反力穩(wěn)定合閘并低壓吸持，相比于傳統(tǒng)接觸器更為節(jié)能節(jié)材，且線圈在低壓條件下不易發(fā)熱燒毀，延長接觸器的使用壽命，減少接觸器的更換與維修。

3）永磁式智能交流接觸器的分閘可在彈簧反力和可控電磁反力的共同作用下快速完成，能夠有效縮短燃弧時間，延長觸頭壽命。

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The Realization and Analyze of Permanent Magnet Intelligent AC Contactor with Electromagnetic Controllable Force which Could Guarantee the Outage Opening

Chen Dewei Huang Yeyang Lv Baiqin Li Hongyang
(Mechanical Engineering Institute of Fuzhou University, Fuzhou 350002)

According to the principle of permanent magnet that the homopolar magnetic field’s repulsion and the heteropolar magnetic field’s attraction, and the very high accumulation of magnetic energy and coercivity of the NdFeB permanent magnet, this paper puts forward a design scheme of the new type of permanent magnet intelligent ac contactor which could guarantee the outage opening with electromagnetic controllable force, test and analyze the dynamic characteristics of the contactor. The analysis results showed that the contacts of this new type permanent magnet intelligent ac contactor can normally keep open in outrages, it can also realize fast closing and opening.

permanent magnet intelligent ac contactor；guarantee the outage opening；dynamic characteristics；test and analyze

陳德為（1962-），男，博士，教授，研究方向為電器智能化。