直流接觸器的觸頭系統設計

摘要：本設計以CZ0型直流接觸器為參照，設計一臺額定電流為100A的直流接觸器的觸頭系統。直流接觸器的主要原理：電磁線圈通電，銜鐵和鐵芯吸合，電磁系統的吸力克服彈簧的反作用力帶動動觸頭與靜觸頭接觸，主電路接通；電磁線圈斷電，彈簧的反作用力帶動銜鐵和動觸頭分開，觸頭斷開產生的電弧在滅弧室中受到磁吹滅弧和電動力驅動被拉長，并強烈冷卻去游離而熄滅，主電路被切斷。一臺接觸器的設計應包括三部分：觸頭系統的設計、電磁系統的設計、滅弧系統的設計。本次只研究直流接觸器的觸頭系統的設計過程。

關鍵詞：直流接觸器 電接觸 觸頭

1 概述

直流接觸器主要用于遠距離接通和分斷直流電路以及頻繁的使直流電動機起動、停止、反轉和反接制動。雖然，直流接觸器沒有交流接觸器的用途廣泛，但它還是有它獨到的特點和用途，并且在世界范圍內的低壓電器產品中占有重要的地位和發揮重要的作用。

1.1 觸頭系統的設計要點：①使用可靠，即能可靠地分合電路；②耐磨性好，即耐機械磨損和電磨損，壽命長；③具有足夠的電動穩定性和熱穩定性；④工藝性和經濟性好，即加工容易，有色金屬使用少，成本低，維修方便。

1.2觸頭系統的設計程序

1.2.1 選型 選型原則：①使用條件適合我國自然條件，即符合JB2455-85標準中規定的使用條件；②提高壽命，即電壽命和機械壽命符合要求；③減小外形尺寸和重量；④加工工藝性好，材料利用率高，貴金屬消耗少；⑤使用方便且安全可靠。

1.2.2 觸頭系統的設計程序 觸頭系統的設計程序如下：①確定觸頭參數；②確定觸頭尺寸；③校驗熱穩定性；④校驗觸頭溫升；⑤校驗電動穩定性。

2電接觸及滅弧工作原理

觸頭是一切有觸點電器的執行部件，一般電器就是通過觸頭的動作來接通或斷開電路的。因此，觸頭工作的好壞會直接影響到整個電器工作性能的優劣。觸頭的工作情況有三種：①閉合狀態；②分斷過程；③接通過程。

2.1觸頭在閉合狀態下的工作（電接觸基本原理） 由于金屬表面即使加工得十分光潔，也不可能是理想的光滑表面，在光學儀器下面仔細觀察，兩接觸面總是凹凸不平的，只有少數的點才真正接觸上，因此，電流僅從兩觸頭間的極少數接觸點流過。既然真正接觸的區域是幾個斑點，比理想接觸表面小得多，這就使得觸頭接觸處的電阻特別大。另外，金屬在空氣中不免要氧化或硫化，在表面生成一層很薄的氧化膜或硫化膜，而后者的電阻率比金屬本體的電阻率要大得多，這也使得觸頭接觸處的電阻增大。這樣，在觸頭接觸處就形成了所謂的接觸電阻，它會使觸頭的損耗增大，溫升升高，因此接觸電阻是有害的，然而又是不可避免的。根據實驗研究，觸頭間的接觸電阻為：Rj=K/(9.8F)a

式中：F為觸頭間的接觸壓力（N）；a為與接觸形式有關的指數，點接觸時a=0.5、面接觸時a=1、線接觸時a=0.7；K為與材料的物理性質以及接觸表面狀況有關的系數（Ω·kg）。

影響觸頭接觸電阻的因素有：①接觸壓力；②觸頭材料的電阻率；③觸頭材料的機械性能；④接觸形式；⑤接觸表面狀況。

接觸電阻增大會使觸頭溫度升高，而溫度升高反過來又會使觸頭表面氧化加劇，以致形成惡性循環。因此，對觸頭的容許溫度一般都有規定。在使用中，應經常據此規定檢查觸頭溫度，不使其過高，否則會造成事故。

2.2觸頭在接通過程中的工作 在觸頭的接通過程中，經常發生機械振動，即運動部分的彈跳，也就是閉合——分離——再閉合過程中的重復。除機械碰撞外，觸頭接觸時電流產生的電動力也能導致觸頭振動，特別是當接通較大的電流時，電動力的影響更加顯著。

觸頭的電氣磨損會使電器使用期縮短，而觸頭的熔焊則使電器工作不可靠。為了降低觸頭的電氣磨損和防止觸頭發生熔焊，最有效的辦法還是減小和消除觸頭的振動。

2.3 觸頭在分斷過程中的工作 兩個觸頭之間的接觸，從本質上來說是許多個點的接觸，因此在分斷時最終要出現只在少數幾個點有接觸的現象。這時，在這些點的電流密度相當大，致使接觸點開始熔化，并隨著觸頭的互相分離形成熔化了的高溫金屬液橋。一旦觸頭完全分開，金屬液橋就拉斷，而斷開處立即產生電弧。這是由于在觸頭間隙中產生了大量的帶電粒子——正負離子和電子，終于使氣體導電形成了熾熱的電弧。

2.4 觸頭的工作參數

2.4.1 觸頭開距（即觸頭行程） 觸頭開距是指觸頭在完全斷開位置時動靜觸頭間的距離。它是動靜觸頭為斷開電弧所需的最小間距。觸頭開距既不可過小，也不宜過大，其數值應隨具體要求來定。一旦確定之后，使用中就不宜輕易改變它，因為它一般是不允許調整的。

2.4.2 觸頭超程 觸頭超程是指當觸頭在閉合位置時，將靜觸頭移開，動觸頭能移動的距離。這是保證觸頭在其壽命終結之前仍能可靠地接觸所必需的。超程在工作中不斷地減小，習慣上認為當超程減小到原來的1/3以下時，觸頭便不宜繼續工作。

2.5 觸頭材料的選用 作為直流接觸器的觸點材料應滿足如下要求：電壽命高；抗熔焊性好；具有穩定的接觸電阻；耐機械磨損；散熱性好；加工方便及價廉。雙斷點的觸點材料多采用銀或銀基材料，單斷點的觸點材料多采用銅、銅鎘材料。靜觸座和動觸座材料一般多采用紫銅或黃銅材料沖壓而成。

3觸頭系統設計

3.1確定觸頭參數 主觸頭開距β1=6mm，超程r1=3mm；輔助觸頭開距β2=4mm，超程r2=3mm；主觸頭初壓力F1o=16N，終壓力F1z=22N；輔助觸頭初壓力F2o=1N，終壓力F2z=1.2N。

3.2觸頭尺寸

3.2.1采用橋式雙斷點觸頭，材料選用銀——氧化鎘。

3.2.2選用觸頭尺寸：選用矩形觸頭，動、靜觸頭均為10×8mm，觸頭厚度取超程的0.6～1倍，我取主觸頭厚度d1=0.8×r1=0.8×3mm=2.4mm，輔助觸頭厚度d2=0.8×r2=0.8×3mm=2.4mm。

3.2.3選用錫青銅帶QSn6.5-0.1作觸橋，它具有較好的高溫性能和較高的機械強度。

3.2.4周圍環境溫度取40℃，則允許溫度Qmax=100℃，發熱電流Ith=45A。

3.2.5觸頭座截面按電流密度j=2～5A/mm2選取，取為2.25A/ mm2，則截面S=Ith/j=45/2.25=20mm2，考慮機械強度等因素，觸橋的寬度和厚度分別為b=10mm，a=2mm(滿足觸頭厚度約為0.6～1.2倍超程)。

3.3觸頭熱穩定性的校驗

用牛頓公式對觸橋進行溫升驗算：τ=Ith2R1/KTSl

式中R1——導體電阻，R1=ρ0(1+αTθ)(Ω)；KT——表面綜合傳熱系數，取KT=10×10-4，W/（cm2·℃）；θ——導體發熱允許溫升，τ=60℃；l——導體長度（cm）；S——導體截面周長（cm）。

所以，τ=Ith2ρ0(1+αTθ)/2KTab(a+b)

式中ρ0——0℃時導體的電阻率，取ρ0=1.28×10-5Ω·cm；αT——電阻的溫度系數，αT=0.0005/℃。把以上數據代入后得τ=54.3℃。小于允許溫升60℃，觸橋溫升驗算合格！為簡化計算，假設熱穩定試驗在絕熱條件下進行。

It2·t=γCS2ln[(1+αTθk)/（1+αTθ）]/(ρ0kjkeαT)

式中It——熱穩定電流，It=8Ie=800A；t——熱穩定時間，t=10s；γ——材料比重，γ=8.8g/cm3；C——材料比熱，C=0.38J/（g·℃）；θk——材料在短時工作時的允許發熱溫度，θk=350℃；kj——集膚效應系數，kj=1；ke——鄰近效應系數，ke=1。

所以，It2·t=2349160J

∴It=480A﹤800A，因此觸橋熱穩定合格！

3.4 觸頭溫升的驗算

3.4.1 聯接導線溫升的計算Ith=45A，S=20·10-2cm2，ρ=2.1·10-6Ω·cm，KT=10·10-4W/(cm2·℃)，連接導體周長l=2.4cm。

由式τwd=Ith2ρ/KTlS=9℃

3.4.2 觸頭溫升的計算：觸頭表面狀態銀—氧化鎘按未氧化計算。

由公式Rj=Kj/(9.8F)a

式中F——觸頭接觸壓力（N）；Rj——接觸電阻（Ω）；a——觸頭接觸系數；面面接觸觸頭取a=1；Kj——觸頭材料、表面狀態系數；銀——氧化鎘（未氧化）接觸觸頭取Kj=170，觸頭材料銀—氧化鎘的軟化壓降Ujr=0.09V，觸頭接觸壓降Ujy=（1/3～1/2） Ujr=0.03V

接觸電阻：Rj=Ujy/Ie=0.03/100=0.0003Ω

由F=9.8（Kj/Rj）=5.6N (此處Rj的單位是μΩ)

滿足接觸器觸頭減少機械磨損和電磨損的原則，在F/Ie=0.04—0.15N/A。

3.4.3 計算接觸板端部溫升

取銅導體的熱導率λ=3.9W/（cm·℃），接觸板的電阻率ρ=1.75·10-6Ω·cm。

τjm=τjd+（Ujy2/8λρ）=40.5+16.5=57℃

小于接線端允許溫升65℃，因此接線端溫升合格！

3.5 觸頭的電動穩定性的校驗 觸頭閉合時，電流線在實際接觸點附近產生強烈收縮，由于電流從動觸頭流到靜觸頭時，有些電流線幾乎是相互平行的，而且電流方向相反，從而產生觸頭間相互排斥之力，即收縮電動力，力的大小與電流平方成反比，常用下列公式計算：

Fd=10-7I2lnS/S0

式中Fd——收縮電動力（N）；S——觸頭的視在接觸面積（cm2），S=0.2·10-2cm2；S0——觸頭的實際接觸面積（cm2）；I——10倍額定電流（A）。

當收縮電動力超過觸頭壓力時，觸頭會分開并產生電弧，然而電弧電阻使電流減小，收縮電動力隨之減小，觸頭又閉合，然后又被電動力斥開，從而導致觸頭損壞或熔焊。觸頭承受短路電流所產生的電動力而不致損壞的能力，稱為觸頭的電動穩定性，以動穩定電流表示。當觸頭通過動穩定電流時，收縮電動力及回路電動力的代數和，若小于觸頭接觸壓力，不會使觸頭分開，則觸頭的動穩定性合格。

取S0=0.3·10-4cm2，計算得：Fd=0.42N≤觸頭接觸壓力2.8N，故觸頭的電動穩定性合格！

4 結束語

直流接觸器的工作壽命取決于其觸頭的壽命（包括機械壽命及電壽命），故觸頭系統設計的好壞直接影響直流接觸器的使用，因此，正確的觸頭結構設計、合理選用觸頭材料和采用先進的觸頭制造工藝，來增加觸頭系統的耐磨損、抗熔焊性能，提高其工作壽命，以期達到國家標準對直流接觸器的工作壽命的要求。

提高機械壽命的措施有：①力的傳動零部件應具有足夠的強度，盡量避免加工時應力集中的薄弱環節；②大、中容量的動觸頭與弧角分為雙體，從而減輕動觸頭的質量；③盡量減小輔助觸頭的沖擊力。

提高電壽命的措施有：①合理選用觸頭初壓力；②適當選用彈性系數較高材料做主觸頭彈簧；③增大觸頭的寬度；④選用耐磨損、抗熔焊的觸點材料。

參考文獻：

[1]低壓電器/馬鏡澄等編.—北京：兵器工業出版社.1993.6.

[2]低壓電器.西安交通大學.方鴻發主編.機械工業出版社.1992.8.

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