一種高可靠性輔助觸頭設計與驗證

陳偉剛

(北京人民電器廠有限公司，北京 102600)

一種高可靠性輔助觸頭設計與驗證

陳偉剛

(北京人民電器廠有限公司，北京 102600)

針對低壓電器輔助觸頭可靠性差的現狀，設計了一種雙觸點可橫向滑動的輔助觸頭。其雙觸點結構可以有效降低束流電阻；橫向滑動產生的滑動摩擦可以有效去除觸點表面臟物和氧化層，降低觸頭接觸的膜電阻。此外，對不同形式的觸橋進行了仿真分析，獲得了較優化的觸橋結構。實測結果驗證了高可靠性輔助觸頭可以有效提高小負載接通能力，從而為低壓電器中輔助觸頭組的設計和優化提供相應參考。

輔助觸頭 雙觸點 橫向滑動 可靠性 束流電阻 膜電阻

0 引言

低壓電器研發工作的主要目標是開發小尺寸、高性能的低壓電器和節能電器。為了實現低壓配電系統正常、安全的運行，還需要提高產品的可靠性[1-2]。

輔助觸頭是接在開關電器輔助電路中并由該開關電器用機械方式操作的一種觸頭。其作為低壓電器元器件的一個模塊，不僅要實現小型化，更要提高其可靠性[3]。

輔助觸頭組主要在控制電路中用作遠程控制，主要為全塑卡扣式裝配結構，動作形式為直動式運動結構[5]，動作特性可靠,機構靈活,產品設計緊湊。

輔助觸頭接觸壓力小、工作電流小，成為低壓電器可靠性的薄弱環節。以往研究多關注觸頭材料、形狀及觸頭彈簧的設計研究，雖然對塵土中典型成分的影響也有一些研究[6]，但對于如何更好地提高接通能力的研究較為少見。

1 輔助觸頭作用

輔助觸頭主要用于斷路器、接觸器等低壓電器的輔助電路中。輔助觸頭作為斷路器的附件及斷路器功能的派生補充，為斷路器增加了控制手段并擴大了保護功能，使斷路器的使用范圍更廣，保護功能更齊全，操作和安裝方式更多。因此，斷路器附件已成為斷路器不可分割的一個重要部分[7]。根據具體的控制線路和保護線路來合理地選用附件和觸頭組，以避免造成不必要的浪費，同時還要分清楚電壓等級、電流形式、輔助觸頭的對數等。輔助觸頭主要用于控制回路，顯示主回路狀態或傳輸信號[8]，所以輔助觸頭通過的電壓和電流都較小。

輔助觸頭與斷路器主電路分、合機構機械上聯動，主要用于斷路器分、合狀態的顯示[9]。此外，還用于與脫扣器連線，實現電氣聯鎖、自鎖等功能，控制主回路的接通和分斷[10]。

2 高可靠性輔助觸頭設計

2.1 高可靠性輔助觸頭結構設計

動、靜觸頭接觸，僅是在表面的突出點發生接觸，該處電流就產生集中現象，由此產生束流電阻Rc。觸頭在接觸中，表面產生的氧化膜附著層引起的是界面電阻(膜電阻)Rf[11]。接觸電阻為兩者之和。一般輔助觸頭的失效模式主要為接觸失效，主要是由于輔助觸頭燒損及氧化，使膜電阻Rf增大[12]。電流通過接觸電阻產生焦耳熱，是引起觸頭發熱的主要原因。同時，觸頭接觸電阻也會影響電壓及電流的接通能力。為了提高輔助觸頭接觸可靠性，需要降低觸頭接觸電阻。

降低觸頭接觸電阻需要從兩方面入手，即降低束流電阻和膜電阻。降低束流電阻的方式采用雙觸點形式，動觸頭采用雙觸點。雙觸點增加了接觸突出點的數量，可以有效增大動觸點與靜觸點的接觸面積，降低束流電阻。膜電阻是由于觸頭表面氧化層造成的，采用在觸頭支持上增設斜導軌的形式，使觸頭在上下運動時，在接觸到靜觸點或與靜觸點分開過程中，產生左右的橫向運動，從而使動觸點在接觸及分開過程中與靜觸點產生橫向的摩擦。摩擦可以有效地去除觸點表面的氧化層，這樣就在很大程度上降低了膜電阻。兩種方式結合，既降低了束流電阻，又降低了膜電阻，使動、靜觸點的接觸可靠性得到有效的提高。

新形式的高可靠性輔助觸頭如圖1所示，觸頭支持如圖2所示。

圖1 高可靠性輔助觸頭示意圖

圖2 觸頭支持示意圖

由圖1和圖2可以看出，觸點為雙觸點，雙觸點不僅提高了接觸面積，而且增大了短時過載承受能力。觸頭支持內側有傾斜導軌，使觸頭在上下移動的同時產生左右移動。示意圖示意的觸頭為一常開常閉結構，可以根據需求，適當加大觸頭支持，增設常開和常閉觸點。

2.2 高可靠性輔助觸頭工作原理

根據圖1所示，當輔助觸頭工作時，上側常閉觸點斷開，斷開過程中，由于觸頭彈簧的作用，使動觸點首先在靜觸點表面產生向左側的滑動，然后斷開。下側常開觸點的動觸點在接觸靜觸點后，觸頭支持還需要有一定的跟蹤，此時動觸點就會在靜觸點表面產生向右側的滑動。同理，常開觸頭分開及常閉觸頭閉合過程重復橫向滑動動作。此種結構形式可以有效地通過觸點表面的滑動去除觸點表面的贓物和氧化膜，減小膜電阻。此外，由于觸點表面的滑動作用，還可以加速觸點表面突出點的磨損，增大觸點表面接觸面積，從而有效降低束流電阻，提高輔助觸點的接通能力及接觸可靠性。

3 高可靠性輔助觸頭觸橋受力分析比較

現有結構輔助觸頭大部分都是采用單觸點結構，而觸橋有兩種形式，觸點的主要功能是接通和分斷電流，而觸橋才是真正受力零件。觸橋要給觸頭提供一定的終壓力，保證接通的可靠性。所以對觸橋結構進行必要的受力分析[13-14]，比較幾種結構及現有結構的優略。由于輔助觸頭用于控制回路，所以觸頭的最大終壓力也不是很大。分析結果只是為了比較各個結構對受力的承受能力，所以對三種結構中的受力分析均采用力值為3 N進行分析。材料全部設定為銅合金。

三種觸橋結構形式分別為：平板式觸橋結構、V型單觸點觸橋結構、V型雙觸點觸橋結構。分析結果顯示，觸橋的最大變形都發生在觸橋兩端，而等效應力的應力集中發生在固定觸頭的邊緣。三種觸橋結構的最大變形及最大等效應力如表1所示。

表1 不同觸橋結構受力分析

由以上三種受力分析可以看出，平板式觸橋結構強度最高，變形量最小，而且應力集中也最小。V型單觸點結構觸橋變形量大于平板式觸橋結構，而且應力集中遠大于平板式觸橋。所以單從單觸點形式的觸橋結構分析，平板式觸橋結構強度比V型觸橋結構好。

對于雙觸點結構的輔助觸頭，為了克服單側雙觸點接通一致性不好及兩個觸點不能夠可靠接觸的難題，需要降低觸橋結構剛性，從而能夠產生一定的變形。從受力分析中可以比較得出，V型觸橋結構的強度低于平板式觸橋結構，而且V型雙觸點觸橋的強度比單觸點的更低。所以，采用V型雙觸點觸橋結構作為高可靠性輔助觸頭的觸橋優于其他結構型式，能夠實現單側雙觸點的可靠接通。

4 試驗驗證及分析

從設計的角度、理論分析的結果及計算機仿真分析可以看出，新型輔助觸頭可以有效地提高接通能力及接觸可靠性，但是實際與理論分析還是存在一定的差距。所以對新型高可靠性輔助觸頭進行樣機試驗，從而驗證結構設計及理論分析的正確性。同時，證明新型高可靠性輔助觸頭的可實現性、可生產性及其實用性。分別對兩種輔助觸頭進行最小工作負載接通能力測試，測試結果如表2所示。

表2 接通能力比較

由表2可以看出，新型高可靠性輔助觸頭最小工作負載遠遠高出普通型輔助觸頭，說明高可靠性輔助觸頭接通能力得到了有效提高，能夠接通更小的工作電壓及電流。因此，新型高可靠性輔助觸頭可以有效接通更小的工作負載，提高了輔助觸頭的接通能力及接觸可靠性。

5 結束語

所設計的高可靠性輔助觸頭能夠有效地降低對接觸性能不利的束流電阻和膜電阻。其中，雙觸點結構有效降低了動、靜觸頭接觸的束流電阻，同時也提高了輔助觸頭的過載承受能力。而動觸頭在接通和分斷過程中沿靜觸頭表面的滑動，可以去除動觸頭和靜觸頭接觸表面的臟物和氧化層，從而有效降低了動、靜觸頭接觸的膜電阻。同時，動觸頭在靜觸頭表面的滑動，還可以加速觸頭表面突出點的磨損，增大觸頭表面的接觸面積，也起到了降低束流電阻的作用。

試驗驗證結果表明，新型高可靠性輔助觸頭的最小工作負載遠遠低于普通型輔助觸頭，能夠接通更小的工作負載，說明其接通能力得到有效提高，在正常應用過程中提高了接通的可靠性。因此，高可靠性輔助觸頭綜合性能得到了顯著提高， 從而為低壓電器中輔助觸頭組的設計和優化提供了理論基礎和試驗驗證。

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Design and Verification of the Auxiliary Contactor with High Reliability

Against the current status of the poor reliability of the auxiliary contactors in low voltage electric appliances, the auxiliary contactor with double contacts that can laterally sliding is designed. The structure of double contacts can effectively reduce the beam current resistance, and the lateral sliding friction can effectively eliminate the dirt and oxide layers on surface of the contacts to reduce the membrane resistance. In addition, the simulation analysis for different types of the contact bridges is carried out, thus better structure of the contact bridge is obtained. The test results verify that the high reliable auxiliary contactor can effectively enhance the making capacity for small load, this provides certain reference to the design and optimization of the auxiliary contactors in low voltage electric appliances.

Auxiliary contactor Double contacts Lateral sliding Reliability Beam current resistance Membrane resistance

TH122

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504011

修改稿收到日期：2014-09-03。

作者陳偉剛(1985-)，男，2010年畢業于華東交通大學機械制造及其自動化專業，獲碩士學位，工程師；主要從事智能接觸器、繼電器研發。