熱雙金屬材料在斷路器中的設(shè)計與應(yīng)用

摘要：斷路器主要用于航天、航空、船舶、機車、電子等設(shè)備，起過流、過熱、短路、欠壓、漏電等保護作用，在故障電流燒毀設(shè)備前自動切斷電源，則可以實現(xiàn)這些功能主要是通過熱雙金屬材料進行控制。熱雙金屬材料具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工藝成熟、可靠耐用等特點，成為當前應(yīng)用比較廣泛的控制原材料之一。

關(guān)鍵詞：特殊熱雙金屬；斷路器；設(shè)計與應(yīng)用

本文闡述的熱雙金屬材料在斷路器中的設(shè)計與應(yīng)用是指根據(jù)熱雙金屬片溫曲率、電阻率及線性溫度等特性，合理選取熱雙金屬片材料牌號，匹配斷路器過流時的機構(gòu)阻力與雙金屬片彎曲推力大小、推動行程與傳動機構(gòu)配合距離，實現(xiàn)斷路器在健康電路狀態(tài)下可靠供電及故障電路過流時可靠脫扣切斷電源功能。

1、特殊型熱雙金屬材料的原理

熱雙金屬材料是通過兩種或幾種技術(shù)性能相符的材料加工制造生產(chǎn)出的復合材料。因為復合材料各材料之間的膨脹系數(shù)不同，膨脹系數(shù)較高的稱之為主動層，膨脹系數(shù)低的稱之為被動層。雙金屬材料通電發(fā)熱時，主動層膨脹系數(shù)大于被動層膨脹系數(shù)，從而使得雙金屬往被動層一測彎曲，產(chǎn)生熱推力及推動行程。

2、特殊型熱雙金屬材料在斷路器中的設(shè)計與應(yīng)用

2.1斷路器的功能原理

穩(wěn)定運行過程：斷路器接通設(shè)備電源，雙金屬材料在電流的作用下產(chǎn)生熱變形，當電流在110%以下的額定電流時，雙金屬片的電熱彎曲撓度，不足以推動斷路器鎖定機構(gòu)解鎖，斷路器保持接通，處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，過流或短路保護過程：當流過雙金屬材料的電流超出標稱值110%時，雙金屬材料彎曲撓度隨著電流的增加而增大，當雙金屬材料的彎曲撓度達到斷路器的設(shè)定值時，雙金屬材料在一定時間內(nèi)彎曲推動斷路器鎖定機構(gòu)解鎖，切斷故障電源。

2.1熱雙金屬材料結(jié)構(gòu)模式設(shè)計

熱雙金屬片用于斷路器脫扣器中，最重要的兩個參數(shù)為：熱雙金屬片的撓度及雙金屬片的形變推力。這兩個數(shù)值決定了斷路器能否在規(guī)定的電流值下精確斷開設(shè)備電源。我們在設(shè)計斷路器的脫扣器時，一般結(jié)構(gòu)模試為：

直片式單支梁結(jié)構(gòu)：此種結(jié)構(gòu)脫扣器，性能穩(wěn)定，零件形狀態(tài)容易加工，且尺寸精度容易保證，但直片式單支梁結(jié)構(gòu)脫扣器在小電流及微電流作用下形變撓度過小，但形變推力過小，實用于大電流結(jié)構(gòu)斷路器；

雙支梁結(jié)構(gòu)：是平行的兩個單支梁串聯(lián)而成，在不必變形變量的前提下，成倍增加形變推力，實用于小電流結(jié)構(gòu)斷路器；

回旋結(jié)構(gòu)脫扣器：此種脫扣器由旋轉(zhuǎn)而成的熱雙屬材料構(gòu)成，材料片體厚度很薄，在微電流的作用下可得到較大的形變推力及形變撓度，是微形電流斷路器的最佳結(jié)構(gòu)。

單支梁脫扣器推力計算：

單支梁脫扣器撓度計算：

K---材料比彎曲值

E---材料彈性模量

b---脫扣器寬度

e---為材料厚度

L---脫扣器長度

--溫升

2.2熱雙金屬材料的應(yīng)用

對于特殊熱雙金屬的組件材料的選擇，應(yīng)考慮材料成分，使用溫度范圍、線性溫度和極限溫度范圍，材料的電阻率、溫曲率、比熱及彈性模量，并結(jié)合斷路器結(jié)構(gòu)及電流規(guī)格，合理的設(shè)計熱雙金屬材料驅(qū)動片結(jié)構(gòu)模式。當電路中出現(xiàn)過載電流時，過載脫扣器中的熱雙金屬受熱彎曲，推動牽引桿運動，達到規(guī)定時間后操作機構(gòu)脫扣，將電路切斷。雙金屬通電部分的功率占整個回路電阻的比例越高，也就越有利于熱脫扣性能的穩(wěn)定實現(xiàn)。當元件通電部分的電阻占產(chǎn)品總電阻50%以上時，符合標準要求的熱脫扣特性最容易實現(xiàn)，也就是說，21n與1.151m和1.38lm之間的對應(yīng)關(guān)系非常穩(wěn)定，原因是雙金屬在工作時受到其他部件發(fā)熱的影響比較小。但額定電流較大的規(guī)格，由于產(chǎn)品各部分溫升的原因，限制了雙金屬的允許電阻，因此，合理選用材料性能、規(guī)格及尺寸變得極為重要。在此我們對雙金屬元件進行了優(yōu)化設(shè)計，降低成本并提高1.151/1.38lm動作穩(wěn)定性，同時降低2In的調(diào)整難度，大幅提高產(chǎn)品熱脫扣性能穩(wěn)定性。

1）選用熱雙金屬時首先考慮產(chǎn)品的工作溫度范圍。

根據(jù)產(chǎn)品的工作溫度范圍考慮熱敏元件承受最大溫度所需動作產(chǎn)生的力和轉(zhuǎn)矩；元件動作極限的高溫和低溫點；元件加靜載；空間容積；元件承受電流。

2）考慮雙金屬的比彎曲和彈性模量、電阻率、使用溫度范圍。

①比彎曲：比彎曲是材料的熱彎曲敏感特性指標，該數(shù)值越大，熱敏感性越高。按GB4461-2007、美國ASTM、德國DIN1715等標準規(guī)定，比彎曲的測量范圍為室溫～130℃。在我們設(shè)計中，雙金屬的使用溫度最高可達200℃以上，因此，設(shè)計時采用最大比彎曲值。這些數(shù)據(jù)目前僅能在材料生產(chǎn)商的手冊中獲得。

②電阻率：電阻率p是雙金屬物理性能的重要指標，單位為Q-m。該性能直接影響雙金屬在產(chǎn)品中的發(fā)熱量以及雙金屬元件的溫升，從而影響熱脫扣動作。采用使用溫度下的電阻率。

③彈性模量：是計算雙金屬動作力的關(guān)鍵參數(shù)，該指標直接影響到雙金屬的動作力做功效率以及成本等，要求彈性模量不小于15200MPa。

④變換雙金屬材料或形狀。雙金屬通過電流時發(fā)熱，選擇電阻高的雙金屬會產(chǎn)生更多的熱，使熱保護器的動作時間變短，最小動作電流變小。雙金屬的電阻受電阻率高低、形狀的大小及厚度影響。為此，選用進口的電阻型熱雙金屬材料，該材料由一層高導電金屬制成的中間層與雙金屬組元牢固的結(jié)合在一起制成，通過改變中間層的厚度比調(diào)整其電阻。

⑤斷路器熱脫扣機構(gòu)脫扣力一般為08～1.0N。設(shè)計時雙金屬除需滿足一定的位移外，在1451m時產(chǎn)生的力也應(yīng)滿足機構(gòu)脫扣力的要求。由于機構(gòu)動作力和位移重復性存在一定誤差，會導致斷路器2.55lm快速熱脫扣時間的不穩(wěn)定，我們必須利用雙金屬可能產(chǎn)生的最大推力的25.0%～3.3%。在設(shè)計時使用平均溫度進行計算，脫扣力Fml/4-0.83N，滿足機構(gòu)脫扣力的要求。

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作者簡介：蒙進喜（1989-），男，壯族，貴州省凱里市人，貴州振華華聯(lián)電子有限公司，控電器件事業(yè)部，研究方向：斷路器、開關(guān)研究設(shè)計。