一種電磁旁路開關的結構設計

李國強，肖 斌，王建雄，林 海

(貴州振華電器群英電器有限公司，貴州貴陽，550018)

1 引言

近年來，隨著我國航天事業的快速發展，眾多各種功能衛星在太空運行，在國民經濟和社會發展中發揮著重要作用。衛星在軌道執行任務時通常通過儲能電池組來維持衛星的正常工作，當其中一個電池發生故障時，儲能電池上并聯的旁路開關觸發將故障電池從電池組回路中切除，從而保證整個電池組的可靠供電。

2 旁路開關國內外現狀

目前，國內外旁路開關多通過導電熔絲和分離塊組合控制來實現旁路開關的觸發并實現電氣切換，而引出端接觸環采用高彈性支撐帶或若干個高導電性的導電排構成來實現電接觸，這類旁路開關在制造以及使用時存在以下不足：

1)引出端接觸環，采用高彈性支撐帶或若干導電排，電接觸時擠壓變形量小，零件的加工精度高、裝配工藝要求高，一致性控制困難；

2)觸發部分通過在分離塊上纏繞線絲和固定導電熔絲，纏繞力不易控制，導電熔絲張緊力不好控制，受高低溫環境溫度影響大，且抗振能力不足；

3)觸發時，分離塊導電熔絲通電受熱斷開，分離塊限位解除觸發，此過程為不可逆，旁路開關為一次性使用，不可重復使用。

3 電磁旁路開關設計

電磁旁路開關是在現有旁路開關總體結構的基礎上進行改進設計，同時借鑒了現有旁路開關存在的不足之處。使電磁旁路開關應易于裝配，一致性好，環境適應性強、抗振性能高，且可多次重復使用。

3.1 總體設計方案

電磁旁路開關設計主要是結構設計，總體結構見圖1，包括三大部分：接觸系統設計、鎖緊機構設計和電磁系統設計，通過軸向裝配組裝在一起。鎖緊機構主要是保持接觸系統輸出狀態；電磁系統設計主要是觸發改變鎖緊機構狀態，實現接觸系統輸出切換；接觸系統保證輸出端供電持續以及轉換輸出供電持續性。

旁路開關接線關系如圖2所示，旁路開關初始狀態如圖1a)所示，引出端1與引出端2通過插針導通，引出端2上的電池處于供電狀態，當電池供電系統檢測到引出端2上的電池出現故障時，電磁線圈接收電池電源控制系統指令觸發切換，插針發生軸向運動，引出端1與引出端2斷開，旁路掉了引出端2上的電池，同時引出端1與引出端3導通，啟用引出端3上的電池，保證衛星正常供電, 旁路開關觸發后狀態如圖1b)所示。

a)電磁旁路開關初始狀態

圖2 電磁旁路開關接線關系

3.2 接觸系統的設計

電磁旁路開關接觸系統如圖3所示。它主要由插針、引出端1、引出端2、引出端3以及絕緣外殼等組成，插針在軸向上運動來實現旁路開關的切換。

圖3 接觸系統結構示意圖

各引出端(1、2、3)均由導電座、接觸彈簧指、固定彈簧組成，如圖4所示。初始狀態，插針壓縮引出端1和引出端2接觸彈簧指，實現引出端1與引出端2的電接觸，使引出端1與引出端2導通輸出；當線圈通電，插針軸向運動，插針釋放引出端2接觸彈簧指，壓縮引出端3接觸彈簧指，引出端1與引出端2斷開，引出端1與引出端3導通實現切換輸出。

插針與各引出端(1、2、3)之間通過壓縮接觸彈簧指來實現電接觸，多點接觸溫升低，接觸可靠，接觸彈簧指可壓縮量大，電磁旁路開關軸向裝配易于保障，零件制造精度和裝配工藝要求不高，一致性易于保障。

圖4 引出端和插針結構示意圖

3.3 鎖緊機構的設計

電磁旁路開關鎖緊機構如圖5所示。它主要由金屬外殼、鎖緊套、彈簧、鋼球、解鎖桿以及限位套等組成。金屬外殼固定連接鎖緊機構并連接電磁系統與接觸系統，鎖緊套外圓面上裝配限位套，限位套壓縮彈簧，限位套被解鎖桿抬起的鋼球和鎖緊套卡住，彈簧無法釋放，保持限位套處于鎖緊狀態，接觸系統插針接通引出端1和引出端2，使旁路開關處于初始狀態。當電磁旁路開關線圈通電，解鎖桿被電磁機構拉動鋼球落在解鎖桿的“V”字槽內，限位套約束解除、彈簧釋放，限位套處于解鎖狀態，插針狀態發生變化，旁路開關輸出狀態改變(觸發后狀態)，引出端1與引出端3導通。

鎖緊機構通過解鎖桿以及解鎖桿上的“V”字槽、鋼球、鎖緊套，使限位套處于鎖緊狀態或者解鎖狀態，解鎖桿、鎖緊套、限位套以及鋼球做相應的硬化處理，就可以保證該機構重復使用。

圖5 鎖緊機構結構示意圖

3.4 電磁系統設計

電磁旁路開關電磁系統如圖6所示主要由底罩、軛鐵、線圈、底蓋、下靜鐵心、上靜鐵心、動鐵心以及線圈引出端等組成。底罩和底蓋用于固定電磁系統；軛鐵、下靜鐵心、動鐵心、上靜鐵心、線圈構成磁路系統。旁路開關初始狀態，動鐵心與上靜鐵心保持閉合，鎖緊機構限位套處于鎖緊狀態，接觸系統插針導通引出端1與引出端2；當給線圈通電時，動鐵心與下靜鐵心閉合，帶動解鎖桿使限位套解鎖，接觸系統插針發生狀態改變，旁路開關輸出狀態改變(觸發后狀態)，引出端1與引出端3導通。

圖6 電磁系統結構示意圖

電磁系統受溫度影響相對小，匹配合適的保持吸力即可滿足不同的抗振力學性能要求，抗振效果更好。

3.5 電磁旁路開關的復位

電磁旁路開關的復位如圖7所示，將外力機構通過插針內的復位螺紋進行連接，施加軸向外拉力作用在插針上，限位套壓縮彈簧，同時給線圈施加反向電壓，動鐵心與上靜鐵心閉合，解鎖桿推動鋼球運動離開"V"字槽，被抬起的鋼球卡住限位套，旁路開關回復到初始狀態。

圖7 電磁旁路開關復位示意圖

電磁旁路開關通過復位設計，旁路開關可進行多次測試及使用，旁路開關觸發和復位均為可逆，使用戶裝置系統中使用更方便、更可靠，成本更低。

4 結束語

綜上所述，本文通過對比國內外旁路開關現有結構設計上存在的一些不足以，同時在現有旁路開關基礎上創新設計電磁旁路開關，并簡單介紹了該電磁旁路開關的結構特點，電磁旁路開關具有結構簡單、易于裝配、環境適應性高、抗振能力強，可重復多次使用等優點。