一种高可靠性辅助触头设计与验证

陈伟刚

(北京人民电器厂有限公司，北京 102600)

一种高可靠性辅助触头设计与验证

陈伟刚

(北京人民电器厂有限公司，北京 102600)

针对低压电器辅助触头可靠性差的现状，设计了一种双触点可横向滑动的辅助触头。其双触点结构可以有效降低束流电阻；横向滑动产生的滑动摩擦可以有效去除触点表面脏物和氧化层，降低触头接触的膜电阻。此外，对不同形式的触桥进行了仿真分析，获得了较优化的触桥结构。实测结果验证了高可靠性辅助触头可以有效提高小负载接通能力，从而为低压电器中辅助触头组的设计和优化提供相应参考。

辅助触头 双触点 横向滑动 可靠性 束流电阻 膜电阻

0 引言

低压电器研发工作的主要目标是开发小尺寸、高性能的低压电器和节能电器。为了实现低压配电系统正常、安全的运行，还需要提高产品的可靠性[1-2]。

辅助触头是接在开关电器辅助电路中并由该开关电器用机械方式操作的一种触头。其作为低压电器元器件的一个模块，不仅要实现小型化，更要提高其可靠性[3]。

辅助触头组主要在控制电路中用作远程控制，主要为全塑卡扣式装配结构，动作形式为直动式运动结构[5]，动作特性可靠,机构灵活,产品设计紧凑。

辅助触头接触压力小、工作电流小，成为低压电器可靠性的薄弱环节。以往研究多关注触头材料、形状及触头弹簧的设计研究，虽然对尘土中典型成分的影响也有一些研究[6]，但对于如何更好地提高接通能力的研究较为少见。

1 辅助触头作用

辅助触头主要用于断路器、接触器等低压电器的辅助电路中。辅助触头作为断路器的附件及断路器功能的派生补充，为断路器增加了控制手段并扩大了保护功能，使断路器的使用范围更广，保护功能更齐全，操作和安装方式更多。因此，断路器附件已成为断路器不可分割的一个重要部分[7]。根据具体的控制线路和保护线路来合理地选用附件和触头组，以避免造成不必要的浪费，同时还要分清楚电压等级、电流形式、辅助触头的对数等。辅助触头主要用于控制回路，显示主回路状态或传输信号[8]，所以辅助触头通过的电压和电流都较小。

辅助触头与断路器主电路分、合机构机械上联动，主要用于断路器分、合状态的显示[9]。此外，还用于与脱扣器连线，实现电气联锁、自锁等功能，控制主回路的接通和分断[10]。

2 高可靠性辅助触头设计

2.1 高可靠性辅助触头结构设计

动、静触头接触，仅是在表面的突出点发生接触，该处电流就产生集中现象，由此产生束流电阻Rc。触头在接触中，表面产生的氧化膜附着层引起的是界面电阻(膜电阻)Rf[11]。接触电阻为两者之和。一般辅助触头的失效模式主要为接触失效，主要是由于辅助触头烧损及氧化，使膜电阻Rf增大[12]。电流通过接触电阻产生焦耳热，是引起触头发热的主要原因。同时，触头接触电阻也会影响电压及电流的接通能力。为了提高辅助触头接触可靠性，需要降低触头接触电阻。

降低触头接触电阻需要从两方面入手，即降低束流电阻和膜电阻。降低束流电阻的方式采用双触点形式，动触头采用双触点。双触点增加了接触突出点的数量，可以有效增大动触点与静触点的接触面积，降低束流电阻。膜电阻是由于触头表面氧化层造成的，采用在触头支持上增设斜导轨的形式，使触头在上下运动时，在接触到静触点或与静触点分开过程中，产生左右的横向运动，从而使动触点在接触及分开过程中与静触点产生横向的摩擦。摩擦可以有效地去除触点表面的氧化层，这样就在很大程度上降低了膜电阻。两种方式结合，既降低了束流电阻，又降低了膜电阻，使动、静触点的接触可靠性得到有效的提高。

新形式的高可靠性辅助触头如图1所示，触头支持如图2所示。

图1 高可靠性辅助触头示意图

图2 触头支持示意图

由图1和图2可以看出，触点为双触点，双触点不仅提高了接触面积，而且增大了短时过载承受能力。触头支持内侧有倾斜导轨，使触头在上下移动的同时产生左右移动。示意图示意的触头为一常开常闭结构，可以根据需求，适当加大触头支持，增设常开和常闭触点。

2.2 高可靠性辅助触头工作原理

根据图1所示，当辅助触头工作时，上侧常闭触点断开，断开过程中，由于触头弹簧的作用，使动触点首先在静触点表面产生向左侧的滑动，然后断开。下侧常开触点的动触点在接触静触点后，触头支持还需要有一定的跟踪，此时动触点就会在静触点表面产生向右侧的滑动。同理，常开触头分开及常闭触头闭合过程重复横向滑动动作。此种结构形式可以有效地通过触点表面的滑动去除触点表面的赃物和氧化膜，减小膜电阻。此外，由于触点表面的滑动作用，还可以加速触点表面突出点的磨损，增大触点表面接触面积，从而有效降低束流电阻，提高辅助触点的接通能力及接触可靠性。

3 高可靠性辅助触头触桥受力分析比较

现有结构辅助触头大部分都是采用单触点结构，而触桥有两种形式，触点的主要功能是接通和分断电流，而触桥才是真正受力零件。触桥要给触头提供一定的终压力，保证接通的可靠性。所以对触桥结构进行必要的受力分析[13-14]，比较几种结构及现有结构的优略。由于辅助触头用于控制回路，所以触头的最大终压力也不是很大。分析结果只是为了比较各个结构对受力的承受能力，所以对三种结构中的受力分析均采用力值为3 N进行分析。材料全部设定为铜合金。

三种触桥结构形式分别为：平板式触桥结构、V型单触点触桥结构、V型双触点触桥结构。分析结果显示，触桥的最大变形都发生在触桥两端，而等效应力的应力集中发生在固定触头的边缘。三种触桥结构的最大变形及最大等效应力如表1所示。

表1 不同触桥结构受力分析

由以上三种受力分析可以看出，平板式触桥结构强度最高，变形量最小，而且应力集中也最小。V型单触点结构触桥变形量大于平板式触桥结构，而且应力集中远大于平板式触桥。所以单从单触点形式的触桥结构分析，平板式触桥结构强度比V型触桥结构好。

对于双触点结构的辅助触头，为了克服单侧双触点接通一致性不好及两个触点不能够可靠接触的难题，需要降低触桥结构刚性，从而能够产生一定的变形。从受力分析中可以比较得出，V型触桥结构的强度低于平板式触桥结构，而且V型双触点触桥的强度比单触点的更低。所以，采用V型双触点触桥结构作为高可靠性辅助触头的触桥优于其他结构型式，能够实现单侧双触点的可靠接通。

4 试验验证及分析

从设计的角度、理论分析的结果及计算机仿真分析可以看出，新型辅助触头可以有效地提高接通能力及接触可靠性，但是实际与理论分析还是存在一定的差距。所以对新型高可靠性辅助触头进行样机试验，从而验证结构设计及理论分析的正确性。同时，证明新型高可靠性辅助触头的可实现性、可生产性及其实用性。分别对两种辅助触头进行最小工作负载接通能力测试，测试结果如表2所示。

表2 接通能力比较

由表2可以看出，新型高可靠性辅助触头最小工作负载远远高出普通型辅助触头，说明高可靠性辅助触头接通能力得到了有效提高，能够接通更小的工作电压及电流。因此，新型高可靠性辅助触头可以有效接通更小的工作负载，提高了辅助触头的接通能力及接触可靠性。

5 结束语

所设计的高可靠性辅助触头能够有效地降低对接触性能不利的束流电阻和膜电阻。其中，双触点结构有效降低了动、静触头接触的束流电阻，同时也提高了辅助触头的过载承受能力。而动触头在接通和分断过程中沿静触头表面的滑动，可以去除动触头和静触头接触表面的脏物和氧化层，从而有效降低了动、静触头接触的膜电阻。同时，动触头在静触头表面的滑动，还可以加速触头表面突出点的磨损，增大触头表面的接触面积，也起到了降低束流电阻的作用。

试验验证结果表明，新型高可靠性辅助触头的最小工作负载远远低于普通型辅助触头，能够接通更小的工作负载，说明其接通能力得到有效提高，在正常应用过程中提高了接通的可靠性。因此，高可靠性辅助触头综合性能得到了显著提高， 从而为低压电器中辅助触头组的设计和优化提供了理论基础和试验验证。

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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。

作者陈伟刚(1985-)，男，2010年毕业于华东交通大学机械制造及其自动化专业，获硕士学位，工程师；主要从事智能接触器、继电器研发。