节能车用大功率预热继电器的改进

吴　刚

(中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)



节能车用大功率预热继电器的改进

吴刚

(中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

摘要：文章论述了节能车用大功率预热继电器的工作原理，重点介绍了电磁系统结构设计和热设计、增加了大电流分断/触点灭弧保护、改进触点材料优化触点结构形式。

关键词：工作原理；大电流分断/触点灭弧保护；触点材料

1引言

目前，柴油机汽车预热系统在国Ⅳ及以上标准的车上均需采用电加热，电加热预热方式将成为预热系统的发展趋势。该预热系统中的主要部件电加热器功率在1000W～3200W。因此，系统工作时的电流也很大，一般都在80A～150A左右。我所研制的车用大功率继电器能够在大功率负荷条件下工作，且有极高的可靠性。经试验验证做出改进后的车用预热继电器增加了产品电寿命，并在产品处于接近失效状态时，能够可靠地、主动地将继电器输出端在有效的时间范围内断开或直接失效，不造成任何其它的次生危害，使产品不存在任何安全性隐患。

2产品主要技术指标及性能特性

节能车用大功率预热继电器是电磁式直流大功率继电器，具体技术参数指标见表1。该产品可广泛应用于柴油发动机汽车预热控制系统、电动汽车及混合动力汽车电源切换、工业控制系统及自动化，如直流电机及直流负载控制及频繁开关切换等使用场合，符合国家新能源技术和节能减排等政策的要求。

表1　主要技术指标

3工作原理

节能车用大功率预热继电器是由输入控制电路、电磁系统、传动机构和输出接触系统四大部分组成，原理框图见图1所示，工作原理图如图2所示。其工作原理是：当输入控制电压加到输入端控制电路时，电磁系统部分的电磁铁动作，通过传动机构使主触点由断开状态转换为闭合状态，使继电器接通，接通外电路，并通过电磁力系统保持输出端接通状态；当施加在输入端控制电压去除时，电磁力消失，主触点靠弹簧等反力机构提供的反力由接通状态转换为断开状态，切断主回路。电磁继电器就是通过输入端的低电压小电流控制信号来实现输出端的高电压、大电流的接通、保持和切断负载回路的目的。

图1　节能车用大功率预热继电器电器原理框图

图2　节能车用大功率预热继电器工作原理图

4电磁系统结构设计和热设计

电磁继电器是一种复杂的机电元件，它将电能通过磁链变换成机械动作去推动电气触点。其工作性能及可靠性就取决于和应用及特性指标有关的各种设计参数的相互影响，要保证机械结构与电气特性曲线相匹配。当机械结构已经确定时，综合采用规定的环境条件、线圈回路状态、机械寿命要求和触点负载状态所能影响继电器性能的因素来评价，分析继电器的设计合理与否。

电磁继电器中触点一般有四种推动方式：(1)直接由拍合式衔铁推动；(2)多簧片的挠曲；(3)预张动簧片推动；(4)直接由螺线管推动等方式。当电磁式继电器的切换电流/功率上升到一定程度后，结合继电器的使用环境、技术参数指标、安装要求，以及适宜于大批量产业化生产的要求，最终确定了采用“直接由螺线管推动”的结构形式。

其主体电磁结构采用带有锥度极面的装甲螺管直动吸入式结构，动磁芯设计有较适宜的动作行程，保证动触点与静触点有合适的触点间距以及触点跟踪，既保证继电器能够可靠地分断、灭弧，又有适宜的触点压力，保证接触可靠。吸入式结构的主磁通和漏磁通都能够产生吸力，吸力大、吸持牢固、稳定可靠。动磁芯采用带有锥面的结构，继电器动磁芯在整个动作过程吸力平坦、均匀，减小触点闭合时的碰撞及增加接触的可靠性，使继电器的动态吸力特性和返力特性能够较易实现良好的配合，降低空气间隙与吸力特性的相关敏感性，易于实现产品的批量生产，满足继电器能够可靠工作、降低动作功率、减小动作时间、提高寿命等要求，同时也保证了在大空气间隙下也有满足要求的电磁力，以保证继电器可靠吸合。

如图3所示，在动磁芯下端磁路部分，由下挡铁构成正常工作磁路系统和由外壳构成的安全磁路系统。继电器正常工作时，经由下挡铁这一工作磁路正常循环；当在继电器寿命末期工作时，当触点接触压降大于300mV，发热量较大，动触点支架会产生热变形，逐步强制继电器使用由外壳构成的安全磁路系统，强制继电器向预设安全模式失效，大大降低了因触点继续恶化而粘连的故障可能性。

图3　电磁式预热继电器安全保护装置原理图

设计时，充分考虑到温度范围、振动、安装使用环境等环境条件对产品的各参数指标的影响，在综合分析评估的基础上，在产品结构设计部分进行环境温度、振动、绝缘电阻、介质耐压等指标参数设计；在输入控制电路和线圈部分进行线圈电压、电流、能耗、动作时间等电参数设计；在电磁系统部分进行吸合电压、释放电压、电磁吸力、动作行程等电磁参数设计；在接触系统部分进行接触电阻、额定负载电压、额定负载电流等接触系统和电气负载参数的设计。

由于电磁继电器较宽范围的输入电流及大电流负载，继电器在工作时会由于绕组及触点发热而升温，尤其是因触点间的接触电阻在大分断电流时产生的热引起的升温。根据环境温度范围和负载条件，在设计最大安全额定工作电压、线圈电流、线圈功耗时要考虑到：(1)线圈能承受规定寿命中所施加的持续发热累计时间的能力；(2)继电器其他结构零件如绝缘件、推动件和触点能承受一定温度的能力而又不损害继电器工作的性能；(3)继电器线圈和结构件产生的挥发性物质污染触点的可能性和对邻近零件的影响。与此同时，还要考虑到当电源电压降低到额定值的85%时，继电器依然能够可靠地工作。

按前面所述选择设计依据的原则并结合具体产品的要求，通过电路试验，利用计算机软件进行有限元仿真模拟分析，确定各结构部分的参数与尺寸，达到理想的最佳状态。

5大电流安全可靠分断/触点灭弧保护

对大电流分断技术而言，技术的难点就是灭弧。主触点在闭合和断开时，由于和静触点之间的间隙场强变化而造成空气的电离产生电弧。电弧的产生会造成触点局部高温而熔化，形成“电焊”现象，将动触点和静触点熔焊在一起，从而造成继电器失效，在使用过程中存在安全隐患。为降低电弧的危害程度及保护触点，使继电器能够可靠地分断切换负载的大电流，就必须设计采用特殊的结构和技术来消弧和灭弧，降低或消除电弧的产生和危害程度，延长触点的寿命；采用有拉开熔接触点能力的反力推动机构，电磁继电器分断的负载比较大，要求触点在闭合时有一定的触点压力和断开时有一定的断开距离，以及实现要求的分断、闭合速度要求，从而可靠地将大电流分断。构造类同迷宫式的灭弧室，同时保证适宜的触点开距，使触点在断开时能够迅速可靠地灭弧。

触点粘连失效后可能会对整机使用环境造成安全隐患，轻者烧毁附近的零部件，重者会起火烧毁整机。此外，还应有可靠的安全机构装置，或者采用鲁棒设计理念，产品设计有正常工作磁路和安全保护磁路两路磁路结构，利用磁通自动寻找最小磁阻的回路而构造磁路回路的特性，设计合理的两路磁路间隙和选择好触点支架材料耐温特性，使产品能够智能化判断自身的技术状态，当判断继电器处于接近失效状态时，能够可靠地、主动地将继电器输出端在有效的时间范围内断开或直接失效，不造成任何其它的次生危害，使产品不存在任何安全性隐患。

6触点材料及结构形式

触点的寿命和工作的可靠性与触点材料有很大的关系，电磁继电器触点的材料选用很讲究，材料选用得当，既经济可行，又可以延长触点的寿命，进而延长继电器的寿命。触点材料尽可能选用高导电、导热材料并搀和添加剂防止熔接，结合触点的结构形式的选择和使用，使触点的寿命最大化，进而使继电器的电气寿命最大化。

对于分断大电流的继电器，触点材料从性能上来说最优选用银氧化镉AgCdO材质。采用先进的烧结、挤压工艺，氧化镉质点弥散分布于银基体中，在电弧作用下，氧化镉剧烈分解、蒸发使触头表面冷却，起到降低电弧能量和熄弧的作用，从而使材料具有高的抗熔焊性、耐电磨损性及较低的接触电阻。由于银氧化镉材料中含有六价镉，具有毒性，不符合环保指令的要求，可采用银氧化锡AgSnO或银氧化锌AgZnO等含银氧化物代替。但是，由于这些材料都含有贵金属Ag,触点造价一般都比较高。

从零件的经济性和性能综合考虑，对目前市场上所使用的铜基合金材料进行试验研究，最终根据触点材质性能的优劣，选用了碲铜合金材质。碲铜合金触点是一种由含0.4%-0.7%碲和纯度高、塑性好的高导电性铜粉结合、精制而成的高导、易切削金属材料，具有极好的易切削性能和优良的导电性、热膨胀小、耐腐蚀性，高强度，高密度，高硬度，耐高温、耐电弧烧蚀、强度高，比重大，导电导热性好，易于加工，不含贵金属，产品性价比高。

碲铜触点环保无毒，符合欧盟RoSH环保要求，具有抗熔焊、耐电磨损性好，燃弧时间短，分断性能高、抗大电流冲击能力强的特点。在大分断电流条件下，具有更理想的抗电弧侵蚀能力，接触面材料热膨胀系数小，避免因触点材料的热胀冷缩差异的增大而形成接触电阻增大的现象，避免热磨损；在大接触压力情况下，比银基触点具有更高的耐机械磨损能力。

确定了触点材质后，为保证可靠地分断大电流及可靠地触点灭弧，触点的结构型式非常关键。如图4 节能车用大功率预热继电器结构图所示，触点系统采用“面线”的接触方式的双断点结构，静触点仅起到电连接的作用，动触点不仅起到电连接的作用，还起到触点灭弧的作用。小弯曲半径带引弧角的外形结构，使动触点在闭合时能够有一定的触点压力破坏触点表面的氧化膜而保证可靠的电连接，接触电阻小，触点在接通主电路时产生的热也减小，由触点引起的温升大大减小；而且弧形结构使触点在闭合和断开时产生的电弧沿切线方向释放，从触点转移到弧角的时间短，迫使电弧迅速离开触点进入灭弧室，弧根也迅速离开触头，使电弧快速熄灭，从而可靠的灭弧，延长动触点的电寿命，同时也大大减轻了对灭弧罩的破坏磨损。

具有弧形结构引弧角的动触点，不仅可以可靠地灭弧、低接触电阻，而且由于质量小，也提高了动触点系统的抗振动、抗冲击的能力，从而提高了环境适应能力。

7结束语

以上简要地论述了车用大功率预热继电器的工作原理和改进方案。研制的产品还没有批量生产和工程配套使用，在结构、工艺等方面还存在一些不足：(1)产品结构工艺性有待优化。根据产品适用于工程实际经验和反馈，产品的结构还有待于优化，产品零件加工工艺、装配工艺还需要按照大批量的汽车电子产品的要求进行改进优化，提升批量生产的质量水平。(2)触点负载范围有待提升。根据现有的技术研究内容，结合后期产品工程化使用反馈，以及整机要求的更新，触点的负载能力、电寿命等技术参数及产品的可靠性等方面还有很大的提升空间，这将是下一阶段的研究主要内容和研究目标。(3)产品的安装方式单一。针对产品使用的不同场合和用途，产品的安装形式也要多样化，以满足不同使用场合的安装要求，同时根据不同的安装结构要求，对产品的结构进行优化改进，形成系列化的货架式产品，满足不同行业不同用途用户的要求，提升产品的市场适应能力。

参考文献：

[1]QCT20695-2002,汽车通用继电器[S].

[2]GJB 1042A-2002,电磁继电器通用规范[S].

[3]低压电器设计手册.[M].周茂祥主编.机械工业出版社.1992年10月第1版.

Improvement of High-power Preheating

Relay for Energy-saving Motor

WU Gang

(No.40 Institute of CETC, Bengbu, Anhui 233010)

Abstract：The article discusses the working principle of high-power energy-saving motor preheating relay, and mainly introduces the structure design and thermal design, electromagnetic system increases the large current breaking/contact arcing protection, improvement of contact materials, optimizing the structure of contact form.

Keywords：working principle; large current breaking/contact arcing protection; contact materials

中图分类号：TN784

文献标识码：A

文章编号：1000-6133(2015)02-0025-04

Doi:10.3969/j.issn.1000-6133.2015.02.006

收稿日期：2015-01-20