一种高压直流接触器的设计

辜飞　胡凤生　李杰

摘 要：随着科学技术的大力发展，尤其在新能源发展可以说是日新月异，对新能源高压直流接触器的应用需求越来越多。如电动汽车、充电桩、太阳能发电、航空航天及铁道交通领域都得到广泛应用。本文主要介绍一种高压直流接触器，用于高压电源分配管理系统，其作用切换高电压大电流负载，具有分断电流大、带载能力强、体积小、质量轻等特点，但如何设计好一款高压直流接触器显得至关重要，本文从电磁系统设计、接触系统设计、灭弧系统设计等几个方面设计进行了详细介绍。通过理论设计及结合实际进行验证和优化，从而提高了产品质量的可靠性。

关键词：电磁铁;接触力;接触电阻;温升;灭弧;磁吹;电弧

无论是继电器还是接触器，在的使用过程中，动作原理、结构形式如何千差万别、它们都是由感应机构（接受输入信号）、比较机构（提供比较量）和执行机构（输出电路）三部分组成。接触器作为一种电器控制元器件，从电路的角度来看，接触器分控制部分，即输入回路;被控部分，即输出回路。当接触器的控制部分的输入量（M）达到一定值时，其输出回路的电参量（N）就发生跳跃变化。即形成了控制部分（即输入回路）和被控制部分（即输出回路）之间的转换关系。其工作原理为：当接触器线圈通电时，当M

1 电磁铁系统设计

电磁铁系统是接触器动力之源，直接影响产品的动作的关键，所以对该系统的很多方面有很高的参数要求，才能确保产品可靠性。本文通过理论设计计算和现有产品设计，进行产品设计验证，确保产品性能指标达到最优化。

1.1 电磁铁吸力原理

电磁接触器能否可靠工作取决于其吸力特性与反力特性配合的是否恰当，为了保证接触器在电源电压波动时仍能可靠吸合，应使吸合电压小于额定电压，并且在此电压下（额定电压的50%～70%），接触器的电磁吸合力应大于弹簧反力（或反力矩）。

1.2 理论计算

计算接触器处于断开位置时吸合电压下的静吸力，目前以现有产品为例，产品为直推式電磁铁的电磁吸力FC

由主磁通Fdm和漏磁通Fdn两部分吸力合成，即

FC=Fdm+Fdn

式中：Fdm为主磁通产生的电磁端面吸力

Fdm= （1）

式中：为磁压降;为间隙磁导;δ为磁间隙大小

平面接触的磁导率，= （2）

式中：μ0为空气磁导率，1.25×10-6Hm

S为接触面的面积

根据（2）式，得

= （3）

即Fdm==

根据国家标准，一般汽车接触器的工作环境温度最高为85℃，接触器的最大吸合电压为9V，计算出初始起动电磁力，即设计验证产品在最极端情况下，电磁系统工作的情况。现有产品线圈匝数为：1724匝，常温下线圈电阻为24Ω，铜的电阻温度系数按40%来计算，经计算出：在85℃时的线圈电阻为33.6Ω，线圈电流I为0.27A。计算出铁磁阻的磁间隙的磁压降Uδ，一般情况按铁磁阻占整个回路磁阻的10%～20%来设计计算，取中间值为15%，则Uδ=393安匝。

将S=120.7mm2，δ=1.8mm代入上式;得：

==1.25×10-6×120.7/1.8*1.8 =-4.66×10-5

所以，Fdm==×3932×（-4.66×10-6）=3.6N

再计算漏磁通产生的力Fdn，漏磁通产生的力是为漏磁通与线圈作用而产生的电动力，其公式简要如下：

Fdn= （4）

式中：IW——为线圈磁势;

LP——衔铁链入线圈的长度;

LK——线圈长度

g——单位长度的漏磁导

同轴圆柱体的单位长度漏磁导：

（5）

其中，rm为绕后线圈半径，rn=骨架内径

将rm=17mm;rn=6.8mm代入（5）式，

得g=8.57×10-6Hm

再将Lp=29.7，LK=30.1，IW=465（安匝）代入（4）式，得

Fdn==×4652×8.57×

10-6×（28.7/30.1）2=0.9N

计算出，产品起始电磁吸力为 FC=Fdm+Fdn=4.5N

通过计算得出FC=4.5N大于初始弹簧反力（3.2N）。理论计算验证满足产品设计要求。

2 接触系统设计

接触系统主要从触点材料的选择、触点的接触形式与带载能力、接触电阻、接触压力、触点温升等几个方面进行设计。

2.1 触头材料的选择

从通断电流、电压、触点压力、通断频率、电流的性质（直流或交流）以及环境气氛等方面来选择触点材料。接触器在正常情况下，承载和分断的电流不大于额定值，但有时会遇到过电流和短路情况。触点接通时会发生因弹跳造成的机械磨损、电弧造成的烧损和熔焊。触点闭合状态下会发生负载电流时的接触电阻增高和发热问题，过电流和短路造成的熔焊，以及因电压释放时触点断开燃弧造成的熔焊，触点断开时会发生机械磨损的熔焊，以及燃弧造成的熔焊，这些都与接触器的结构有关，也与闭合和断开速度、触点压力、触点形状、负载电流、电压以及灭弧方式有关。但是不同的触点材料在各种情况下的表现是不相同的。因此，在选用触点材料的时候，必须尽详细考虑这些条件，特别采用不同的灭弧方式时需要选择不同的触点材料，例如，采用电弧自热灭弧方式的接触器，不宜选用热离子发射型材料，如银钨、银石墨等，而用采用银氧化镉、银氧化锡氧化铟、银镍、银等材料。

触头材料的选取，一般是根据负载类别选择相应的触点材料，如下表1，为汽车继电器使用负载及对应使用的触头材料。

在不同应用中继电器触头材料的选用（表1）。

根据接触器电寿命和电性能要求，经理论分析和试验的筛选验证，该接触器设计触点材料选用钨铜，其软化温度可达到1000℃、电导率为42S/m、热导率为220W/（m·K）、硬度达到235HB，具有耐高温及抗电弧能力强的特点。

2.2 触点接触形式与带载能力

接触器的触点接触形式有点接触、线接触、面接触三种形式。点接触触点在接触处平均压强比较大，容易破坏触点表面的污染物，但散热面积小，触点磨损较快，由于压强大，可以克服触点表面膜引起的接触不可靠的影响。适宜作小电流负荷的触点。面接触触点接触面平均压强比较小，但散热面积大，触点磨损较慢，适宜于大电流负荷。线接触触点特点介于点接触和面接触二者之间。因本文讲述的接触器设计为大电流（150A），触点接触采用面接触方式。接触器动，静触点直径φ8.6mm，动、静触点接触面积达到58mm，载流密度为（5～8）A/mm2，按最少计算载流为290A，约为设计额定载流的2倍，有效地保证了触点承受负载的能力。

2.3 触点的接触电阻

由于电接触，使得电路的电阻增加。所增加的这部分电阻称为接触电阻。接触电阻为什么会产生，因为无论触点表面加工如何平整光亮，从微观上看它仍是凹凸不平的，当有电流流过触点时，电流线在接触点附近向接触点收缩，导致有效的导电截面积会大大缩小，进而产生接触电阻增加。这部分由于电流收缩增加的电阻，称之为收缩电阻，用Rt表示。此外接触表面不可能是完全清洁的，存在一定的杂质，表面形成一层膜，接触表面的杂质和膜给电流的流通造成阻力，使接触电阻又增加一个膜电阻，用Rm表示。所以触点间总的接触电阻RZ应是：RZ= Rt +Rm，在工程上常用如下经验公式计算接触电阻

（6）

式中：K——与触点材料的物理化学性质以及接触表面状况有关的系数，见表2和表3

M——与触点的接触形式、压力大小和实际接触面的数目等因素有关的指数，通常在压力不是太大的情况下，对于点接触m=0.5，对于线接触m=0.7，对于面接触m=1;

F-触点终压力，单位对表2的数据用（克力），对表3用（千克力）。

上述接触电阻公式，表達了接触电阻R与压力、触点材料、接触面积状态等因素的关系，进而得以广泛应用。然而所给的系数都是在一定条件下做试验求出来，根据现有150A直流接触器，触点压力取值为：15N～18.2N，由上述公式（6）可知：

即，理论计算接触电阻Rz=（0.43-0.52）（mΩ）

理论值Rz=（0.43-0.52）（mΩ）<要求值1（mΩ），满足设计要求。

如果，上述公式给出的是室温条件的接触电阻。当触点通过电流而发热时，其接触电阻按下列公式变化：

长期负荷造成的发热

（7）

短期负荷造成的发热

（8）

式中：R0—触点在室温下的接触电阻（Ω）;

α—触点材料的电阻温度系数（1/℃）;

τ—触点的温升（对室温）（℃）

2.4 触点接触压力

触点的终压力是指产品动、静触点完全处于闭合状态时的触点接触压力。其目的是确保动、静触点可靠接触，安全、稳定通过负载额定电流。并且保证触头在通过约定发热电流的持续作用下，触头温升在允许规定范围内，使触点温升不能过高造成对触点的伤害。主要作用有：一方面，对于容量小的触点，还具有有一定的清膜作用。另一方面，因产品在吸合状态下，动、静触点受压力作用及反作用，压力越大，动、静触点就不容易分离，使产品不因振动导致触点分离的隐患，保证产品安全性;其次，触头终压力的大小会影响动、静触点吸合状态下产生的接触电阻的大小值，与接触电阻成反比例关系，即触点的接触压力越大触点接触电阻就小，反之会导致接触电阻值增大，在接触电阻增大的情况下触点之间承载额定电流时发热量也随之增大，为了使触点通过电流是发热量不要过大，应使触头的接触压降小于触头材料的软化压降 Um， 并有一定裕度量。接触压降值范围应控制在材料软化压降的（1/3～1/2），才能保证产品触点安全，根据这个原则，接触压降公式：

UZ=（1/3）Um（V）～（1/2）Um（V）

（9）

从而，可求得接触电阻RZ=UZ/Ie（Ω）

接触电阻除考虑收缩电阻和膜电阻以外，还应考虑接触部分的结构形式、材料、表面加工情况和通电电流大小等很多因素等影响，要准确地计算接触电阻是很困难的，在实际工作中利用经验公式，表示接触电阻和压力的函数关系，常用经验公式为：

式中：F——触头压力（N）

RZ——接触电阻（μΩ）;

由上式，可计算出触点压力F

（10）

触点初压力是动、静触头刚开始接触时的触头承受的压力。初压力大小由触点弹簧的预压缩量，它的作用主要是为了减小触点闭合过程中的振动，为避免触点熔焊及减少烧蚀程度，触点初压力一般依据经验数据确定，一般可取为（ 0.4～0.7）F终压力。

触点的终压力是指触点完全闭合状态下作用于触点上的压力。终压力大小由触点压缩弹簧的最终压缩量决定，它能使触点处于闭合状态时的接触电阻值保持较低。接触器经长期使用以后，由于触点压缩弹簧弹力减小或触点磨损等原因，会导致触点压力减小，接触电阻增大，此时应调整触点弹簧和压力，使初压力和终压力达到规定的数值。但触点压力的终压力应小于电磁吸力的终电磁吸力，从现有产品DC450V 、150 A 理论计算出触点终压力为18.2N，通过理论设计和现有产品验证，对设计压缩弹簧的形变量和弹性系数决定终压力的大小。再经过电磁系统中计算电磁吸力大小值（动铁芯与衔铁无限贴合），比较终压力远远小于电磁吸力，使电磁系统提供的最终吸合保持力能够满足产品设计。