一种高压直流接触器的设计

辜飞 胡凤生 李杰

深圳巴斯巴汽车电子有限公司 广东省深圳市 518118

将 S=120.7mm2，δ=1.8mm 代入上式；得：

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：

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：

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

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

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，表达了接触电阻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：

表1 在不同应用中继电器触头材料的选用

表2 系数K

表3 系数K

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

短期负荷造成的发热

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：

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

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。

2.5 触点的温升

以触点的长期稳定发热为例，触点的稳定温升取决于它的发热与散热之间的热平衡。这与包括触点在内的整个载流体的机构尺寸有关。计算一般电器触点的温升往往都是很复杂的。我们用一个例子来说明有关触点温升的一些重要概念。如图所示，显示一对触点，与其相连的载流体是一对等截面等长直导体。触点发热的热源有二部分：一部分是电流在导体中的能量损耗W1；另一部分是电流在接触电阻上的能量损耗W2=I2R。这些热量都通过导体表面散出。通过解热平衡方程，可求出接触区与导体区交界处的温升τ的公式

式中：ρ、λ——导体的电阻系数（欧·厘米）和导热系数（瓦·度-1·厘米-1）；

K——导体的散热系数（瓦·厘米-2·度-1）；

m、q——导体的周长（厘米）和截面（厘米2）；

I、UZ——触点电流（安）和触点压降（伏）。

在公式（11）中的第一项

从该公式可以看出由导体中能量损耗所引起的温升；

在公式（11）中的第二项

从第二项公式可以看出由于接触电阻上能量损耗在导体中的传输和散发，在接触区与导体区的交界处造成的温升。

触点的最高温升要高于公式（11）所表示的交界处的温升，这是因为接触面上以及收缩区内的热量要向外传送，接触区内又造成一个热的“压降”。因此触点的最高温升是：

其中代表触点最高温升点相对于触点外部的温度差。

通过对接触区内电流场和温度场的分析，可以找出一个的近似表达式

对于不同的触点，公式（14）中的三项温升之间的比例也不相同。如在大电流的接触器中，触点压力很大，使UZ很小， 一项所占比例不大。而接触器导体截面是按发热条件决定的，电流密度一般很大，因此 一项占比例较大，对于小电流的继电器触点则相反，其导体截面是按一些机械性能的要求决定的，电流密度很低 很小。而这种产品往往处于对灵敏度对要求，触点压力很低，UZ较大，使 在总温升中占了主导地位。

3 灭弧系统设计

高电压、大电流接触器在直流分断技术在行业内一直都被视为难点。当动、静触点分断时，在动、静触点之间的空气被击穿形成带电离子，并在热运动的作用下加速了带电离子之间的相互碰撞，进而使游离产生电弧。所以减少电弧产生频率，以及快速熄灭电弧是触点可靠分断显得至关重要。

3.1 电弧的产生

电弧是一种气体放电的特殊形式，气体放电的形式很多，有电晕放电、辉光放电、火花放电和弧光（电弧）放电等等。

电弧的产生条件是电路内的电流和电压必须大于某一最小起弧电流和最小起弧电压，电弧的产生是由于气体的游离，游离的原因有热发射、冷发射、碰触游离和热游离。

（1）热发射：触点分开过程中触点表面温度剧增，由于热运动作用，金属内的自由电子克服了金属内正离子的吸力而从阴极表面发射，形成热发射；（2）冷发射：也为高电场发射。触点刚分开是在气隙间形成高电场。将电子从阴极表面拉出；（3）碰撞游离：从阴极发射出来的电子，在电场作用下获得能量而加速，碰撞中性分子而使其游离；（4）热游离：电弧燃烧时，电弧温度很高（可达几千度），气体分子在高温作用下，由于强烈的热运动相互碰撞而游离。

3.2 灭弧措施

通常直流电弧灭弧常用措施可采取以下途径：

（1）拉长电弧：使电弧伏安特性向上移动，即电弧拉长，使要维持电弧燃烧所需的电弧电压增大，如电弧电压超过外施电压，则电弧就可熄灭。（2）强冷电弧：直流电弧稳定燃烧，电弧功率几乎全部转变为热功率，通过传导，辐射和对流将热功率散失到周围介质中。要使电弧熄灭，应该人为加强传导、辐射和对流三种散热的强度，使消游离速度超过游离速度。

3.3 灭弧设计

（1）磁吹灭弧

采用磁吹时，作用在断开动、静触点之间的电弧上的力由下式决定：

式中：B——为磁场强度；

L——为电弧长度（当电弧未离开触点之前，等于触点间的距离）；

I——为流过电弧的电流；

此灭弧方式能够改变电弧运动方向、拉长电弧，起到快速冷却电弧、快速熄灭电弧的作用。通过试验验证可知该灭弧方式灭弧效果非常良好。

（2）窄缝灭弧

在直流电器中，窄缝灭弧室广泛得到应用，它是有效的灭弧方式，通常由耐弧的绝缘片形成窄缝，断开时，磁吹使电弧迅速进入窄缝，还配以引弧角使电弧拉长，电弧在其中运动同时与绝缘片接触而冷却和散出热量，因强烈的区游离作用能迅速熄灭电弧。

（3）栅片灭弧

制作栅片灭弧装置，灭弧栅是由许多铜片或铁片组成，在这些片之间，电弧被分成若干长度不大（2～3mm）而串联的短弧，电弧电压降主要是由阴极和阳极电压降组成，当电流从极小值到大电流变化时，电弧电压相应地发生变化。为了在直流电路中可靠地熄灭电弧，必须选择n片栅片，使满足下列关系式：

式中：U——电源电压；

A——靠近电极压降之和。

（4）真空灭弧

根据真空电击穿理论得知：真空度＞1.33×10Pa时，绝缘击穿强度会有明显变化； 当真空度＜1.33×10Pa时，绝缘击穿强度保持不变。将高压直流接触器的触点密封在真空室内，密封室内零件进行真空除气，密封室整体进行烘烤排气保证产品密封室真空度＞1.0×10Pa，达到真空灭弧。

4 结束语

本文主要阐述了对一种高压直流接触器的电磁系统、接触系统及灭弧系统设计进行了详细的论述说明，针对电磁系统设计重点描述了电磁吸力原理和理论计算；对接触系统设计则从五个方面进行了阐述：（1）触头材料的选取；（2）触点的接触形式与带载能力；（3）触点接触电阻计算；（4）触点接触压力计算描述；（5）触点的温升计算；对灭弧系统设计从电弧的产生及表现形式，直流灭弧所采用常用措施介绍，并详细介绍几种灭弧方式的设计进行了说明，通过本文对高压直流接触器的几大系统的设计，使广大读者在使用和运用过程中更加了解高压直流接触器的工作特性，对从事这方面的设计者来说，通过本文的详细介绍，望能提供有所帮助。