某小型大功率高负载大触点间隙电磁继电器的设计

陈 坤

（厦门宏发电声股份有限公司，福建 厦门 361021）

1 某小型大功率高负载大触点间隙电磁继电器的设计意义

当前，小型大功率继电器依照等级的不同，分为敞开式继电器、防尘继电器以及塑封继电器，其中的防尘继电器和敞开式继电器与塑封继电器存在很大的差别，但是这2种继电器的缺点也很明显。自身体积都较为庞大，散热性一般，而现在市场上缺少非塑封小型快速散热继电器[1]。众所周知，继电器在工作过程中内部会产生大量的热量，导致电量被严重的损耗，极大地缩短了继电器的使用寿命，如何通过设计来解决小体积与远转热量之间的关系，成为当下亟待解决的问题。在小型大功率高负载继电器设计时，不仅需要考虑到天气、温度、湿度等外界因素的影响，还要充分地考虑到在体积减小的条件下触点切换负载等内部实际问题，使人们生产过程中可以更加方便地使用电路。此外，小型大功率高负载继电器在继电器领域完全是一种革命性技术创新，该产品的研发既响应了党的十四大会议号召，创新民族科技领域产品，还能满足社会发展需求，提高使用单位和企业的生产效率[2]。

2 某小型大功率高负载大间隙电磁继电器的设计

图1 传统继电器结构图

电磁继电器包括接触系统和磁路系统2个部分。接触系统是由静簧片、静触点、动簧片以及动触点组成的；磁路部分是由线圈、轭铁、铁芯和衔铁组成的。接触系统与磁路系统通过动簧片与衔铁、轭铁铆接或焊接组合，接触系统一般由动簧片、静簧片设计引出脚构成导电回路。图1 为一种常见的继电器结构图。小型大功率高负载大间隙电磁继电器的设计，主要有3个问题。1）如何压缩继电器的体积，在保证继电器性能的前提下简化零件结构。2）小体积内，高负载带来的高温升问题，即在有限空间内，接触系统的簧片体积受限，簧片载流截面积小，继电器接通高负载时必然使得系统的温升很高。而继电器使用的塑料材料、簧片材料、漆包线等耐温有限，在长期高温环境中，塑料材料易老化，簧片易发生永久形变，进而出现继电器性能下降或烧毁等问题[3]。3）大触点间隙下， 触点切换负载时电弧能量很高，间隙越大，电弧能量越高，在有限空间内，电弧能量无处释放，会对继电器内部元件造成损坏。

图2 焊片结构示意图

该文针对上述提出的3个问题，进行深入研究，提出了一种小型大功率高负载大触点间隙电磁继电器的结构设计方案[4]。1）简化结构设计。为了简化继电器的结构，该文所述继电器结构仍然采用类似图1的传统结构，结构相对紧凑，由于传统动簧片引出是在动簧片本体设计出引出脚，动簧片一般都比较薄，当应用于大电流负载时，为了增大动簧片的载流面积，避免动簧片载流密度高，通常在将动簧片部分作为引出脚时，引脚部分需要叠片，这样在制作时就增加了模具的难度，尤其是动簧片一般都会有折弯，这就更增加了引脚叠片的难度，使得在工艺上很难实现。因此该文所述结构对动簧片引出部分进行了优化，采用焊片作为动簧部分引出脚[5]。如图2所示，动簧片通过铆接与焊片连接，再通过铆接或焊接与轭铁连接固定，焊片与轭铁设计卡装限位，如图3所示。将动簧片的引出端通过焊片引出的优点是结构比较简单，工艺上好实现，同时也使动簧片结构的设计得到简化。2）高负载下系统温升问题得到解决。由于接触系统需要具有高负载能力，接触系统需要足够的载流能力，动簧片、动簧片引出脚、静簧片的载流能力要足够强大，静簧片设计比较简单，一般采用纯铜材料，根据空间设计足够的载流面积，保证载流能力；动簧片的材料一般选用高导电的铜合金材料，而传统采用动簧片叠片引出脚的结构其叠片空间、叠片次数有限，导致成为载流瓶颈，该文所述结构将动簧片铆接在焊片上，通过焊片引出，这样，接触系统的导电回路就由焊片、动簧片、触点和静簧片组成。焊片采用纯铜材料，有效地降低了导电回路的阻抗，从而降低导电回路温升，因此容易实现载流能力的提升[6]。3）小体积大触点间隙下电弧损害抑制。在接触系统中，触点切换负载时，大触点间隙下的电弧能量很高，尤其是在负载很大的情况下，电弧烧蚀问题更加突出。通过高速摄像捕捉电弧喷溅方向，发现倒装拍合式结构继电器的电弧均向继电器外侧喷溅，电弧走向示意图如图4所示。电弧喷溅到外壳上，造成外壳烧穿，甚至造成继电器烧毁。为了解决此问题，该文提出了 一种L 型定位片结构，将定位片设计成 L 型结构，如图5所示，使其具有定位与挡弧双重作用，有效阻挡电弧向外喷溅对继电器外壳塑料件造成烧蚀问题。该方案已通过电耐久性测试验证，能够有效阻挡电弧烧蚀外壳的问题。

图3 焊片与轭铁装配示意图

上述创新结构实现了小体积内高负载、大触点间隙的性能要求，能够快速、有效地将电气内部热量排出，极大地提高了继电器的使用寿命，增强继电器在多样化环境下的适应程度，使设计产品更加符合现实实际情况需求[7]。因此，为小型大功率电磁继电器结构设计提供了一个新的设计方案。该创新结构已申请并获得专利授权，专利号和名称：ZL 2019 20125079.9《一种适用于大负载的拍合式继电器》。定位片结构也已申请专利并获得专利授权，专利号和名称：ZL 2019 2 0125633.3《一种挡弧式电磁继电器》。

3 小型大功率高负载大触点间隙电磁继电器未来的发展方向

随着时代的进步，人民生活质量的提升，人民对用电量需求逐渐加大，在面对这种情况时，小型大功率高负载大触点间隙电磁继电器范围发展方向必须与信息技术、通信技术、智能技术相融合。通过信息技术实现控制延伸，使管理人员在千里之外实现对继电器状况的检测，掌握各项数据变化规律。在继电器设备发生问题以后操作人员可以通过通信技术，使继电器“主动”与负责人取得电话联系，派人在最短的时间内解决故障问题。而智能化技术的融入就较为困难，智能化技术简称智能学习化技术，它能够主动去观测继电器的情况，在继电器发生问题时，内置单片机开始“自主思考”解决的方案，按照分析方案解决相应的故障问题，该技术不仅需要将“信息技术”与“通信技术”作为依托，还需要设计者成立单独网络信息后台，供智能系统将数据分析进行云端共享，笔者下一阶段的设计方向会逐渐向智能化靠拢，力求我国继电器行业在世界舞台争做标杆。

4 结语

该文介绍了一种小型大功率高负载大触点间隙电磁继电器的创新结构设计。这种创新不是唯一的，也可能存在不足之处，旨在开拓读者的思路，总结继电器行业设计经验，并能够进行更好的创新。

图4 触点拉弧路径示意图

图5 定位片结构示意图