一种电磁旁路开关的结构设计

李国强，肖 斌，王建雄，林 海

(贵州振华电器群英电器有限公司，贵州贵阳，550018)

1 引言

近年来，随着我国航天事业的快速发展，众多各种功能卫星在太空运行，在国民经济和社会发展中发挥着重要作用。卫星在轨道执行任务时通常通过储能电池组来维持卫星的正常工作，当其中一个电池发生故障时，储能电池上并联的旁路开关触发将故障电池从电池组回路中切除，从而保证整个电池组的可靠供电。

2 旁路开关国内外现状

目前，国内外旁路开关多通过导电熔丝和分离块组合控制来实现旁路开关的触发并实现电气切换，而引出端接触环采用高弹性支撑带或若干个高导电性的导电排构成来实现电接触，这类旁路开关在制造以及使用时存在以下不足：

1)引出端接触环，采用高弹性支撑带或若干导电排，电接触时挤压变形量小，零件的加工精度高、装配工艺要求高，一致性控制困难；

2)触发部分通过在分离块上缠绕线丝和固定导电熔丝，缠绕力不易控制，导电熔丝张紧力不好控制，受高低温环境温度影响大，且抗振能力不足；

3)触发时，分离块导电熔丝通电受热断开，分离块限位解除触发，此过程为不可逆，旁路开关为一次性使用，不可重复使用。

3 电磁旁路开关设计

电磁旁路开关是在现有旁路开关总体结构的基础上进行改进设计，同时借鉴了现有旁路开关存在的不足之处。使电磁旁路开关应易于装配，一致性好，环境适应性强、抗振性能高，且可多次重复使用。

3.1 总体设计方案

电磁旁路开关设计主要是结构设计，总体结构见图1，包括三大部分：接触系统设计、锁紧机构设计和电磁系统设计，通过轴向装配组装在一起。锁紧机构主要是保持接触系统输出状态；电磁系统设计主要是触发改变锁紧机构状态，实现接触系统输出切换；接触系统保证输出端供电持续以及转换输出供电持续性。

旁路开关接线关系如图2所示，旁路开关初始状态如图1a)所示，引出端1与引出端2通过插针导通，引出端2上的电池处于供电状态，当电池供电系统检测到引出端2上的电池出现故障时，电磁线圈接收电池电源控制系统指令触发切换，插针发生轴向运动，引出端1与引出端2断开，旁路掉了引出端2上的电池，同时引出端1与引出端3导通，启用引出端3上的电池，保证卫星正常供电, 旁路开关触发后状态如图1b)所示。

a)电磁旁路开关初始状态

图2 电磁旁路开关接线关系

3.2 接触系统的设计

电磁旁路开关接触系统如图3所示。它主要由插针、引出端1、引出端2、引出端3以及绝缘外壳等组成，插针在轴向上运动来实现旁路开关的切换。

图3 接触系统结构示意图

各引出端(1、2、3)均由导电座、接触弹簧指、固定弹簧组成，如图4所示。初始状态，插针压缩引出端1和引出端2接触弹簧指，实现引出端1与引出端2的电接触，使引出端1与引出端2导通输出；当线圈通电，插针轴向运动，插针释放引出端2接触弹簧指，压缩引出端3接触弹簧指，引出端1与引出端2断开，引出端1与引出端3导通实现切换输出。

插针与各引出端(1、2、3)之间通过压缩接触弹簧指来实现电接触，多点接触温升低，接触可靠，接触弹簧指可压缩量大，电磁旁路开关轴向装配易于保障，零件制造精度和装配工艺要求不高，一致性易于保障。

图4 引出端和插针结构示意图

3.3 锁紧机构的设计

电磁旁路开关锁紧机构如图5所示。它主要由金属外壳、锁紧套、弹簧、钢球、解锁杆以及限位套等组成。金属外壳固定连接锁紧机构并连接电磁系统与接触系统，锁紧套外圆面上装配限位套，限位套压缩弹簧，限位套被解锁杆抬起的钢球和锁紧套卡住，弹簧无法释放，保持限位套处于锁紧状态，接触系统插针接通引出端1和引出端2，使旁路开关处于初始状态。当电磁旁路开关线圈通电，解锁杆被电磁机构拉动钢球落在解锁杆的“V”字槽内，限位套约束解除、弹簧释放，限位套处于解锁状态，插针状态发生变化，旁路开关输出状态改变(触发后状态)，引出端1与引出端3导通。

锁紧机构通过解锁杆以及解锁杆上的“V”字槽、钢球、锁紧套，使限位套处于锁紧状态或者解锁状态，解锁杆、锁紧套、限位套以及钢球做相应的硬化处理，就可以保证该机构重复使用。

图5 锁紧机构结构示意图

3.4 电磁系统设计

电磁旁路开关电磁系统如图6所示主要由底罩、轭铁、线圈、底盖、下静铁心、上静铁心、动铁心以及线圈引出端等组成。底罩和底盖用于固定电磁系统；轭铁、下静铁心、动铁心、上静铁心、线圈构成磁路系统。旁路开关初始状态，动铁心与上静铁心保持闭合，锁紧机构限位套处于锁紧状态，接触系统插针导通引出端1与引出端2；当给线圈通电时，动铁心与下静铁心闭合，带动解锁杆使限位套解锁，接触系统插针发生状态改变，旁路开关输出状态改变(触发后状态)，引出端1与引出端3导通。

图6 电磁系统结构示意图

电磁系统受温度影响相对小，匹配合适的保持吸力即可满足不同的抗振力学性能要求，抗振效果更好。

3.5 电磁旁路开关的复位

电磁旁路开关的复位如图7所示，将外力机构通过插针内的复位螺纹进行连接，施加轴向外拉力作用在插针上，限位套压缩弹簧，同时给线圈施加反向电压，动铁心与上静铁心闭合，解锁杆推动钢球运动离开"V"字槽，被抬起的钢球卡住限位套，旁路开关回复到初始状态。

图7 电磁旁路开关复位示意图

电磁旁路开关通过复位设计，旁路开关可进行多次测试及使用，旁路开关触发和复位均为可逆，使用户装置系统中使用更方便、更可靠，成本更低。

4 结束语

综上所述，本文通过对比国内外旁路开关现有结构设计上存在的一些不足以，同时在现有旁路开关基础上创新设计电磁旁路开关，并简单介绍了该电磁旁路开关的结构特点，电磁旁路开关具有结构简单、易于装配、环境适应性高、抗振能力强，可重复多次使用等优点。