电磁式接触器的设计优化

到目前为止，接触器的设计计算方法，还不能准确地达到我们预期的目的，这是因为接触器的工作大多是动态过程，大多数情况下是过渡过程，如电弧的通断、电磁作用力、接触电阻等。再者由于经济、技术指标要求的限制，我们也不能只考虑理论计算上的最优。

1.总体结构布局

电磁式接触器的总体结构主要有转动式和直动式两大类。转动式结构又分为单断点和双断点两种型式；然而转动式双断点现在已经很少采用，转动式单断点结构由于可以实现快速分断和磁吹灭弧，分断能力高，多用于超大电流（超过1000A）接触器。直动式结构都是双断点型式，又分为正装直动式和倒装直动式两种型式，在1000A以下接触器中得到广泛应用。

2.触头系统设计要点

（1）对触头系统的要求 触头系统应满足下列要求：

1）小电流时接触可靠性高。

2）接触电阻低，压降小，长期通以额定工作电流时温升稳定而且低。

3）抗熔焊，具有足够的过载能力。

4）接通时触头振动时间短，电弧作用下触头磨损少，接通分断时触头机械磨损少，具有足够高的触头寿命。

5）节约银及铜等金属，安装维护方便。

接触器触头的三种工作状态，对触头材料的要求有所不同，见表14-9。

表14-9 接触器触头材料的性能与三种工作状态的关系

注：表中+为有利；-为不利；○为无关或未知。

从表14-9可以看出，触头材料的电导率和热导率是最主要的，机械硬度和抗拉强度也很重要。在所有金属材料中，银的电导率和热导率最好，但它的退火状态下的硬度和强度都较低，较容易熔焊，因此常采用银合金及银氧化物系合金作为触头材料。

（2）触头参数的确定 触头参数的设计，应确定的内容包括：

1）触头银合金用量。

2）触头压力和接触电阻。

3）触头闭合力。

4）触头几何尺寸及触头参数。

5）触头开距。

6）触头超程。

3.灭弧系统设计要点

（1）对灭弧系统的要求 灭弧系统应满足下列要求：

1）断开负载时过电压低，燃弧时间短。

2）游离化气体体积、热弧气体体积及灭弧罩尺寸均小。

3）电弧作用下灭弧罩及触头支持件及其他接触电弧的零件磨损少。

4）电流过零后，触头间隙绝缘强度恢复快，能防止恢复电压击穿，分断电弧时，灭弧系统能吸收电弧中大部分能量。

5）相间隔良好，能防止相间飞弧短路及带电体对地飞弧。

6）中、大容量接触器灭弧系统要保证电弧从触头转移到弧角的时间短，弧角及灭弧罩等零件应具有足够的寿命。

7）灭弧时声光效应小。

8）凝聚于触头附近绝缘零件上的银蒸气不易凝结成导电膜。

9）灭弧罩拆卸方便。

设计灭弧系统时，应考虑不同工作制下的灭弧能力和磨损情况。不同额定电流的交流接触器的灭弧系统是有所不同的。

（2）接触器灭弧方法的概述

1）小电流灭弧系统。额定电流为20A以下的交流接触器，应设计成在AC-3工作制下在电弧尚未被吹离触头前就已熄灭的结构。这样既简单又经济，不需要特制灭弧室，用一般绝缘材料隔开就行了。

2）中电流灭弧系统。额定电流大于20A时，可加引弧片或利用回路电动力吹弧，利用触头断口来灭弧，其中，一个断口的消电离电压约为350～420V，在三相400V电力系统中，第一个断口分断时，它所承受的暂态恢复电压为

式中 γ——过振荡系数，一般可近似取为1。

对400V电力系统，适于采用双断点，故小容量交流接触器普遍采用双断点；但对于690V交流电力系统，单纯用双断点灭弧是相当困难的。

3）大电流灭弧系统。额定电流大于80A的交流接触器需要加装灭弧栅片。灭弧栅片有两个作用，将电弧吸入栅片中；将电弧分割成许多串联的短弧，以形成较大的电弧电压，使电弧熄灭。

（3）单断点接触器的磁吹装置 为了避免电弧停滞在触头之间，单断点接触器的每极一般装有一个磁吹装置，包括装在由铁板或电工纯铁做的铁心上的线圈（主电流流过）。这样感应磁力线在铁心中产生，并以铁心为磁路，在电弧生成的灭弧室区域，由两铁板围绕于绝缘板两侧，在铁板间形成磁场。

（4）双断点接触器的U形引弧件 在双断点的每极中，电弧移向灭弧室区域，电弧在磁场的作用下自行熄灭，该磁场是由电弧附近导体中的电流和围绕触头的磁铁片弯成的U形件作用而形成的。

（5）金属去离子栅片式灭弧室的设计 双断点金属栅片灭弧室的设计，主要内容包括：

1）金属栅片的数量。

2）金属栅片的片间距离。

3）金属栅片下沿的形状。

4）灭弧栅内电弧的运动路径。

5）金属栅片的厚度。

6）金属栅片的长度。

7）灭弧室的容积。(www.xing528.com)

8）金属栅片在灭弧室中的分布。

4.电磁系统设计要点

（1）电磁系统设计要求 电磁系统主要由电磁铁和控制线圈组成。合理选择电磁系统的结构和参数是保证接触器工作可靠性和提高其技术经济指标的重要一环，对它的要求是：

1）吸力特性应与反力特性良好配合；

2）体积小、损耗低、节约原材料、特别是有色金属；

3）寿命长；

4）加工容易，维修方便。

（2）反力特性参数的确定

1）初始反力的确定：①在断开位置时，回弹距离应不使常闭触头断开；②接触器应能经受规定的冲击振动而不发生误动作。

2）吸力特性和反力特性的配合。由于受合闸时线圈电流非周期分量的影响，交流电磁系统静态和动态吸力特性之间存在很大差异，因此所谓吸力特性和反力特性的配合，实际上是指动态吸力特性和反力特性之间的配合。但由于影响动态特性的因素很多，特别是动态特性随合闸相角的不同而不同，所以一般是从静态吸力特性和反力特性良好配合为基础进行电磁系统的初步优化设计，最后计算动态吸力特性来校验。静态吸力特性与反力特性的配合要求在控制电源电压的下限值（85%U_s）时吸力特性高于反力特性，并与反力特性尽可能接近，以保证接触器在控制电源电压下限值时能可靠吸合，且吸合时的碰撞能量为最小。静态吸力特性与反力特性的配合主要侧重于主触头刚接触及完全打开位置（见图14-8）。

要使吸力特性和反力特性良好配合，必须按已知反力特性合理选择电磁系统的型式和正确决定电磁系统的参数。通常以触头刚闭合位置作为设计电磁系统的参考点，若主触头刚接触位置特性已达到良好配合，而在起始位置吸力过大或过小时，可以用在保证允许最小初始反作用力的前提下，适当调整初始反力，或调整双E形、双U形或T形衔铁的长度来改变螺线管力的大小和改变杠杆比等办法来进行小范围的调整。为了减少碰撞能量，静态吸力特性与反力特性的配合在保证可靠吸合的前提下，允许触头在接触处有少量相交（见图14-8）。

在电磁系统静态吸力特性和反力特性良好配合的基础上，通过对接触器吸合和释放动态特性的计算和分析，对电磁系统和反力特性参数的搭配适当调整，以保证在各相角下接触器的起动电压等于吸合电压、释放电压等于返回电压。

（3）电磁系统参数计算 电磁系统设计中工作量最大的一般是磁路计算，要想找出一个比较好的设计方案，计算工作量非常巨大。通过电磁系统的设计计算，可确定所设计产品的磁路和线圈。主要参数包括线圈电流密度和磁通密度的选取、电磁系统的效率和接触器的保持功率（VA）、铁心的窗口面积、分磁环的计算以及线圈形状的设计。

上述的计算方法，是把给定值固定在某点上，然后计算相应数值，这是静态计算。由于采用了计算机辅助设计（CAD），与传统计算不同，静态计算也能获得比较准确的结果，但接触器工作过程是一个暂态的过渡过程，所以静态计算结果与实际情况有一定差异，因此国内外专家、学者都转向了动态计算的研究。采用动态计算，考虑到了接触器工作时是一个暂态过渡过程，计算结果给出这一工作过程各参数的变化曲线，能比较准确地反映接触器的工作过程，以此作为设计依据，或根据这些结果调整参数，将能获得更理想的设计效果。采用电磁系统仿真设计可以较好地解决电磁系统的动态计算（包括静态特性也可以通过现代仿真计算较准确地求得），为电磁系统的设计带来极大的便利。

（4）提高电磁系统机械寿命的措施 考虑到电网的正常波动，要求电磁系统在85%～110%额定控制电压下可靠吸合，但实际工作中，电压经常高于85%额定控制电压，所以电磁系统吸合时就会产生多余的能量，这部分多余能量被衔铁和其他运动部件以碰撞的方式消耗掉。当采用下列结构和材料时，可防止衔铁的迅速损坏：

1）铁心的硅钢片片间加油。在使用和寿命试验过程中，油从硅钢片间溢出而润滑铁心表面，减少铁心撞击时的磨损。

2）在结构设计时，碰撞部件不应有锐角。

3）分磁环镶装要牢靠，以防止疲劳断裂；或者分磁环与动静铁心无接触，彻底避免碰撞引起的疲劳损坏。

4）静铁心等部件用弹性悬挂结构（即迎击式），可减轻铁心碰撞时的应力和触头跳动。

（5）分磁环（短路环）设计 分磁环设计的重点是材料与参数选取合理、结构与镶装要牢靠，以防止发生下述的现象：

1）分磁环断裂、铁心发响。交流电磁系统中，电磁铁吸力是交变的，必须靠分磁环产生移相磁通，使合成吸力大于零，从而避免铁心振动发出噪声。由于分磁环受力复杂，环与轭铁固牢较为困难，一旦松动，分磁环很快会断裂，铁心就会产生严重噪声，不能正常工作。

2）温度变化使分磁环不能固牢。移相磁通产生的平均吸力要大，要求分磁环产生相移约60°～70°，同时分磁环电阻较小，导致环内电流较大，则分磁环长期工作在较高的温度条件下。电磁系统不工作时，分磁环降至室温。因此分磁环的温度变化较大，长期处于高温-低温反复循环的变化中，由于热胀冷缩使分磁环不能牢固固定而产生松动。

3）冲击载荷使分磁环易断。动静铁心吸合时，静铁心和分磁环受到很大冲击力作用，使分磁环反复承受剪切、弯曲应力作用而易于损坏。

分磁环是交流电磁系统设计中的关键之一，为了避免分磁环在工作过程中受到动静铁心闭合引起的强大冲击力，有些产品设计为分磁环与电磁铁分离式结构，即两者之间无直接接触，分磁环由底座和躯壳固定，但分磁环仍然包络部分铁心面积而确保发挥其应有的作用。该方案可有效地解决分磁环的固定问题。

（6）电磁系统节能设计 与交流接触器电磁系统匹配使用的节能技术有很多种，包括电容器式、变压器式、电子式、剩磁式、永磁式、机械锁扣式、限流电阻式。这些方式的采用均有一个前提条件，即满足关于动作特性的标准要求，同时若由于采用节能技术而引起吸合与释放的延时，有必要向用户明确说明，以避免使用在不允许有延时的场合。

（7）线圈浪涌抑制设计 为了抑制过电压，常采用一些线路元件与接触器线圈并联连接，包括RC元件（电阻与电容器串联）、自振荡二极管以及压敏电阻或双向稳压管模块等。

5.接触器的可靠性设计

（1）触头抗熔焊 触头熔焊是接触器使用过程中较为常见的故障之一，引起熔焊的原因分析如下：

1）超载选用。由于现代接触器体积较小。经常处在快速点动下工作的接触器，属于AC-4负载，必须降容使用，否则会发生触头熔焊。

2）控制系统故障。当被控电动机处在起动状态时，如果控制接触器的线圈电路中的热保护常闭触头（如热继电器的常闭触头）产生抖动，接触器会产生反复的接通、分断。由于电动机起动电流较大，使得接触器短时多次通断大电流而导致触头熔焊。

3）电网电压跌落。电网电压的正常工作范围为额定电压的85%～110%，但由于较大负载投入电网时，往往引起电网电压瞬时跌落，据国际电网质量统计结果表明，跌落值大多数在70%以上，个别地区有的跌落到65%。如果接触器投入工作时电网正处于电压瞬时跌落状态，接触器一般情况下就不能保证可靠吸合，可能会发生抖动，使接触器主触头快速通断被控电动机的起动大电流而发生熔焊。

针对上述引起触头熔焊的原因，可采用下述相应的方案消除触头熔焊：

1）针对具体的应用场合，正确选用使用类别和额定电流等级。

2）合理选用线路中配合工作的其他元器件，例如短路保护电器和过载继电器，最大限度地避免由于其他产品的原因而引起接触器触头熔焊。

3）在控制电路中，设一门槛电路，当电网电压低于门槛电压时（例如额定电压的85%），起动接触器的命令不传给电磁系统，只有在电网电压高于门槛电压时，接触器线圈才能从门槛电路获得线圈起动电流，确保接触器无抖动吸合。另外，可扩大接触器操作电压范围实现宽电压工作，使其在额定电压65%以上，均能确保接触器无抖动吸合。

（2）防线圈烧损 线圈是接触器的易损件，较易出现损伤，常见故障、原因及其防范分析如下：

1）匝间短路。在数千匝线圈中偶尔会有一匝至几匝产生短路，主要因漆包线质量不佳、绕制时太紧或太松（导致易摩擦引起绝缘漆层损坏）、绕制过程中与其他零件摩擦引起。在交变磁通作用下，感应电动势会在短路匝内引起很大的电流，使短路匝产生过热，并逐步影响相邻线圈，最终烧坏线圈。而在直流磁系统中，尽管也有短路匝，但因无交变磁通，故短路匝中不会产生感应电动势，不会出现像交流线圈中匝间短路引起线圈烧坏的现象。

2）温升过高。长期在额定电压下工作的线圈，允许的工作温升与漆包线材料的耐热等级有关，如选用120（E）级绝缘的漆包线材料，允许温升为100K。许多厂商在努力改进线圈绕制工艺后，发现单纯改善工艺很难保证线圈可靠工作，因此目前较常用的方法是选用耐热等级较高的漆包线来提高线圈的耐热能力，例如选用155（F）级甚至更高耐热等级的漆包线材料。

3）过电压。当接触器断电时线圈上会产生高于线圈工作电压的2～3倍甚至更高的反电动势，施加在线圈上，使线圈绝缘不断恶化，最终而造成耐压击穿损坏。

可采用以下方法来防止线圈烧损，以提高接触器工作的可靠性：

1）采用新型封固树脂。防止接触器通断时的振动对电磁系统中电子元件的影响，提高耐振强度，如将印制电路板组合件用树脂封固。

2）减少线圈功耗。对于交流电磁系统，铁心闭合前，使输入励磁安匝数减小，以减少冲击、降低线圈功耗。

（3）弹簧抗疲劳损坏 设计弹簧时，要使弹簧谐振频率避免为100Hz或其倍数，这是因为吸力的频率是100Hz，解决这个问题是应限制弹簧的圈数，即应采用力相同、尺寸相同但圈数最少的设计方案。

（4）触头接触可靠性设计 由于绝缘粒子和触头材料上难免存在外界污染和杂质，给接触带来妨碍，甚至无法接通，从而影响触头接触的可靠性。接触可靠性主要取决于接触位置的状态与电压高低，触头材料上形成的外界层一般是很薄的，只要几伏电压即可将其击穿，因此，通常并不影响接触，但在电压较低或多个接触位置串联时，就不能排除偶尔会发生接触的不可靠。

对常用的机械式接触器来说，提高接触可靠性的主要途径有：

1）增大接触力，但必须同时兼顾分断速度。

2）选择合适的触头材料，如银或银基合金材料。

3）触头的造型（增大接触面积、网纹十字槽等）。

4）动触头的滑移运动，如辅助触头的设计往往会采用该设计方案，但应注意该措施会增加触头磨损。

5）采用并联触头型式（双触桥、冗余度）。