智能型塑殼式斷路器脫扣器的設(shè)計(jì)

  摘要: 介紹了智能型塑料外殼式斷路器(HSM1z-160) 脫扣器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、零件設(shè)計(jì)與制造時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題及不同結(jié)構(gòu)零件中技術(shù)參數(shù)的分析比較。通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，使該結(jié)構(gòu)裝置具有加工方便、成本低，性能準(zhǔn)確、可靠等優(yōu)點(diǎn)。

　　0 引言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)和電力工業(yè)自動(dòng)化的飛速發(fā)展，產(chǎn)品逐漸趨于智能化、模塊化、組合化，將不同功能的模塊按不同的需求組合，是當(dāng)今低壓電器產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)。塑料外殼式斷路器中的智能型塑料外殼式斷路器( 簡(jiǎn)稱智能型斷路器)的智能化優(yōu)勢(shì)在使用中越發(fā)突出。脫扣器作為一個(gè)部件，是電子式和智能型斷路器的重要組成部分。由于脫扣器是控制器的執(zhí)行部件，其性能對(duì)電子式和智能型斷路器有著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)階段的智能型斷路器中所用脫扣器技術(shù)已趨成熟，本文對(duì)不同殼架電流所用脫扣器的設(shè)計(jì)作一比較。

　　1 脫扣器結(jié)構(gòu)組成及原理

　　1. 1 脫扣器結(jié)構(gòu)

　　HSM1z-160 脫扣器主要有殼體、端板、推桿、銜鐵、墊塊、導(dǎo)磁片、磁鋼、稱套、線圈、彈簧、軸等零件組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 脫扣器結(jié)構(gòu)圖。

　　1. 2 脫扣器機(jī)構(gòu)工作原理

　　脫扣器是一種含有復(fù)位裝置的斷路器脫扣裝置。它將磁性元件、導(dǎo)磁體、線圈、襯套、儲(chǔ)能器、驅(qū)動(dòng)元件等緊湊地安裝在一個(gè)體積很小的殼體內(nèi)，并由磁性元件、殼體、導(dǎo)磁片、動(dòng)作元件組成一個(gè)特定的磁回路。常態(tài)下，銜鐵在永磁體作用下保持吸合狀態(tài)，即磁回路將儲(chǔ)能器處于最大的勢(shì)能狀態(tài)，當(dāng)控制器檢測(cè)到主回路過(guò)載或短路時(shí)，給脫扣器一個(gè)一定強(qiáng)度的短時(shí)持續(xù)脈沖信號(hào)( 持續(xù)時(shí)間有軟件控制)，使線圈通有電流而產(chǎn)生反向磁通，破壞了脫扣器內(nèi)的磁回路，儲(chǔ)能器釋放能量，銜鐵彈出推動(dòng)推桿，再推動(dòng)斷路器上的牽引桿執(zhí)行動(dòng)作，從而使斷路器可靠分閘。

　　2 設(shè)計(jì)時(shí)因注意的問(wèn)題

　　在選擇脫扣器零件時(shí)應(yīng)注意:

　　(1) 例如，HSM1z-160 脫扣器中彈簧力原設(shè)計(jì)P1 = (4. 0 ± 0. 4) N，P2 = (7. 0 ± 0. 7) N，生產(chǎn)過(guò)程中彈簧力偏下公差時(shí)，常常出現(xiàn)脫扣器脫扣而斷路器卻沒(méi)有脫扣的情況。經(jīng)不同彈簧力P1在4. 5 ～ 6 N，P2在7. 5 ～ 11 N 中的試驗(yàn)，當(dāng)P2 >

　　9. 2 N 時(shí)，會(huì)出現(xiàn)斷路器機(jī)構(gòu)部分已在合閘位置，但脫扣器卻沒(méi)有吸合，從而使斷路器不能可靠合閘的狀況。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，最終彈簧力控制在P1 =(4. 8 ± 0. 4) N，P2 = (8. 0 ± 0. 8) N。由上例可知，彈簧力與斷路器脫扣力相比，應(yīng)有一定的裕度，但裕度不能太大，否則又增加了再扣力，使斷路器不能可靠合閘;反之，雖然減小了再扣力，使斷路器能可靠合閘，但也不能使斷路器可靠分閘。

　　因此，彈簧力必須適中。

　　(2) 線圈串接在線路中，流過(guò)的電流就大。

　　為減少對(duì)電路的影響，線圈的導(dǎo)線應(yīng)粗，匝數(shù)要少。例如，HSM1z-160 脫扣器中原線圈線徑為? 0. 08 mm，有效圈數(shù)3 000 圈，后線徑改為? 0. 09 mm，有效圈數(shù)2 500 圈。

　　(3)在選擇殼體及鐵心材料的導(dǎo)磁性同時(shí)，要考慮價(jià)格及流通度。實(shí)際設(shè)計(jì)中，因受體積及材料價(jià)格的限制，參考脫扣力、磁鋼參數(shù)應(yīng)先確定。

　　(4)脫扣器與斷路器之間的行程設(shè)計(jì)也應(yīng)合理，否則會(huì)影響到脫扣器對(duì)斷路器的沖擊力，以及再扣時(shí)斷路器對(duì)脫扣器的作用力。例如:HSM1z-160 脫扣器中推桿長(zhǎng)度由4. 5 mm 改為4. 0 mm，推桿長(zhǎng)度與牽引桿間隙因確保在0. 5 ～ 1 mm 范圍內(nèi)，過(guò)小會(huì)影響沖擊力;反之，會(huì)減小脫扣行程。

　　3 結(jié)構(gòu)零件技術(shù)參數(shù)分析

　　以智能型斷路器生產(chǎn)的各個(gè)規(guī)格的脫扣器為例作比較，大致可分為2 種:① 將儲(chǔ)能器放在執(zhí)行部件中，且在磁回路里(暫且稱作A 類);② 將儲(chǔ)能器放在執(zhí)行部件外，且不在磁回路里( 暫且稱作B 類)。規(guī)格為A 類的，適用于結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的殼架電流;規(guī)格為B 類的，適用于規(guī)格A類以外的整個(gè)斷路器系列。其中，HSM1z-160 脫扣器結(jié)構(gòu)屬于規(guī)格為A 類的型式。

　　由HSM1z-160 智能型斷路器內(nèi)部空間的關(guān)系，要求脫扣器的設(shè)計(jì)體積必須小，也就對(duì)脫扣器的各個(gè)零件設(shè)計(jì)要求比較嚴(yán)格，作為關(guān)鍵件或主要件來(lái)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中，雖然每個(gè)零件都很重要，但實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)脫扣器影響較大的卻是個(gè)別。從HSM1z-160 脫扣器最初生產(chǎn)的幾千個(gè)脫扣器中發(fā)現(xiàn)，影響比較大的零件是殼體和銜鐵。最初，由于殼體和銜鐵的材料為鐵鎳軟磁合金，不是常備材料，加工前要求真空退火處理，加工后又要進(jìn)行真空退火處理，因此，不但加工周期長(zhǎng)，且價(jià)格比較貴，再加上鐵鎳軟磁合金容易變形，除加工成形時(shí)有報(bào)廢外，電鍍時(shí)更易變形。雖然，工藝從滾鍍到吊鍍有所改變，但同端板鉚合時(shí)還會(huì)變形。殼體變形會(huì)導(dǎo)致殼體密封性降低，也就增大了磁路氣隙，進(jìn)而影響脫扣脈沖電壓的穩(wěn)定。殼體的密封不一致比材料對(duì)整體的影響更大，因此，應(yīng)選擇具有一定導(dǎo)磁性、又不易變形的材料作殼體更恰當(dāng)。

　　如B 類規(guī)格，就選擇比較常見(jiàn)的冷軋鋼板作為殼體材料，雖然導(dǎo)磁性降低，但一致性較好。脫扣器在設(shè)計(jì)軸時(shí)應(yīng)考慮同端板的配合，軸徑偏小，裝配后雖能保證可以自如進(jìn)出，但會(huì)左右擺動(dòng)，從而影響產(chǎn)品的可靠性。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，用實(shí)踐與理論相結(jié)合的方法解決了軸孔配合問(wèn)題。下面對(duì)2 類不同規(guī)格的脫扣器設(shè)計(jì)參數(shù)作一比較，如表1 所示。

表1 兩種規(guī)格的脫扣器設(shè)計(jì)參數(shù).

　　4 功能與技術(shù)參數(shù)分析比較

　　智能型塑殼式斷路器中脫扣器的驅(qū)動(dòng)電路是一致的，都是通過(guò)脈沖信號(hào)控制MOS 管，通過(guò)MOS 管的開(kāi)關(guān)功能控制脫扣器銜鐵的動(dòng)作。脫扣器功能與技術(shù)參數(shù)比較如表2 所示。

表2 脫扣器功能技術(shù)參數(shù).

　　當(dāng)然，線圈匝數(shù)對(duì)脫扣器技術(shù)參數(shù)也有一定的影響。對(duì)于規(guī)格A 類產(chǎn)品而言，曾對(duì)線圈的匝數(shù)減少試驗(yàn)表明:其對(duì)脫扣器技術(shù)參數(shù)的影響并不明顯。

　　在實(shí)際使用中，施加在規(guī)格為A 類與規(guī)格為B 類上的持續(xù)脈沖都應(yīng)有限，主要原因有以下2點(diǎn):

　　(1)導(dǎo)通時(shí)，流過(guò)線圈的電流較大，線圈容易產(chǎn)生發(fā)熱。

　　(2)導(dǎo)通時(shí)，主回路電流過(guò)大，而總功率是一定的，則主回路電壓就拉低，使控制器不能正常工作。

　　5 實(shí)際生產(chǎn)情況分析與改進(jìn)

　　在已逐漸投入生產(chǎn)的產(chǎn)品中，現(xiàn)有的技術(shù)指標(biāo)與國(guó)內(nèi)、外差距不大，但是質(zhì)量還不穩(wěn)定。因此，提高可靠性及產(chǎn)品質(zhì)量不僅是用戶的要求，也是企業(yè)進(jìn)行國(guó)內(nèi)、外競(jìng)爭(zhēng)的需要。

　　在最初的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，規(guī)格為A 類的結(jié)構(gòu)，其脫扣器零件、成品的報(bào)廢率居高不下，不僅浪費(fèi)了財(cái)力、物力，提高了產(chǎn)品的成本，也嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的正常供貨。脫扣器零件作為主要件或關(guān)鍵件要求生產(chǎn)，在現(xiàn)有的生產(chǎn)條件下加工出的零件合格率偏低，每一點(diǎn)不足都可能導(dǎo)致成品的報(bào)廢或不穩(wěn)定。這就不適合在現(xiàn)有條件下的批量生產(chǎn)，必將失去產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。因此，產(chǎn)品的改進(jìn)勢(shì)在必行，主要從以下3 方面進(jìn)行改進(jìn)。

　　5. 1 殼體的改進(jìn)

　　針對(duì)殼體來(lái)講，首先考慮對(duì)材料進(jìn)行改進(jìn)，脫扣器原先采用鐵鎳軟磁合金帶，雖然導(dǎo)磁性好，但材質(zhì)較軟，在加工及裝配過(guò)程中易變形，且供貨周期較長(zhǎng)，而且沖加工前和加工后技術(shù)上都要求進(jìn)行真空熱處理，后將材料改為冷軋鋼板，技術(shù)上也不用真空熱處理;其次，對(duì)材料表面處理進(jìn)行改進(jìn)，原先材料表面處理為Ep. Ni10Cr0. 3，現(xiàn)改為Ep. Zn12. c2C。通過(guò)以上2 方面的改進(jìn)后，脫扣器殼體易變形現(xiàn)象得到很大改進(jìn)，同孔端鉚合時(shí)保持性較好，解決了脫扣器脈沖電壓不穩(wěn)定現(xiàn)象，提高了產(chǎn)品的合格率，不但節(jié)約了成本，還縮短了加工周期。

　　5. 2 脫扣器銜鐵的改進(jìn)

　　原先脫扣器的銜鐵用鐵鎳軟磁合金棒，后改為通用的電磁純鐵棒。技術(shù)上要求將真空熱處理取消，表面處理由Ep. Ni10Cr0. 3 改為Ep. Zn12.c2C。通過(guò)以上改進(jìn)，不但節(jié)約了成本，還縮短了加工周期。

　　5. 3 材料和推桿的改進(jìn)

　　在實(shí)際生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)脫扣器同斷路器的配合有不穩(wěn)定現(xiàn)象，但脫扣器的各零件參數(shù)選擇幾乎達(dá)到極限，于是只能改變推桿。從原先的平面設(shè)計(jì)改為圓弧面，利用圓弧面接觸面積小的特點(diǎn)，相對(duì)增大推桿的推力。這樣，在不增大彈簧力的情況下可解決沖擊力不足的現(xiàn)象，保證了斷路器的可靠分閘和合閘。

　　通過(guò)以上改進(jìn)原設(shè)計(jì)上的不足及改善零件制造過(guò)程中的工藝，對(duì)脫扣器殼體的改進(jìn)，對(duì)脫扣器銜鐵的改進(jìn)和對(duì)脫扣器推桿外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的批量生產(chǎn)，質(zhì)量明顯提高，零件的報(bào)廢率大幅度下降。因此，對(duì)智能斷路器脫扣器的重新設(shè)計(jì)與改進(jìn)，提高了產(chǎn)品整體的質(zhì)量，提升了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

　　6 結(jié)語(yǔ)

　　在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能適合批量生產(chǎn)的才稱得上是好的產(chǎn)品。在實(shí)際生產(chǎn)中，脫扣器零件加工工藝的優(yōu)劣對(duì)脫扣器動(dòng)作檢測(cè)電壓有著很大影響;有時(shí)，理論設(shè)計(jì)已非常合理，但往往一個(gè)零件加工工藝稍不太理想，就會(huì)引起脫扣器檢測(cè)電壓偏出范圍。因此，只有經(jīng)過(guò)反復(fù)摸索試驗(yàn)，才能設(shè)計(jì)出適合現(xiàn)有條件下大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。本文所述的塑殼式斷路器脫扣的執(zhí)行機(jī)構(gòu)屬低壓電器制造技術(shù)領(lǐng)域，在塑殼式斷路器有限的空間內(nèi)設(shè)計(jì)出具有體積小、功耗低、動(dòng)作快及工作可靠性高等特點(diǎn)的產(chǎn)品，對(duì)低壓電器向智能化、模塊化、小型化、通信化方向發(fā)展起到巨大的作用。