熱雙金屬材料在斷路器中的設計與應用

摘要：斷路器主要用于航天、航空、船舶、機車、電子等設備，起過流、過熱、短路、欠壓、漏電等保護作用，在故障電流燒毀設備前自動切斷電源，則可以實現這些功能主要是通過熱雙金屬材料進行控制。熱雙金屬材料具有結構簡單、成本低廉、工藝成熟、可靠耐用等特點，成為當前應用比較廣泛的控制原材料之一。

關鍵詞：特殊熱雙金屬；斷路器；設計與應用

本文闡述的熱雙金屬材料在斷路器中的設計與應用是指根據熱雙金屬片溫曲率、電阻率及線性溫度等特性，合理選取熱雙金屬片材料牌號，匹配斷路器過流時的機構阻力與雙金屬片彎曲推力大小、推動行程與傳動機構配合距離，實現斷路器在健康電路狀態下可靠供電及故障電路過流時可靠脫扣切斷電源功能。

1、特殊型熱雙金屬材料的原理

熱雙金屬材料是通過兩種或幾種技術性能相符的材料加工制造生產出的復合材料。因為復合材料各材料之間的膨脹系數不同，膨脹系數較高的稱之為主動層，膨脹系數低的稱之為被動層。雙金屬材料通電發熱時，主動層膨脹系數大于被動層膨脹系數，從而使得雙金屬往被動層一測彎曲，產生熱推力及推動行程。

2、特殊型熱雙金屬材料在斷路器中的設計與應用

2.1斷路器的功能原理

穩定運行過程：斷路器接通設備電源，雙金屬材料在電流的作用下產生熱變形，當電流在110%以下的額定電流時，雙金屬片的電熱彎曲撓度，不足以推動斷路器鎖定機構解鎖，斷路器保持接通，處于穩定運行狀態，過流或短路保護過程：當流過雙金屬材料的電流超出標稱值110%時，雙金屬材料彎曲撓度隨著電流的增加而增大，當雙金屬材料的彎曲撓度達到斷路器的設定值時，雙金屬材料在一定時間內彎曲推動斷路器鎖定機構解鎖，切斷故障電源。

2.1熱雙金屬材料結構模式設計

熱雙金屬片用于斷路器脫扣器中，最重要的兩個參數為：熱雙金屬片的撓度及雙金屬片的形變推力。這兩個數值決定了斷路器能否在規定的電流值下精確斷開設備電源。我們在設計斷路器的脫扣器時，一般結構模試為：

直片式單支梁結構：此種結構脫扣器，性能穩定，零件形狀態容易加工，且尺寸精度容易保證，但直片式單支梁結構脫扣器在小電流及微電流作用下形變撓度過小，但形變推力過小，實用于大電流結構斷路器；

雙支梁結構：是平行的兩個單支梁串聯而成，在不必變形變量的前提下，成倍增加形變推力，實用于小電流結構斷路器；

回旋結構脫扣器：此種脫扣器由旋轉而成的熱雙屬材料構成，材料片體厚度很薄，在微電流的作用下可得到較大的形變推力及形變撓度，是微形電流斷路器的最佳結構。

單支梁脫扣器推力計算：

單支梁脫扣器撓度計算：

K---材料比彎曲值

E---材料彈性模量

b---脫扣器寬度

e---為材料厚度

L---脫扣器長度

--溫升

2.2熱雙金屬材料的應用

對于特殊熱雙金屬的組件材料的選擇，應考慮材料成分，使用溫度范圍、線性溫度和極限溫度范圍，材料的電阻率、溫曲率、比熱及彈性模量，并結合斷路器結構及電流規格，合理的設計熱雙金屬材料驅動片結構模式。當電路中出現過載電流時，過載脫扣器中的熱雙金屬受熱彎曲，推動牽引桿運動，達到規定時間后操作機構脫扣，將電路切斷。雙金屬通電部分的功率占整個回路電阻的比例越高，也就越有利于熱脫扣性能的穩定實現。當元件通電部分的電阻占產品總電阻50%以上時，符合標準要求的熱脫扣特性最容易實現，也就是說，21n與1.151m和1.38lm之間的對應關系非常穩定，原因是雙金屬在工作時受到其他部件發熱的影響比較小。但額定電流較大的規格，由于產品各部分溫升的原因，限制了雙金屬的允許電阻，因此，合理選用材料性能、規格及尺寸變得極為重要。在此我們對雙金屬元件進行了優化設計，降低成本并提高1.151/1.38lm動作穩定性，同時降低2In的調整難度，大幅提高產品熱脫扣性能穩定性。

1）選用熱雙金屬時首先考慮產品的工作溫度范圍。

根據產品的工作溫度范圍考慮熱敏元件承受最大溫度所需動作產生的力和轉矩；元件動作極限的高溫和低溫點；元件加靜載；空間容積；元件承受電流。

2）考慮雙金屬的比彎曲和彈性模量、電阻率、使用溫度范圍。

①比彎曲：比彎曲是材料的熱彎曲敏感特性指標，該數值越大，熱敏感性越高。按GB4461-2007、美國ASTM、德國DIN1715等標準規定，比彎曲的測量范圍為室溫～130℃。在我們設計中，雙金屬的使用溫度最高可達200℃以上，因此，設計時采用最大比彎曲值。這些數據目前僅能在材料生產商的手冊中獲得。

②電阻率：電阻率p是雙金屬物理性能的重要指標，單位為Q-m。該性能直接影響雙金屬在產品中的發熱量以及雙金屬元件的溫升，從而影響熱脫扣動作。采用使用溫度下的電阻率。

③彈性模量：是計算雙金屬動作力的關鍵參數，該指標直接影響到雙金屬的動作力做功效率以及成本等，要求彈性模量不小于15200MPa。

④變換雙金屬材料或形狀。雙金屬通過電流時發熱，選擇電阻高的雙金屬會產生更多的熱，使熱保護器的動作時間變短，最小動作電流變小。雙金屬的電阻受電阻率高低、形狀的大小及厚度影響。為此，選用進口的電阻型熱雙金屬材料，該材料由一層高導電金屬制成的中間層與雙金屬組元牢固的結合在一起制成，通過改變中間層的厚度比調整其電阻。

⑤斷路器熱脫扣機構脫扣力一般為08～1.0N。設計時雙金屬除需滿足一定的位移外，在1451m時產生的力也應滿足機構脫扣力的要求。由于機構動作力和位移重復性存在一定誤差，會導致斷路器2.55lm快速熱脫扣時間的不穩定，我們必須利用雙金屬可能產生的最大推力的25.0%～3.3%。在設計時使用平均溫度進行計算，脫扣力Fml/4-0.83N，滿足機構脫扣力的要求。

參考文獻：

[1]霍志文.雙金屬在低壓電器的設計應用及常見問題分析[J].電工材料，2009（01）：31-38+42.

[2]徐卓輝.特殊型熱雙金屬材料的制造與設計[J].電工材料，2003（04）：29-34.

[3]曾潤根.熱雙金屬室溫固相復合[J].上海金屬（鋼鐵分冊），1982（02）：47-54.

[4]低壓電器設計手冊，機械過程出版社，1992.

[5]機械設計與研究，2012.（6）：121-123.

作者簡介：蒙進喜（1989-），男，壯族，貴州省凱里市人，貴州振華華聯電子有限公司，控電器件事業部，研究方向：斷路器、開關研究設計。