智能型塑壳式断路器脱扣器的设计

  摘要: 介绍了智能型塑料外壳式断路器(HSM1z-160) 脱扣器的内部结构、工作原理、零件设计与制造时应注意的问题及不同结构零件中技术参数的分析比较。通过技术改进，使该结构装置具有加工方便、成本低，性能准确、可靠等优点。

　　0 引言

　　随着科学技术的不断进步，特别是电子技术、微电子技术、计算机、通信技术和电力工业自动化的飞速发展，产品逐渐趋于智能化、模块化、组合化，将不同功能的模块按不同的需求组合，是当今低压电器产品的发展趋势。塑料外壳式断路器中的智能型塑料外壳式断路器( 简称智能型断路器)的智能化优势在使用中越发突出。脱扣器作为一个部件，是电子式和智能型断路器的重要组成部分。由于脱扣器是控制器的执行部件，其性能对电子式和智能型断路器有着至关重要的作用。现阶段的智能型断路器中所用脱扣器技术已趋成熟，本文对不同壳架电流所用脱扣器的设计作一比较。

　　1 脱扣器结构组成及原理

　　1. 1 脱扣器结构

　　HSM1z-160 脱扣器主要有壳体、端板、推杆、衔铁、垫块、导磁片、磁钢、称套、线圈、弹簧、轴等零件组成，其结构如图1 所示。

图1 脱扣器结构图。

　　1. 2 脱扣器机构工作原理

　　脱扣器是一种含有复位装置的断路器脱扣装置。它将磁性元件、导磁体、线圈、衬套、储能器、驱动元件等紧凑地安装在一个体积很小的壳体内，并由磁性元件、壳体、导磁片、动作元件组成一个特定的磁回路。常态下，衔铁在永磁体作用下保持吸合状态，即磁回路将储能器处于最大的势能状态，当控制器检测到主回路过载或短路时，给脱扣器一个一定强度的短时持续脉冲信号( 持续时间有软件控制)，使线圈通有电流而产生反向磁通，破坏了脱扣器内的磁回路，储能器释放能量，衔铁弹出推动推杆，再推动断路器上的牵引杆执行动作，从而使断路器可靠分闸。

　　2 设计时因注意的问题

　　在选择脱扣器零件时应注意:

　　(1) 例如，HSM1z-160 脱扣器中弹簧力原设计P1 = (4. 0 ± 0. 4) N，P2 = (7. 0 ± 0. 7) N，生产过程中弹簧力偏下公差时，常常出现脱扣器脱扣而断路器却没有脱扣的情况。经不同弹簧力P1在4. 5 ～ 6 N，P2在7. 5 ～ 11 N 中的试验，当P2 >

　　9. 2 N 时，会出现断路器机构部分已在合闸位置，但脱扣器却没有吸合，从而使断路器不能可靠合闸的状况。经过试验，最终弹簧力控制在P1 =(4. 8 ± 0. 4) N，P2 = (8. 0 ± 0. 8) N。由上例可知，弹簧力与断路器脱扣力相比，应有一定的裕度，但裕度不能太大，否则又增加了再扣力，使断路器不能可靠合闸;反之，虽然减小了再扣力，使断路器能可靠合闸，但也不能使断路器可靠分闸。

　　因此，弹簧力必须适中。

　　(2) 线圈串接在线路中，流过的电流就大。

　　为减少对电路的影响，线圈的导线应粗，匝数要少。例如，HSM1z-160 脱扣器中原线圈线径为? 0. 08 mm，有效圈数3 000 圈，后线径改为? 0. 09 mm，有效圈数2 500 圈。

　　(3)在选择壳体及铁心材料的导磁性同时，要考虑价格及流通度。实际设计中，因受体积及材料价格的限制，参考脱扣力、磁钢参数应先确定。

　　(4)脱扣器与断路器之间的行程设计也应合理，否则会影响到脱扣器对断路器的冲击力，以及再扣时断路器对脱扣器的作用力。例如:HSM1z-160 脱扣器中推杆长度由4. 5 mm 改为4. 0 mm，推杆长度与牵引杆间隙因确保在0. 5 ～ 1 mm 范围内，过小会影响冲击力;反之，会减小脱扣行程。

　　3 结构零件技术参数分析

　　以智能型断路器生产的各个规格的脱扣器为例作比较，大致可分为2 种:① 将储能器放在执行部件中，且在磁回路里(暂且称作A 类);② 将储能器放在执行部件外，且不在磁回路里( 暂且称作B 类)。规格为A 类的，适用于结构紧凑、体积小的壳架电流;规格为B 类的，适用于规格A类以外的整个断路器系列。其中，HSM1z-160 脱扣器结构属于规格为A 类的型式。

　　由HSM1z-160 智能型断路器内部空间的关系，要求脱扣器的设计体积必须小，也就对脱扣器的各个零件设计要求比较严格，作为关键件或主要件来设计。设计中，虽然每个零件都很重要，但实际生产中对脱扣器影响较大的却是个别。从HSM1z-160 脱扣器最初生产的几千个脱扣器中发现，影响比较大的零件是壳体和衔铁。最初，由于壳体和衔铁的材料为铁镍软磁合金，不是常备材料，加工前要求真空退火处理，加工后又要进行真空退火处理，因此，不但加工周期长，且价格比较贵，再加上铁镍软磁合金容易变形，除加工成形时有报废外，电镀时更易变形。虽然，工艺从滚镀到吊镀有所改变，但同端板铆合时还会变形。壳体变形会导致壳体密封性降低，也就增大了磁路气隙，进而影响脱扣脉冲电压的稳定。壳体的密封不一致比材料对整体的影响更大，因此，应选择具有一定导磁性、又不易变形的材料作壳体更恰当。

　　如B 类规格，就选择比较常见的冷轧钢板作为壳体材料，虽然导磁性降低，但一致性较好。脱扣器在设计轴时应考虑同端板的配合，轴径偏小，装配后虽能保证可以自如进出，但会左右摆动，从而影响产品的可靠性。在实际设计中，用实践与理论相结合的方法解决了轴孔配合问题。下面对2 类不同规格的脱扣器设计参数作一比较，如表1 所示。

表1 两种规格的脱扣器设计参数.

　　4 功能与技术参数分析比较

　　智能型塑壳式断路器中脱扣器的驱动电路是一致的，都是通过脉冲信号控制MOS 管，通过MOS 管的开关功能控制脱扣器衔铁的动作。脱扣器功能与技术参数比较如表2 所示。

表2 脱扣器功能技术参数.

　　当然，线圈匝数对脱扣器技术参数也有一定的影响。对于规格A 类产品而言，曾对线圈的匝数减少试验表明:其对脱扣器技术参数的影响并不明显。

　　在实际使用中，施加在规格为A 类与规格为B 类上的持续脉冲都应有限，主要原因有以下2点:

　　(1)导通时，流过线圈的电流较大，线圈容易产生发热。

　　(2)导通时，主回路电流过大，而总功率是一定的，则主回路电压就拉低，使控制器不能正常工作。

　　5 实际生产情况分析与改进

　　在已逐渐投入生产的产品中，现有的技术指标与国内、外差距不大，但是质量还不稳定。因此，提高可靠性及产品质量不仅是用户的要求，也是企业进行国内、外竞争的需要。

　　在最初的实际生产过程中，规格为A 类的结构，其脱扣器零件、成品的报废率居高不下，不仅浪费了财力、物力，提高了产品的成本，也严重影响了产品的正常供货。脱扣器零件作为主要件或关键件要求生产，在现有的生产条件下加工出的零件合格率偏低，每一点不足都可能导致成品的报废或不稳定。这就不适合在现有条件下的批量生产，必将失去产品的竞争力。因此，产品的改进势在必行，主要从以下3 方面进行改进。

　　5. 1 壳体的改进

　　针对壳体来讲，首先考虑对材料进行改进，脱扣器原先采用铁镍软磁合金带，虽然导磁性好，但材质较软，在加工及装配过程中易变形，且供货周期较长，而且冲加工前和加工后技术上都要求进行真空热处理，后将材料改为冷轧钢板，技术上也不用真空热处理;其次，对材料表面处理进行改进，原先材料表面处理为Ep. Ni10Cr0. 3，现改为Ep. Zn12. c2C。通过以上2 方面的改进后，脱扣器壳体易变形现象得到很大改进，同孔端铆合时保持性较好，解决了脱扣器脉冲电压不稳定现象，提高了产品的合格率，不但节约了成本，还缩短了加工周期。

　　5. 2 脱扣器衔铁的改进

　　原先脱扣器的衔铁用铁镍软磁合金棒，后改为通用的电磁纯铁棒。技术上要求将真空热处理取消，表面处理由Ep. Ni10Cr0. 3 改为Ep. Zn12.c2C。通过以上改进，不但节约了成本，还缩短了加工周期。

　　5. 3 材料和推杆的改进

　　在实际生产中，发现脱扣器同断路器的配合有不稳定现象，但脱扣器的各零件参数选择几乎达到极限，于是只能改变推杆。从原先的平面设计改为圆弧面，利用圆弧面接触面积小的特点，相对增大推杆的推力。这样，在不增大弹簧力的情况下可解决冲击力不足的现象，保证了断路器的可靠分闸和合闸。

　　通过以上改进原设计上的不足及改善零件制造过程中的工艺，对脱扣器壳体的改进，对脱扣器衔铁的改进和对脱扣器推杆外形结构进行改进后，经过一段时间的批量生产，质量明显提高，零件的报废率大幅度下降。因此，对智能断路器脱扣器的重新设计与改进，提高了产品整体的质量，提升了产品的竞争力。

　　6 结语

　　在产品开发中，要设计的产品能适合批量生产的才称得上是好的产品。在实际生产中，脱扣器零件加工工艺的优劣对脱扣器动作检测电压有着很大影响;有时，理论设计已非常合理，但往往一个零件加工工艺稍不太理想，就会引起脱扣器检测电压偏出范围。因此，只有经过反复摸索试验，才能设计出适合现有条件下大批量生产的产品。本文所述的塑壳式断路器脱扣的执行机构属低压电器制造技术领域，在塑壳式断路器有限的空间内设计出具有体积小、功耗低、动作快及工作可靠性高等特点的产品，对低压电器向智能化、模块化、小型化、通信化方向发展起到巨大的作用。