可保证断电分闸的具有电磁反力的永磁式接触器的实现与分析

陈德为 黄烨洋 吕伯钦 李鸿扬

（福州大学机械工程及自动化学院，福州 350002）

可保证断电分闸的具有电磁反力的永磁式接触器的实现与分析

陈德为 黄烨洋 吕伯钦 李鸿扬

（福州大学机械工程及自动化学院，福州 350002）

根据永磁体同极磁场相斥异极磁场相吸的原理以及钕铁硼永磁体极高的磁能积和矫顽力，本文提出一种新型的可保证断电分闸的具有电磁可控反力的永磁式智能交流接触器的设计方案，并对其动态特性进行了测试与分析。分析结果表明该新型永磁式智能交流接触器可保证在断电的常态下触头永远处于分断状态，而且可实现快速合、分闸。

永磁式智能交流接触器；可保证断电常态分闸；动态特性；测试与分析

交流接触器是一种常用于电气控制与低压配电系统中的电磁电器，在大容量的控制电路以及需要反复通断交流或直流电路的远距离集中操控场合有着很好的适用性[1]。交流接触器的非正常运行不仅会严重影响生产线的正常运作，还可能导致严重的事故危及人生安全[2]。因此保证交流接触器的可靠运行对整个系统稳定性至关重要。随着现代工业步伐的逐步加速，市场对交流接触器的产量和工作性能的要求也在不断提高。

传统交流接触器是以线圈通电产生的电磁力驱动的，在这样的工作方式下，接触器的触头部分极易受电网电压起伏不定因素的影响而导致损坏。同时接触器为了维持稳定的合闸状态而持续高压通电将导致线圈温升，这些将增加接触器工作过程的耗能。相比之下永磁接触器的最大优势在于吸持阶段的节电工作，这降低了接触器在工作过程中的电能消耗，并实现了免维护运行。永磁机构原理这一革命性原理于20世纪80年代被提出[3-4]。

永磁体能提供稳定的磁场是个优点，但在常态下也是缺点，会使接触器在未通电的情况下无法分闸。现阶段大部分的永磁接触器主要凭借永磁力来保持合闸，关于突然断电情况下能够可靠分闸的接触器的研究成果还不够成熟。因此本文为了解决这一问题设计了一个非线性弹簧来抵消永磁体的磁力，使接触器在常态下能正常分闸。传统交流接触器的分闸主要依靠弹簧的弹力，这使得分闸时速度慢且动静触头间易产生电弧，本文在动铁心上增加永磁体，利用永磁体具有较大矫顽力的特性，由系统控制整流回路接通线圈产生和永磁体磁力相当但方向相反的电磁力，利用同极磁场间的斥力和弹簧弹力使接触器快速分闸。

1 永磁式智能交流接触器的实现

1.1 永磁式智能交流接触器的操动机构描述

本文设计的永磁式智能交流接触器，由塑壳、动铁心、静铁心、动静触头、主线圈以及非线性弹簧等构成机械操动机构。如图1所示，动铁心4中嵌入一块长方体永磁体 5和一块圆柱体永磁体 6，另一块圆柱体永磁体10嵌入线圈骨架9的底部作为接触器的静铁心，非线性弹簧套在动铁心的外部，三相触头A、B、C不同步[5]。

图1 永磁式智能交流接触器机构简图

1）非线性弹簧

整体呈塔状且弹性系数并非固定不变的弹簧为截锥螺旋压缩弹簧（以下称为非线性弹簧），非线性弹簧在接触载荷的初始阶段弹力与弹簧变形量成正比即呈线性关系，随着载荷逐渐增大，弹簧的有效圈数减少且刚性增强，在该阶段弹力与变形的关系是非线性的。弹簧的自振频率受到刚度变化的影响，非线性弹簧非固定值的刚度有利于缓和或者防止消除共振，因而常用于有减振需求的场合。同时，与普通的圆柱螺旋压缩弹簧相比，特殊的结构使非线性弹簧可以在完全压缩高度更小的条件下承受更大的载荷，并且受载时具有更好的稳定性。本文选用的主力弹簧为非线性弹簧[6-7]，对于永磁式智能交流接触器而言，非线性弹簧在完全压缩时刻产生的最大反力是其抵消永磁吸力并保证永磁接触器在常态下分闸的关键。此外，主力弹簧的受载稳定性可保证使接触器的合闸与分闸过程顺利可靠的进行。

非线性弹簧的变形量与轴向载荷的特性曲线如图2所示。动铁心向下运动至刚合点的过程中，弹簧弹力值的大小也随着自身的完全压并递增至最大值。接触器完成合闸动作之后，弹簧反力增至最大，控制电路接通低压电路，此时低压电磁力与永磁动铁心的矫顽力可抵消弹簧的最大反力，从而实现接触器的低压吸持。

图2 截锥螺旋弹簧的特性曲线

2）动铁心

本文选用的永磁体[8-9]N35是由钕铁硼材料制成的。稀土永磁材料中的钕铁硼永磁材料于19世纪90年代被发明，其中含有大量的稀土元素钕、铁和硼。因其相对于其他永磁材料所具备的良好机械性能与突出的磁积能特性，被誉为永磁王。同时丰富的原材料来源与适宜的价格也让钕铁硼逐步代替其他永磁材料取得在工业应用中的重要地位。

动铁心和主线圈骨架都采用尼龙材料制成，尼龙具有不导磁、无剩磁的特性，因此不会产生类似剩磁材料（如硅钢片、半硬磁合金材料等）磁化后需要反向电流去磁的现象。在常态断电的情况下，主力弹簧的弹力大于动静铁心之间的静态吸力令永磁式智能交流接触器处于分闸。线圈正向通电的情况下，根据电磁感应原理通电线圈产生磁场与电磁吸力，动铁心在永磁吸力与异向相吸生成的电磁吸力的复合作用下，克服弹簧反力带动触头向下运动至完全闭合。触头正常合闸后，接触器的控制系统通过单片机关断高压电路，同时线圈接通24V直流电压，接触器依靠低压吸持。线圈反向通电的情况下，永磁磁场与线圈电磁场同向相斥，弹簧反力与电磁反力促使动铁心向上移动至触头分离。

3）静铁心

本文选用的静铁心材料为Q235型号的低碳钢，低碳钢加工性好，具有较高的磁饱和感应强度以及较小的矫顽力，因此不易产生剩磁，但易有铁损。

1.2 永磁式智能交流接触器的控制系统

为完成永磁式智能交流接触器的动态特性实验，一套完整齐全的智能控制系统是不可缺少的。本文根据永磁式智能交流接触器的动作特性与要求设计的智能控制系统主要包括单片机模块、电路模块以及A/D采集模块。如图3所示，单片机模块于软件平台写入程序并执行命令，单片机作为控制电路导通的主控核心，电路模块识别单片机指令完成电路的通、断电，A/D采集模块由传感器采集电流信号传输至上位机。

图3 永磁式智能交流接触器智能控制原理图

永磁接触器在合闸与分闸时各自通正、反向电流。接通AC 220V电源后，控制系统首先通过电路中的过零检测电路检测电源电压的过零点，单片机根据判断过零信号调用延时程序执行接触器选相合闸动作。高压元件在延时程序中被启动后，单相电源电压经整流回路输出的脉动直流电压通过控制回路1正向加在接触器线圈上，产生正向激磁，使接触器在线圈强激磁和永磁体强激磁的叠加下快速可靠吸合。

单片机程序在接触器吸合结束后关闭高压元件并通过控制回路3接通低压吸持回路，完成永磁式智能交流接触器直流低压无声节电吸持[10]。

接触器分闸过程中，单片机接收到由过零电路检测出A相负载电流已过零的信号后，关断低压部分的开关器件并开启控制回路2中的高压元件，令永磁式智能交流接触器的三相异步触头结构能够在三相负载电流同时过零点的附近可靠分断。整流电压经控制回路2再次反向加在接触器线圈两端使其反向激磁，进而产生与永磁力方向相反的可控电磁斥力，在电磁斥力以及非线性弹簧的弹簧反力叠加下完成永磁式智能交流接触器的迅速分闸，从而有效地缩短分闸过程中触头电弧的燃弧时间，减小触头的烧蚀程度。单片机系统的控制流程图如图4所示。

图4 永磁式智能交流接触器单片机控制流程图

2 永磁式智能交流接触器的动态特性测试与分析

应用本研究室研制的基于单目视觉技术的智能交流接触器三维动态测试装置，对永磁式智能交流接触器进行全方位的三维动态特性测试[11-13]。

2.1 测试特征点标记

以永磁式智能交流接触器的首开相触头（A）、非首开相触头（B）和动铁心（C）的三维运动过程为测试对象，用CAD绘制以白色为背景的黑色圆形特征标记点对测试对象进行正面和侧面标记。这些特征标记点的运动过程可以代表刚体部件的运动过程，从而获得准确有效的动态特性。永磁式智能交流接触器的特征标记点如图5所示。其中Z方向为接触器的主运动方向，X、Y方向为非主运动方向。

图5 永磁式智能交流接触器特征标记点示意图

2.2 永磁式智能交流接触器合闸过程的动态测试与分析

如图6所示，其中az表示首开相触头在z方向上的位移、zb表示非首开相触头在z方向上的位移，zc表示动铁心在 z方向上的位移，i表示通过线圈的电流，u表示线圈两端电压，v表示动铁心的运动速度。

图6 合闸相角θ =0°永磁式智能交流接触器吸合过程图

线圈电磁力与永磁吸力带动动铁心部件（动铁心、首开相触头、非首开相触头）开始向下运动，非首开相触头向下运动约6mm之后，触头闭合达到刚合点。首开相触头由于被垫高约4mm，在非首开相触头闭合之后，在电磁力的作用下继续往下运动至10mm之后，触头闭合达到刚合点。首开相触头也闭合之后，动铁心在电磁力的作用下拉伸触头弹簧继续往下运动约 13.5mm之后达到刚合点，此时动铁心的速度为最大值。动静铁心的碰撞使底部软垫产生变形，动铁心在达到刚合点之后仍向下运动了一段距离，受到阻力速度骤减，直到软垫的变形达到极限值，随着软垫的复原，动铁心又受力向上回弹，重复此振荡运动至振幅为 0，软垫无变形，动铁心回到原刚合点。由图6可知，首开相触头、非首开相触头和动铁心触动之后在主运动方向上的运动曲线并非完全一致，这是由于电磁电器的动作过程是极其复杂的，整个电磁系统与机械系统相互作用，受到各种参数的影响[14]。因此，通过对智能接触器动态特性的测试与分析，可以更为直观真实地反映其动态过程。

图 7（a）、（b）、（c）分别为合闸相角θ =0°吸合过程时首开相触头、非首开相触头和动铁心的三维运动曲线。 za、 zb、 zc分别表示首开相触头、非首开相触头和动铁心在z方向的位移， xa、 xb、 xc分别表示首开相触头、非首开相触头和动铁心在x方向的位移， ya、 yb、 yc分别表示首开相触头、非首开相触头和动铁心在y方向的位移。

由图7可知，永磁式智能交流接触器的线圈正向上电后，动铁心部件向下运动，首开相触头和非首开相触头的运动过程较为平稳，触头闭合之后在z方向上的回弹也较小。在与静铁心产生碰撞之前，动铁心的运动曲线也是呈平稳上升的状态，当动铁心达到刚合点，也就是动、静铁心产生碰撞之后，动铁心在 z方向上有一定的回弹。此外，动铁心部件的配合间隙以及装配产生的误差，使接触器在合闸过程中，非主运动方向即x、y方向上也有较小幅度的晃动。

图7 合闸相角θ =0°永磁式智能交流接触器位移特性曲线

2.3 永磁式智能交流接触器分闸过程的动态测试与分析

图 8为永磁式智能交流接触器在相角θ =0°时依靠电磁反力分闸的动态特性曲线，图9为依靠弹簧反力分闸的动态特性曲线。za、 zb、 zc分别表示首开相触头、非首开相触头和动铁心在主运动方向 z方向上的位移。接触器在分闸的过程中，动铁心部件受到向上的力，动铁心最先开始运动，运动一定距离后，被垫高的首开相和非首开相相继弹开，当运动到顶部时动铁心作减速运动仍会运动一段距离，受顶部塑壳及动铁心自身变形影响，动铁心有一定的回弹，振荡至运动静止。对比图8和图9可知，接触器在电磁反力和弹簧反力共同作用下弹开较仅靠弹簧反力弹开时的受力更大，分断速度更快，分断时间更短，从而减少电弧的燃弧时间，降低触头烧蚀程度，延长接触器的寿命[15]。

图8 依靠电磁反力弹开永磁式智能交流接触器分闸过程图

图9 依靠弹簧反力弹开永磁式智能交流接触器分闸过程图

3 结论

本文提出了一种新型的永磁式智能交流接触器，重新设计其控制系统，并采用本研究室自主研究的基于单目视觉技术的智能交流接触器的三维动态测试装置对改造后的永磁式智能交流接触器进行动态测试，得出以下结论：

1）永磁式智能交流接触器可在非线性弹簧反力的作用下保证断电常态分闸。

2）永磁式智能交流接触器可在STM32单片机的控制下能够克服弹簧反力稳定合闸并低压吸持，相比于传统接触器更为节能节材，且线圈在低压条件下不易发热烧毁，延长接触器的使用寿命，减少接触器的更换与维修。

3）永磁式智能交流接触器的分闸可在弹簧反力和可控电磁反力的共同作用下快速完成，能够有效缩短燃弧时间，延长触头寿命。

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The Realization and Analyze of Permanent Magnet Intelligent AC Contactor with Electromagnetic Controllable Force which Could Guarantee the Outage Opening

Chen Dewei Huang Yeyang Lv Baiqin Li Hongyang
(Mechanical Engineering Institute of Fuzhou University, Fuzhou 350002)

According to the principle of permanent magnet that the homopolar magnetic field’s repulsion and the heteropolar magnetic field’s attraction, and the very high accumulation of magnetic energy and coercivity of the NdFeB permanent magnet, this paper puts forward a design scheme of the new type of permanent magnet intelligent ac contactor which could guarantee the outage opening with electromagnetic controllable force, test and analyze the dynamic characteristics of the contactor. The analysis results showed that the contacts of this new type permanent magnet intelligent ac contactor can normally keep open in outrages, it can also realize fast closing and opening.

permanent magnet intelligent ac contactor；guarantee the outage opening；dynamic characteristics；test and analyze

陈德为（1962-），男，博士，教授，研究方向为电器智能化。