專利名稱：新型高性能節(jié)銀觸頭-中孔觸頭的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電工行業(yè)中，主要在低壓電器領域，在周圍介質是空氣及常壓下，額定電流60A以下各種接觸器、電器開關采用的銀或銀基合金觸頭，尤其是能在改善電器開關通斷性能的情況下，減少觸頭用銀量的電觸頭。
目前，從國外處于領先地位的西方國家——德國近年來有關著作及最新出版電觸頭著作，如《電接觸和電接觸材料》A.凱爾 W.A.默爾 E.維納里庫著；《電接觸》H.霍夫特H.G施奈德編，及對照國內電接觸著作如《電器電弧理論》王其平編著，都對電觸頭進行多樣化的研究和改進，其中包括觸頭用材料的研究，觸頭機構和滅弧機構的研究，但至今尚未有“中孔觸頭”論文、著作發(fā)表或在電器產品中使用過。現有觸頭的性能，通過從銀過渡到銀基合金和采用復合銀或復合銀基合金為代表的觸頭材料的改進使觸頭在減少耗銀的同時耐受電弧性能有所提高；通過應用電動力原理和不斷改進的滅弧機構，使電弧進入滅弧機構熄滅。但是，上述各種改進中，電弧從發(fā)生瞬間到離開觸頭極面，弧根對觸頭極面的燒損始終呈密集型，因而弧根區(qū)觸頭極面燒損仍較嚴重而影響觸頭性能和壽命。
本實用新型的目的是提供一種電觸頭，它不僅能使電弧弧根對觸頭極面的燒損從密集型轉變成分散性良好的管狀弧形從而減少極面燒損，而且使極面接觸溫升下降，并同時實現相同電流等級電觸頭耗銀的減少。
本實用新型的目的是這樣實現的在現有的接觸器、開關生產過程中，其他元件、零件的制造過程不變，只是把原來使用的純銀或銀基合金觸頭按電流等級對應沖制一園形或矩形中心孔，在支承導電板原焊銀點中心各沖制相同孔，然后對孔焊接而制成中孔觸頭部件，批量生產采用復式沖模一次成形。在接觸器中還須把動觸頭上面的彈簧支片兩端中心處一次性沖出比園形孔或矩形孔略大的凹口。上述中孔觸頭部件組裝在接觸器、開關中時，其特征是須使動靜觸頭貫穿孔重合暢通，其孔徑值可在電觸頭外徑值一半以下數值選取。這種類型的接觸器，開關就可取代相同電流等級的接觸器，開關使用，而電氣聯接方式不變。
由于采用上述方案，這種帶中孔觸頭的接觸器，開關在電路通斷過程中，能把燒損嚴重的密集型電弧轉化成分散性良好的園管狀電弧，不僅電極燒損減少，而且電極接觸溫升下降而延長電觸頭使用壽命；與原觸頭相比減少了中孔部分用銀；采用復式沖模一次成形，實現上述方案生產工藝簡單。
以下結合附圖和實施側，通過電弧原理及在中孔觸頭中運動規(guī)律作進一步說明。


圖1是本實用新型第一個實施例——接觸器觸頭系統(tǒng)采用園形中孔觸頭結構視圖。其中上圖為主視圖，下圖為俯視圖。
圖2是圖1主靜觸頭(5)放大俯視圖。
圖3是圖1主靜觸頭無孔時電弧直徑Φ0俯視圖。
圖4是本實用新型第二個實施例——接觸器觸頭系統(tǒng)采用矩形中孔觸頭結構視圖。其中上圖為主視圖，下圖為俯視圖。
圖5是圖4主靜觸頭板(2)放大俯視圖。
圖中1.主動觸頭板2.主靜觸頭板3.彈簧支片4.主動觸頭5.主靜觸頭6.電弧7.中孔觸頭園形貫穿孔8.電弧外徑Φ19.弧環(huán)帶中間園直徑2R210.無孔觸頭電弧直徑Φ011.中孔觸頭矩形貫穿孔12.主靜觸頭板(2)與主靜觸頭(5)焊接面在I-I剖面處的寬度I。
在圖1中，接觸器主動觸頭板(1)兩端焊銀觸頭中心點各沖制有一園形孔，兩主靜觸頭板(2)原焊銀中心點各沖制有一園形孔，園形孔孔經值在電觸頭外徑一半以下值選取，例從20A～60A對應取值2～4mm；彈簧支片(3)的兩端中心位沖出凹口，其凹口略大于上述園形孔；主動觸頭(4)、主靜觸頭(5)各在其中心沖有圓形孔。當把主動觸頭(4)對準主動觸頭板(1)兩端園形孔焊接，主靜觸頭(5)對準主靜觸頭板(2)園形孔焊接后，就形成中孔觸頭部件。把上述部件安裝于接觸器基座和觸頭支持上，調整觸頭系統(tǒng)時，以動靜觸頭貫穿孔在吸合時重合及通斷過程中貫穿孔暢通為準。
現把上述帶中孔觸頭的接觸器使用于通斷相同等級電流的電氣設備上，其特征如下1.根據電弧原理，觸頭間電弧通常有陰極區(qū)、陽極區(qū)和基本弧柱三個特性區(qū)，觸頭兩極表面溫度受電極材料沸點的限制，但基本弧柱部分溫度極高。由于熱和電的原因，弧柱內部氣體處于不斷游離和消游離的動態(tài)平衡中。而消游離主要是指弧柱中離子的復合和擴散，因此當電的方面條件確定情況下，觸頭電弧的熄滅將與觸頭周圍介質參數，觸頭結構及散熱條件等因素有關。當圖上主動觸頭(4)與主靜觸頭(5)閉合時，其接觸部分實際上是中孔邊的園環(huán)面，與無孔原觸頭的點接觸相比，其接觸發(fā)熱區(qū)大而分散，故通斷相同電流時，觸頭上散熱性能比無孔原觸頭強。
按圖3，已知無孔原觸頭弧柱直徑(10)為Φ0，設中孔觸頭的孔徑制成等于原觸頭弧柱直徑(10)之Φ0，由于電弧的直徑與電流有關，對于在空氣中自由燃燒的靜止電弧，其直徑與電流的平方根成正比，根據實驗可用下列經驗公式表示。
則有J=IS=I(π/4)d2=0.086]]>據此，電弧電流密度保持不變，并與電流無關。因而，在分斷相同的靜止型電弧中，無孔觸頭的弧柱電流密度J0與中孔觸頭的弧柱電流密度J1應相同。其中
J1=I0(π/4)·(Φ12-Φ02)]]>則有 Φ02＝Φ12-Φ02Φ1=2Φ0]]>Φ1為中孔觸頭弧柱外徑。
當觸頭分離間隙為§時，中孔觸頭管狀弧柱表面積由內孔表面積S0和外環(huán)表面積S1組成，其中S0＝πΦ0§(內孔)
而相應無孔觸頭弧柱表面積S其值為S＝πΦ0§設中孔觸頭弧柱表面積比無孔觸頭弧柱表面積大S′，則考慮到擴散表面外環(huán)境的一致前提下相抵，S′值為，S′＝S1+S0-S＝S0+(S1-S)
據此，中孔觸頭比無孔觸頭具有更大的的擴散表面，從而加強了弧柱冷卻去游離過程。
2.中孔觸頭弧柱成中空圓管狀，接近兩極收縮，中空冷卻氣流和離子加速流通擴散，對弧柱直接起降溫去游離作用。其機理為電弧單位體積散出的功率可用下式表達P＝ρaCVgradT式中ρa——氣體密度C——氣體單位體積的熱容系數V——運動速度在自由并垂直燃熾情況下，電弧受重力的作用本身能產生對流。根據流體力學原理，對于未擾動的空氣運動方程式可寫為ρadvdt=-gradp+ρa·g]]>式中 g——重力加速度gradp——壓力梯度由上式可得gradp＝ρa·g由于觸頭分離瞬間線路電能以電弧形式釋放，電弧中氣體及其周圍氣體被熾熱，其密度下降到ρb，可近似地寫為ρbdvdt=-ρa·g+ρb·g]]>經整理為dvdt=-(ρa-ρb)ρb·g]]>上式表達了電弧中氣體及其周圍氣體將有向上方向的加速運動。由于電弧本身受兩電極的限制，因此，對中孔觸頭的中孔結構，電弧的向上運動集中地表現為電弧外環(huán)和中孔貫穿氣流的向上運動，從而形成冷卻氣流。此時，吸收電弧熱能并攜帶電弧擴散離子的熱氣流從觸頭中心孔噴出，而外界冷氣體瞬時從下孔吸入。由于在弧柱中每立方厘米每秒內正離子或負離子數目的減少為dni+dt=dni-dt=-αni+ni-]]>式中α為離子復合系數，ni+ni-為正負離子數，可統(tǒng)一為n，則上式可寫成。dndt=-αn2]]>其中復合系數α與氣體的種類，溫度和壓力有關，對于空氣中自由燃熾的電弧，其值為α＝7.6×10-6·(273/T)3由此可知，當電弧溫度下降時，復合系數α成立方地迅速增加，據此，中孔觸頭的中孔結構形成的冷卻氣流不僅使弧柱熱能迅速擴散而降溫，而且弧柱離子復合速度迅速增加并同時攜帶部分離子隨熱氣流噴出而復合，導致電弧消游離而迅速熄滅。
由于對流，擴散散熱占弧柱散出功率的極大部分，顯然，由上所述中孔觸頭比無孔觸頭具有更強的熄弧能力。
3.根據傅氏定律，在時間dt內經任何單元面積ds熱量dQ與垂直于該面的溫度梯度gradT成正比。dQdt=-λds·gradT]]>式中λ-導熱系數，負號表示熱量傳導方向與溫度增加方向相反。
按本文1.段分析，如圖2、圖3所示，已知無孔觸頭電弧直徑(10)為Φ0，中孔觸頭對應電弧內徑Φ0，外徑Φ1值為
Φ0，則在電弧剛起弧時兩種觸頭弧柱溫度近似相同情況下無孔觸頭溫度梯度為gradT0，其梯度段為弧柱中心到邊界距離Φ0/2；中孔觸頭溫度梯度為gradT1，由于其弧柱最高溫處于弧環(huán)帶中間即R2處，其梯度段為R2到弧柱內圓Φ0的距離和到弧柱外圓Φ1的距離。
2R2＝(Φ0+Φ1)/2R2=(2+1)Φ0/4]]>則有<1>R2-Φ0/2=(2-1)Φ0/4]]><2>Φ1/2-R2=2Φ0/2-(2+1)Φ0/4=(2-1)Φ0/4]]>由于Φ0/2>(2-1)Φ0/4]]>，顯然中孔觸頭的弧柱溫度梯度大于無孔觸頭的溫度梯度。
gradT1＞gradT。
其次，在1.段中已得出中孔觸頭弧柱表面積比無孔觸頭弧柱表面積大s′，故而根據傅氏定律得出中孔觸頭傳導散熱優(yōu)于無孔觸頭。
4.在電弧產生的同時，伴隨著輻射散熱，其輻射散熱量可用斯蒂芬——波爾曼公式P＝C·S·[(T1/100)4-(T2/100)4](瓦)式中S-電弧熱體的輻射表面積(平方米)T1-電弧熱體表面溫度(°K)T2-接受輻射波的周圍介質溫度(°K)C-輻射系數(瓦/°K4平方米)在本文1.段分析中已得出中孔觸頭弧柱表面積比無孔觸頭弧柱表面積大S′，故通過輻射形式散出熱能中孔觸頭優(yōu)于無孔觸頭。
綜上所述，中孔觸頭由于其特殊結構，使電弧在對流擴散，傳導和輻射散熱中優(yōu)于無孔觸頭，形成電弧去游離過程增強熄弧迅速及接觸溫升低的特性。
現以圖1實施例方案為例使用CJ10-20交流接觸器幾臺，根據國標“GB998-67低壓電器基本試驗方法”和部標“JB/DQ4044-31空氣電磁式交流接觸器”有關規(guī)定進行對比性觸頭穩(wěn)定溫升試驗，其中一臺為原觸頭，其他主觸頭進行改制，使其孔徑各為1.8mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm，并按定期試驗有關規(guī)定由熱電偶法測試主觸頭的穩(wěn)定溫升，結果如表。
孔徑Φ0mm1.8 2.0 2.5 3.0 3.5無孔觸頭τ0℃ 5353535353中孔觸頭τ0＂℃ 42.1 34.9 27.5 2521.5比值τ0＂/τ00.79 0.66 0.52 0.47 0.41現有實測所得的τ0＂/τ0與對應孔徑關系曲線列于坐標圖如下
由此可見，中孔觸頭隨孔徑適度增加其觸頭接觸溫升比原觸頭有顯著下降。
對上述接觸器進行通斷能力試驗，經過100次接通20次通斷后，從示波圖中顯示，接通與通斷波形正常，通斷的燃弧時間矩約6.5ms以下，通斷后的絕緣試驗合格，動作特性試驗合格，肉眼觀察中孔觸頭(各孔徑)極面燒損程度明顯輕于無孔原觸頭極面的燒損，從而延長了觸頭的壽命。
以上所述主要以25A以下在觸頭間以靜止型電弧為主。對于25A以上的電弧，因電弧本身產生的磁場力或外界磁場力的雙重作用呈運動型，除采用上述園形孔外，更適用于矩形孔。
在圖4所示的第二個實施例中，接觸器主動觸頭板(1)兩端焊銀觸頭中心點各沖制有一矩形孔(11)；兩主靜觸頭板(2)原焊銀中心點各沖制有矩形孔(11)；這些矩形孔大小相同，并與對應電流等級沖制的園形孔面積相同，其觸頭中心位于矩形孔中以短邊為正方形的正中位，而矩形孔長邊的方向即為電弧遷移方向。如圖5所示即有
b＝2aa.b＝2a2＝π/4.Φ02a=1/2·(π/2)·Φ0=0.625Φ0]]>b＝1.25Φ0式中a-矩形孔矩邊b-矩形孔長邊Φ0-中孔觸頭園形孔徑彈簧支片(3)的兩端中心位對應沖出凹口，其凹口應略大于上述矩形孔；主動觸頭(4)，主靜觸頭(5)各在其中心沖有矩形孔。當把主動觸頭(4)孔口對準主動觸頭板(1)兩端矩形孔焊接，主靜觸頭(5)孔口對準主靜觸頭板(2)矩形孔焊接，就形成中孔觸頭部件。
把上述部件安裝于接觸器基座和觸頭支持上，調整觸頭系統(tǒng)時，以動靜觸頭矩形貫穿孔吸合時重合及通斷動作過程中貫穿孔暢通為準?，F把上述帶中孔觸頭的接觸器使用于控制相同等級的電氣設備上，其特征是當觸頭分離運動型電弧時，其各個階段有下面各圖表示的對應過程。
其中tA-指觸頭剛開始分離，但仍靠熔橋相連直至熔橋斷裂瞬間，其間有熔橋微弱光。
tH-觸頭間熔橋斷裂蒸發(fā)和飛濺，兩極間因熱發(fā)射，場發(fā)射和場致發(fā)射引起電弧，電弧在起弧點穩(wěn)定地燃燒，因有限的區(qū)域內熱源的累積作用，使弧根基點產生熔化區(qū)，引起電極的侵蝕。
tL-電弧弧根基點約以小于10ms速度定向遷移，其間伴隨著接點的熔化，在電極上留下熔化痕跡，直至到達觸頭邊緣。
tK-電弧離開觸頭表面，從支承體移向滅弧機構，其間運動速度達40m/s，最終進入滅弧機構熄滅。
從上述運動型電弧一般規(guī)律及試驗表明，電弧停留在觸頭上的時間，只占電弧在電器中存在時間的1/4左右。觸頭的磨損主要在弧根停留在起弧點的tH段和在觸頭窄縫中遷移的tL段。據此，減少電弧停滯時間和在停滯時間內減少電弧的侵蝕成了觸頭研究的重要課題。
由上段分析得出在觸頭分離過程中，tH段為運動型電弧處于在起弧點穩(wěn)定燃燒時刻，其特征與靜止型電弧相同，故中孔觸頭的三大特征-環(huán)狀面接觸，管狀弧柱的擴散表面積增加和中孔冷卻氣流都發(fā)揮作用，加快電弧去游離過程。
其次，當電弧基點開始定向遷移時，從電弧離開中孔位置，直至弧柱邊緣離開中孔邊緣，其間中孔觸頭三大特征中，環(huán)狀面積逐步減小，管狀弧柱擴散表面積逐步減小及中孔冷卻氣流作用逐步減弱，因而中孔觸頭的去游離作用由強轉弱，而此刻電弧巳遷到觸頭邊緣，滅弧機構得以在明顯削弱了電弧條件下迅速熄弧。由于在本實施例中采用了矩形孔。觸頭的磨損ΔM與觸頭的寬度I成反比關系ΔM＝C/I式中C-和電流大小，電觸頭結構和其它試驗條件有關的常數。
則矩形孔的觸頭寬度I-a＝I-0.625Φ。
圓形孔的觸頭寬度I-Φ。
無疑，矩形孔的觸頭寬度比圓形孔觸頭寬度略大而有利減少磨損。
從圖5所示結構看出，矩形孔朝電弧遷移方向一邊到觸頭邊緣距離比圓形孔短，即Φ/2-3a/2-Φ/2-0.625Φ0·3/2＜Φ/2-Φ0/2式中，Φ——觸頭外徑故而使電弧移向邊緣過程中，即在tL段使中孔觸頭中孔氣流等特性作用時間比園形孔長，即矩形孔結構更適于運動型電弧熄弧。
采用上述方案，對以運動型電弧為代表的CJ10-40交流接觸器進行通斷能力試驗，其孔徑分別為2.5mm、3mm、3.5mm經100次接通和20次通斷后，從示波圖顯示，接通與通斷波形正常通斷燃弧時間短約7.5ms以下，通斷后的絕緣試驗合格，動作特性試驗合格。其觸頭接觸穩(wěn)定溫升的下降特征與第一實施例園形孔相同。
權利要求1.一種新型高性能節(jié)銀觸頭——中孔觸頭，在周圍介質是空氣及常壓下，額定電流60A以下各種接觸器內，絕緣基座上的主靜觸頭與觸頭支持上的主動觸頭構成動合電連接，其特征是絕緣基座上是材質及外形尺寸與原主靜觸頭相同但帶有中心孔的主靜中孔觸頭，觸頭支持上是材質及外形尺寸與原主動觸頭相同但帶有中心孔的主動中孔觸頭；主靜中孔觸頭與主靜觸頭板或主動中孔觸頭與主動觸頭板都有同心又重疊的園形或矩形貫穿孔；并且，在結構位置上主動中孔觸頭上的園形或矩形貫穿孔的正投影與絕緣基座上主靜中孔觸頭的園形或矩形貫穿孔重合。
2.根據權利要求1所述的中孔觸頭，其特征是觸頭園形孔孔徑值小于原觸頭外徑值的一半。
3.根據權利要求1所述的中孔觸頭，其特征是觸頭矩形中孔面積等于對應園形中孔觸頭時園形孔的面積；觸頭中心位于以矩形孔短邊為正方形的中心，矩形孔兩短邊中點的連線與主靜觸頭板對稱中心線中極面短邊中點到觸頭中心點的連線重合。
4.根據權利要求1所述的中孔觸頭，其特征是接觸器觸頭系統(tǒng)中主動觸頭板上的彈簧支片的兩端有不復蓋主動中孔觸頭園形或矩形貫穿孔的凹口。
專利摘要一種在電工行業(yè)中，周圍介質是空氣及常壓下，額定電流60A以下各種接觸器、開關所用的銀或銀基合金觸頭，其觸頭極面中心包括支承導電板有圓形或矩形貫穿孔，在通斷過程中，動靜觸頭貫穿孔重合暢通的中孔觸頭。在相同電流等級電路通斷過程中，帶有中孔觸頭的接觸器、開關能把燒損嚴重的密集型電弧轉化成接近兩極略有收縮的中空圓管狀電弧，中孔冷卻氣流加快弧柱熄滅而減少極面燒損，并使電極接觸溫升下降，又減少電極耗銀(中孔部分)，延長了電極使用壽命。
文檔編號H01H1/06GK2261073SQ95220030
公開日1997年8月27日 申請日期1995年8月20日 優(yōu)先權日1995年8月20日
發(fā)明者蔣法波 申請人:蔣法波