交流接触器的优化设计

毕业设计论文
题目交流接触器的优化设计
（院）系电气与信息工程系
专业电气工程及其自动化班级0104 学号 010******* 学生姓名谭闯辉
导师姓名赵毅君
完成日期 2005年6月16日
湖南工程学院
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：交流接触器的优化设计
姓名谭闯辉系别电气与信息工程系专业电气工程及其自动化班级0104 学号010********指导老师赵毅君教研室主任石安乐
一、基本任务及要求：
在规定时间内，完成以下工作：
1、整体方案的设计；
2、触头系统设计；
3、灭弧系统设计；；
4、电磁系统设计（计算机优化设计）；
5、提交设计说明书和图纸。

二、进度安排及完成时间：
（1）3月7日至3月26日：查阅资料；撰写文献综述和开题报告；熟悉相关的知识。

（2）3月26日至4月9日：毕业实习。

（3）4月10日至4月20日：整体方案的设计。

（4）4月21日至5月10日：触头系统设计。

（5）5月11日至5月20日：灭弧系统设计。

（6）5月21日至5月30日：电磁系统设计（计算机优化设计）。

（7）6月1日至6月14日：撰写毕业设计论文。

（8）6月17日至6月20日: 毕业设计答辩。

目录
摘要 (I)
Abstract (II)
第1章绪论 (1)
1.1交流接触器的用途、工作原理及分类 (1)
1.2交流接触器的主要技术参数 (1)
1.3交流接触器的主要技术指标 (3)
1.4接触器的设计要求和典型结构 (4)
1.4.1设计要求 (4)
1.4.2典型结构 (4)
1.5总体结构方案的确定 (4)
第2章触头系统设计 (6)
2.1 触头的定义及形式 (6)
2.2 触头设计的要求 (7)
2.2.1触头材料的选择要求 (7)
2.3触头的工作参数、结构参数和特性指标 (7)
2.3.1触头的工作参数 (7)
2.3.2触头的结构参数 (7)
2.4主触头的设计 (8)
2.4.1 主触头回路形式 (8)
2.4.2 主触头的设计与计算 (8)
2.4.3主触头温升与热稳定性的验算 (11)
2.5辅助触头的设计与计算 (13)
2.5.1辅助触头的基本参数 (13)
第3章灭弧系统设计 (16)
3.1概述 (16)
3.2灭弧原理的研究 (16)
3.2.1斯列宾理论 (16)
3.2.2 熄灭电弧的基本方法 (16)
3.2.3 常用的灭弧装置 (17)
3.3选择主触头灭弧系统的结构形式及尺寸 (18)
3.3.1验算主触头灭弧系统性能 (19)
3.4辅助触头系统的灭弧方法 (19)
第4章电磁系统设计 (20)
4.1 概述 (20)
4.1.1电磁系统的种类和典型结构形式 (20)
4.1.2电磁系统的基本特性 (20)
4.2 电磁系统设计 (21)
4.2.1计算电磁系统反力 (22)
4.2.2电磁结构形式的确定 (24)
4.2.3电磁铁的设计与计算 (25)
4.2.4磁铁初步设计 (28)
4.3 分磁环的设计 (30)
4.3.1 分磁环的概念 (30)
4.3.2 分磁环的结构及其固定方式 (31)
4.3.3 分磁环的设计与计算 (31)
4.4确定其它结构尺寸和画出磁系统草图 (32)
4.5 电磁铁性能验算 (33)
4.5.1主要计算 (33)
4.5.2主要判断 (38)
4.5.3计算电磁铁材料及经济重量 (40)
第5章交流接触器的节电运行 (41)
5.1 概述 (41)
5.2传统电磁系统存在的问题 (41)
5.3交流接触器节电的基本原理 (42)
5.4交流接触器节电技术的发展 (43)
5.4.1节电产品的分类 (44)
5.4.2电容式无声节电器的结构和原理 (44)
结束语 (48)
参考文献 (49)
致谢 (50)
附录A 吸力-反力特性曲线图 (51)
附录B 总装备图与主要零部件图 (52)
交流接触器的优化设计
摘要：本次设计的是100A三极交流接触器，在分析样机的基础下，选取最优的设计方案进行设计。

交流接触器从结构上看主要是由触头灭弧系统、电磁系统及灭弧系统三部分组成。

设计的主要内容为:触头系统设计与计算，灭弧系统设计与计算和电磁系统设计与计算。

分析了交流接触器采用节能技术后的节能降噪效果，给出了这种新型交流接触器的设计、工作原理、设计分析及结论。

这种接触器的特点是节能,节材.缩小体积.降低噪音.延长交流接触器寿命。

关键词：交流接触器电弧触头电磁铁节能
I
Optimal Design Of AC-Contactor
ABSTRACT:That this dissertation is designed is 100A three pole AC Contactor, The base of draing lessons from the analysis prototype of a machine being living is gated off .The AC- contactor sees from the construction primarily be put out by the head of the system of arc, electromagnetism system and Put out arc system three parts constituent. The main substance designed is : Contact finger system design together with calculation ,Put out arc system design together with calculation and electromagnetism system design together with calculation . On the basic of working characteristics of Ac contactors and design principles. The favorable effects like energy conversation and noise reduction come from the application of energy saving technology of AC contactors were put forward. The design, operation principle, analysis and conclusion of the novel AC contactor are also given. This AC-contactor’s exploits are that it makes use of alternating current for suction, keeping magnetic force eternally, capacitor discharging and releasing.
Key words: AC contactor electric arc contact electromagnet energy saving
II
第1章绪论
1.1 交流接触器的用途、工作原理及分类
交流接触器是一种适用于远距离频繁地接通和分断交流主电路及大容量控制电路的电器。

它主要用作控制交流感应电动机的起动、停止、反转、调速，并与热继电器或其它适当的保护装置组合，保护电动机可能发生的过载或断相，也可用于控制其它电力负载如电热器、电照明、电焊机、电容器组等。

交流接触器的主要组成部分[1]包括：触头灭弧系统、电磁系统、支架和外壳等。

它的工作原理是：当吸引线圈通电后，电磁系统即可把电能转换为机械能，所产生的电磁吸力克服反作用弹簧与触头弹簧的反作用力，使铁心吸合，并带动触头支架移动，动、静触头接触闭合，从而完成接通主电路的操作。

当吸引线圈断电或者电压显著下降时，由于电磁吸力消失或过小，衔铁与动触头则在弹簧反作用力下断开，触头打开时产生电弧，电弧在回路电动力的驱动下迅速移动，并在灭弧室内冷却去游离熄灭，最后分断电路。

交流接触器用途广泛，品种繁多，按其结构和用途分类：按主触头级数分为单极、双极、三极和多极；按主触头的正常(即励磁线圈无电时)位置分为常分式和常合式；按吸引线圈种类分为交流励磁和直流励磁；按灭弧介质分为空气式和真空式；按有无灭弧室分为有灭弧室和无灭弧室。

1.2交流接触器的主要技术参数
（1）额定绝缘电压、额定工作电压及额定工作电流
额定绝缘电压即规定交流接触器工作电压的最大值；
交流接触器主触头的额定工作电压有：220、380、660、1140V；
辅助触头额定工作电压有：交流380V、直流220V；
（2）额定工作制
间断长期工作制(8h工作制)：此工作制为基本工作制，接触器的约定发热电流I
th 由这种工作制确定。

不间断工作制：在这种工作制下，接触器的主触头保持闭合，并承载一稳定电流超过8h(如几星期、几个月甚至几年)也不分断。

断续周期工作制：断续周期工作制的操作频率和通电持续率由产品标准规定。

短时工作制：短时工作制的标准值触头通电时间分为10、30、60与90min。

1
（3）操作频率
指每小时允许的操作次数。

交流接触器的操作频率一般为300～1200次/时。

操作频率直接影响到接触器的电寿命及灭弧室的工作条件，对于交流接触器还影响线圈的温升，所以是一个重要的技术指标。

（4）使用类别、接通分断能力
按接通分断能力来区分使用类别，接触器的接通和分断能力随着用途和控制对象的不同有很大的差异，它时正确设计和选用接触器的主要依据，按IEC60947.4.1-1990、GB14048.4-1993接触器标准规定：交流接触器可划分为AC-1、AC-2、AC-3、AC-4等四种使用类别，不同使用类别的接通与分断能力的接通和分断条件[1]见表1.1.
表1.1 不同使用类别的接通与分断能力的接通和分断条件
注I e—额定工作电流 U—接通前电压
U e—额定工作电压U r—恢复电压
I—接通电流I e—分断电流
（5）机械寿命、电寿命
交流接触器是一种频繁操作的电器，自动控制系统不仅要求它有很高的操作频率，而且要求它有与之相适应的较高的机械寿命和电寿命，以提高系统运行的可靠性。

交流接触器的机械寿命一般为1000万次，小容量交流接触器的机械寿命可高达3000万次，交流接触器的电寿命随使用类别不同而不同，IEC60947.4.1-1990和GB14048.4-1993规定各使用类别电寿命试验的接通和断开条件[1]见表1.2。

2
表1.2 不同使用类别下验证电寿命的接通和分断条件
注I e—额定工作电流U—接通前电压
U e—额定工作电压U r—恢复电压
I—接通电流I e—分断电流
1.3 设计的主要技术指标
:690V
(1) 额定绝缘电压(最高额定工作电压)U
i
(2) 额定工作电压U e:380V
(3) 额定工作电流(使用类别AC-3)I e:100A
(4)约定发热电流I th:125A
(5)额定控制电源电压（即线圈电压）U S:220V、50Hz
(6)使用类别:AC-3
(7)周围空气温度:-40o C～+40 o C
(8)工作制:长期工作制
(9)寿命:机械寿命1000万次，电寿命300万次
(10)操作频率:AC-3 1200次/h
(11) 辅助触头约定发热电流:10A
(12)辅助触头额定工作电压、电流:230V、10A
1.4交流接触器的设计要求与典型结构
1.4.1 设计要求
（1）灭弧性能好，分断电流时燃弧时间短，过电压低，喷弧距离小。

（2）触头材料具有良好的导电、导热性能、耐腐蚀、抗熔焊性能好，以降低触头的温升和提高电寿命，同时要求触头材料的工艺性好，价格低廉。

（3）结构设计合理，机构寿命高，并具有足够的承受短时耐受电流的能力。

1.4.2 典型结构
在确定100A交流接触器的结构之前，需要先了解交流接触器的几种典型结构型式[1]: （1）杠杆传动单断点形式它是一种条架式结构,基本元件组装在条架上，衔铁在闭合过程中通过连接的支架使转轴旋转，而动触头系统也组装在转轴上，因此带动动触头闭合。

触头为单断点指形触头，设计为在闭合过程中有滚动与滑动的运动方式，用以消除触头表面的氧化层。

灭弧装置设计为串联磁吹线圈，并配合用多纵缝灭弧室，它有强烈的灭弧作用，电弧的游离气体易于扩散，热量易于散出，适用于高操作频率。

（2）杠杆转动双断点形式以转动式磁系统为例，衔铁在吸合过程中，通过支架是轴转动，轴带动杠杆使触头系统作直线运动，动、静触头闭合。

线圈断电后，在反力弹簧的作用下，衔铁打开到停档限制的位置，同时主触头分断。

辅助触头借助于杠杆的转动实现转换。

灭弧装置为多纵缝灭弧室。

（3）双断点直动式形式。

磁系统通过支架直接带动触头作直线运动。

线圈通电后，衔铁吸向铁心，衔铁带动支架使动、静触头闭合，支架同时带动置于两侧的辅助触头动作。

线圈断电后，在反作用弹簧的作用下，衔铁被释放，同时使触头之间分断。

触头接通和分断时产生的电弧，用装有灭弧栅片的灭弧室熄灭。

1.5总体结构方案确定
通过上述分析，参考同类产品，在给定的技术指标下，初步确定100A三极交流接触器采用双断点桥式触头，直动式磁系统，各零件均安装在塑料外壳和铝合金底座上的整体式结构。

辅助触头、主触头、电磁系统两层立体布置，结构紧凑，缩小安装面积。

接触器的外壳由两段组成，上段为热固性塑料压制的躯壳和陶土烧制成的灭弧罩，主触头设计成三腔可简化模具结构，并可满足控制三相四线制电路及派生中间继电器的需要。

电磁系统采用外加无声节电器设计。

辅助触头组件采用卡装式结构，配备二常开和二常闭触头。

下段为冷冲压成形的铝合金底座，固定电磁系统和缓冲装置。

触头接线端子采用带瓦形垫圈的不落自升式组合螺钉，接线方便，使用安全。

第2章触头系统设计
2.1 概述
两个导电零件通过机械连接方式互相接触，以实现导电的现象，称为电接触。

触头就是其中的一种工作形式，又称为可分接触，即在工作过程中可以分开的电接触。

接触器的触头用来接通和断开电路。

接触器的触头总是成对的，其中一个是静触头，另一个是动触头，触头在闭合时一般是靠弹簧压紧.触头的形式[1]如下：
（1）接触形式
触头的接触形式很多，按接触面外形的几何形状，可分为三类:点接触、线接触和面接触。

中大容量的接触器一般采用面接触。

（2）断点形式
根据动静触头在分断状态的断点数，可分为单断点及双断点:
单断点指形触头
优点：在闭合过程中有滚滑运动，可借此清除触头表面的氧化物，保证接触可靠，一般采用铜或铜基合金触头材料，在同样触头弹簧压力下，比双断点触头上的接触压力大，电动性高。

触头参数易调节。

缺点：触头开距大，冲击能量大，多数情况下必须使用软连接，不利于提高机械寿命，在分断临界电流时，燃弧时间长，触头有滑滚运动，故机械磨损大。

双断点桥式触头
优点：具有两个有效的灭弧区域，灭弧效果好。

一般额定电压为380V及以下、额定电流为10A～100A的小容量交流接触器利用电流过零时在两个断口上的近阴极效应熄灭电弧，只用简单灭弧室，而不需要特殊灭弧装置。

在额定电流为20A～80A的交流接触器，可加装引弧片或利用回路电动力吹弧，在双断口的配合下能可靠工作。

而额定电流大于80A的交流接触器需要加装栅片或其他形式的灭弧室。

双断口结构紧凑，体积小，触头的开距较小，不需要软连接，所以有利于提高机械寿命。

缺点：触头材料必须用银或银基合金，在与单断点同样触头弹簧压力下，触头上的接触压力小，电动稳定性较差。

2.2触头设计的要求
2.2.1触头材料的选择要求
(1)良好的导电性和导热性。

(2)有很好的抗熔焊性。

(3)有很强的耐电磨损性。

(4)分断电流时不易发生电弧重燃。

(5)具有良好的机械加工性能及焊接性能。

2.3 触头的工作参数、结构参数和特性指标
2.3.1 触头的工作参数
工作参数[1]是指关于触头使用条件的参数，一般包括：额定电压、额定电流、工作制、操作频率、通电持续率。

2.3.2 触头的结构参数
触头的结构参数是指保证触头在其工作参数下能可靠工作的结构措施[1]，它包括：
(1)触头的极数和分合状态—即主触头有几个极以及触头是动合的或是动断的。

(2)触头的断口数是触头断开处的开口数。

如指式触头为单断口，桥式触头为双断口。

(3)触头开距C是触头处于完全断开位置时动、静触头之间的最短距离，用以保证动、静触头安全开断电弧及触头断开之后必要的安全绝缘间隔。

(4)超程e亦称超额行程，它是指电器触头完全闭合之后，如果将静（或动）移开时，动（或静）触头所能继续移动的距离。

超程是用以保证触头经磨损而电寿命终结之前，仍能可靠地接触所必须的结构措施。

它能保证触头压力的最小值。

超程的大小与接触器本身所规定的电寿命有关，也与触头材料有关。

凡是要求接触器具有较高的电寿命的，超程就应大些；而触头材料的耐磨性能较好时，超程就可以小些。

超程在触头工作过程中不断减少，而以新的时候为最大。

(5)初压力F0—为动触头与静触头刚刚接触时，每个触头所承受的压力称为触头初压力。

它是由调节触头弹簧预压缩量来保证的。

增大F0可以降低触头闭合过程的弹跳。

(6)终压力F z—当动、静触头闭合终了时，每个触头上的压力称为终压力。

它由触头弹簧的最终压缩量所决定。

此压力保证触头在闭合状态时接触电阻低而稳定，温升不超过容许值。

触头的初压力和终压力都由接触弹簧产生，如不考虑弹簧的形状变化和疲劳，初压
力一般不会变化。

终压力则随超程大小而变化。

超程大（小），终压力大（小）。

接触器的温升试验，就是对应于触头容许的磨损量时的终压力而进行的。

2.4 主触头的设计
2.4.1主触头回路形式
由于本次设计额定通断电流值较大，并且触头在闭合时冲击能量大，为了简化触头系统的设计，使电器结构紧凑、体积小、保证机械寿命的提高，从经济性和技术性二者综合考虑，在满足已知的条件下，根据前面对触头结构的分析，触头选取为双断点桥式结构，采用强磁吹回路。

2.4.2 主触头的设计与计算
交流接触器的触头系统由桥形(动)触头，接触板(静触头)，触头弹簧、触头、触头支持件等主要零件组成。

2.4.2.1触头材料的确定
交流接触器采用的触头材料有纯银，银-氧化镉，银-氧化锡几种材料。

随着触头品种的增加，制造工艺的改进，触头材料使用性能的提高，从节银方面考虑，逐渐淘汰了纯银触头。

AgCdO触头材料自30年代问世以来，由于其耐磨损、抗熔焊性好、接触电阻小等，经过不断改进，在低压电器中得到了广泛的应用，但是它产生的有害金属蒸汽对环境的污染，对人们的健康的危害，已越来越引起重视。

AgSnO2触头作为一种新型的银-氧化物触头材料，正逐步取代虽有很好的抗融焊性能但有极大毒性的AgCdO，有很强的耐电弧性能，这种材料的热稳定性比银氧化镉高得多，因此，选用AgSnO2触头材料取代AgCdO,可使材料体积减少25%，并能保持同样的寿命。

，大量研究表明AgSnO
2的性能完全可以与AgCdO媲美。

虽然AgSnO2的温升比较高，但可以添加WO3、MoO3等来减少接触电阻，改善温升情况。

AgSnO2触头的制造工艺有内氧化法及粉末冶金法两种，内氧化法必须加入铟才能完成，但铟储量少，因此，世界上多数用粉末冶金法挤压而成新型的AgSnO2,但大多数含MeO。

用粉末烧结挤压技术制成AgSnO2+MeO材料具有：电阻率小，触头温升小；触头耐电弧烧损性能高，耐机械磨损性能高。

因此，主触头选用AgSnO2材料，接触电阻低而稳定，热稳定性高，可使电弧弧根处熔池中熔融体的粘度提高，减少电弧灼烧时的喷溅损失可以大大简化灭弧系统的设计；高的热稳定性还使触头表面富集金属氧化物，从而保护了低沸点的银的蒸发并提高
了耐熔焊性，也就提高了电寿命。

辅助触头采用纯银材料，它具有良好的导电、导热性，接触电阻低而稳定，电磨损小而均匀。

主静触头导电板选用导电性能好，抗拉强度较高的黄铜，并镀锡3-6μm 。

2.4.2.2触头触桥的截面尺寸(按允许温升来确定)
查表[3]4.1得黄铜ρ0=7*10-6欧·厘米, 电阻温度系数a ω=0.00151(1/0C );B 级绝缘材料的允许温升η=900C ，当介质温度取400C 时，允许温度为1300C 。

取散热系数，对于扁平铜母线K T =(6-10)×10-4取K T =8×10-4(w/cm ·0C )触桥为矩形截面，按公式[3]
ab(a+b)=τ
θρωT th K I a 2)1(2
0+ （2.1）
= 90
10082125)1300015.01(1074
26⨯⨯⨯⨯⨯+⨯-- =0.91cm 3
式（2.1）中a 为厚度、b 为宽度、θ为允许温升。

取触桥厚度a=2mm 则由上公式：
b=2
4554222⨯++-=20.4mm 取b=20mm
触桥截面积：S=2×20=0.4cm 2
2.4.2.3主静触头导电板截面尺寸的确定（按电流密度来确定）
考虑主动、静触头配合，取导电板的宽度为20mm 查表[1]取接触板的电流密度j 2=2.5A/mm 2则接触板的厚度为：
h=I/jb=100/(2.5×20)=2mm
2.4.2.4主触头尺寸的确定
按主静触头导电板及主动触桥尺寸。

初定主触头截面尺寸，再计算主触头电磨损体积，来确定触头厚度由于触桥的宽度为20mm ，便于焊接，取主动触头长a=18mm ，宽b=18mm 则其电磨损体积的计算公式[1]如下
Vc=ργe c k q N 0
⨯ （2.2）
式中 N ——触头电寿命次数300×104次
γ
c ———放电状态下，单位电量所消耗的金属量系数（g/c ）查表
[1]
取4×10-6（g/c ）
q 0———在触头分段过程中，电路流过触头（c ）
k e ——金属体积的利用系数，k e ≈0.5 ρ——触头材料的密度（g/cm 3）
对交流电路，q 0≈
ω
n
I ⨯⨯⨯022（n 电弧燃烧半波数，取1）
≈
314
1
10022⨯⨯⨯=0.9
查表[1]银—氧化锡密度ρ=10.1g/cm 3
Vc=1
.105.09.010********⨯⨯⨯⨯⨯-
=2.14cm 3
参考同类产品，触头形状为正方体，长a=18mm ，宽b=18mm
一个触头的磨损厚度计算公式[1]如下
h c =ab
V
c 2 （2.3）
=
18
1822140
⨯⨯=3.3mm
一个触头的厚度 h=(1.6—2)h c 取h=1.6h c ≈5.3mm
2.4.2.5主触头参数的确定
查表[1]16.12
主触头超程： γ1=（2.4-4.5）mm 取γ1=3mm
主触头开距： β1=（4-11）mm 取β1=7mm
为保证长期工作的可靠性，触头的初压力取得比较大，对于接触器等控制电器的触头为了减少触头磨损保证接触可靠，单位额定电流的初压力范围是：F/I=(0.04—0.1)N/A 取F/I=0.08N/A ，
即可得触头初压力: F 0=I N (F/I)=100×0.08=8N
触头终压力按下式计算： F Z =(1.15—1.5)F 0 取F Z =1.25F 0=10N
2.4.3主触头温升及热稳定性的验算
2.4.
3.1计算主触头接触电阻
m
j j P K R )
102.0(= （2.4）
=
()
10102.060
⨯=58.8μΩ
式中 R j ----接触电阻（μΩ）; F ----接触压力（N ）;取F z
m -----系数，面接触， 取m=1;
K j ----系数查资料[10] 取K j =60
2.4.
3.2验算主触头温升值
触桥周长：P=2×(2+20)=4.4cm 极限允许温度：θ=1300C 触桥发热温升：
t 1=
PS
K I a T 2
0)1(θρω+ （2.5）
=4
.04.4108100)1300015.01(1074
2
6⨯⨯⨯⨯⨯+⨯⨯-- =59.40C<900C 符合绝缘耐热等级要求
主触头的截面积为：S=ab=12×10=1.2cm 2 周长为：P=2(a+b)=2(12+10)=4.4cm
查表[3]取导热系数λ=3.26w/cm 0C ，电阻系数ρ0=2.0×10-6Ω·cm
由触头接触电阻和电流线集中所引起的发热温升其计算公式[1]如下：
t 2=02
2
282λρλI R PS
K I R j T j ⨯+⨯ （2.6） =62
264
2
610
0.226.38100)108.58(2.14.410826.32100108.58----⨯⨯⨯⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯ =2.5+0.6639=3.16930C
触头接触处总温升计算公式[1]如下
t= t 1+ t 2=59.4+3.1693
=62.57<900C 温升合格
2.4.
3.3触桥的热稳定性
当主动触桥通过产品技术条件规定的短时过载电流时，其温度应不超过材料的短时允许发热温度，由JB245.5-1985 查得其热稳定电流I=8I N =800A.
U j =R j I=58.8×800×10-6=0.047V
查表[10]4.4得,开始融化时的电压降U JS =0.37V ∵ U j <U JS ∴不会融焊,热稳定性合格。

2.4.
3.4计算主动触头及触桥的质量与触头初压力的比值
主触头及触桥的质量与触头初压力的比值应小于或接近103kg /N ，以减少触头的震动。

主动触头体积计算公式[1]:
Vz=πr 2h=3.14×R 2×h=3.14×7.52×4=706.5mm 3
主动触头质量计算公式[1]:
Mz=0.7065×10.1=7.14g
其体积为：(暂取触桥长度为5cm ,则取其一半为2.5cm ) Vq=2.5×0.2×1.6=0.8cm 3 查表[3]取黄铜ρ=8.5g/cm 3 固其质量为:
m=8.5×0.8=6.8g
总质量为:
M=7.14+6.8=13.94g
初压力为:
F 0=I N (F/I)=100×0.08=8N
得M/F 比值:
M/F=(13.94×10-3)/(2×8)=0.871kg/N <103kg/N
所以振动小，满足要求。

2.4.
3.5触头的动稳定性
查表[3]4.2得其压皱系数ζy =500×102 N/cm 2
触头压皱面积计算公式[3]:
S 0=F 0/ζy =8/(500×102)=1.6×10-4cm 2
触头接触点的电动斥力计算公式[3]： Fch=2I 2×ln(S/So)×10-7 （2.7）
=74
231010
6.12
.1ln
)102(2--⨯⨯⨯⨯⨯=7.14N 式中：动稳定电流I=20Ie=2×103A
作用在动触桥上尚有回路电动斥力，垂直布置导体电动力的计算公式[10]：
Fc=2×S
r h l r h I I 7
2
12110)(-⨯-+ （2.8）
=2×
17
1025.101725.101001007
22-⨯+⨯
⨯
=0.00006075N
式中取L 为触桥长度取L=5cm , 则回路导体距离s=2
15
50--L =17mm H=1.25+8+1=10.25;l 1=h
总斥力计算公式[3]如下：
F=Fch+Fc
=7.14+0.00006075 =7.1406075 <10N=Fo 满足触头动稳定性的要求。

2.5辅助触头的设计与计算
2.5.1辅助触头基本参数
2动合、2动断、额定绝缘电压660V 约定发热电流为10A ，额定工作电流为10A ，取辅助触头材料为纯银，触桥及导电板的材料仍取黄铜。

2.5.1.1触桥尺寸的确定
ab(a+b)=τ
θρωT e k I a 2)1(2
0+
=90
108210)1300015.01(10742
6⨯⨯⨯⨯⨯+⨯⨯--
=0.00581cm 3 取触桥厚度为a=1mm ，触桥宽度为b=6mm 银触头选用圆柱形，直径r=4mm
2.5.1.2导电板尺寸的确定
取导电板宽度为8mm ,接触板电流密度为1.3A/mm 则其厚度
h`=I/jb=10/(1.3×8)≈1mm
固可取导电板厚度为：1mm
2.5.1.3计算辅助触头厚度 电磨损体积：Vc=ρ
γ⨯⨯e c k q N 0 式中N ——触头电寿命次数300×104次
γc ———放电状态下，单位电量所消耗的金属量系数查表[1]（4.2）
取γc =3.6×10-6（g/c ）
q 0———在触头分段过程中，电路流过触头（c ）
k e ——金属体积的利用系数，k e ≈0.5
ρ——触头材料的密度（g/cm 3）
对交流电路，（n 电弧燃烧半波数，取1）
q 0≈ωn
I ⨯⨯⨯022=314
11022⨯⨯⨯=0.09 查表[1]纯银密度ρ=10.5（g/ cm 3）
Vc=5
.105.009.0106.31030064⨯⨯⨯⨯⨯-=0.185cm 3
触头形状为圆柱体，直径d=4mm
一个触头的磨损厚度：
h c =c c S V ⨯2=4
.04.014.32185.04⨯⨯⨯⨯=0.74mm 由触头厚度计算公式[1] h=(1.6—2)h c
取辅助触头厚度h=1.6 h c =1.6×0.74≈1.18mm
2.5.1.4辅助触头参数确定
(1)、初压力：单位电流的触头初压力Fd=0.1N/A
则一个触头的初压力Fcc=Ie×Fd=1.1N
(2)、开距：查表[1]16.9、取β2=3mm
(3)、超程：查表[1]16.9、取r 2=2mm
(4)、终压力：Fz=1.2Fcc=1.2×1.1=1.32N
2.5.1.5验算辅助触头温升及动热稳定性
Rj=cc
j F a K ⨯⨯+⨯102.0)321(θω
=
1.110
2.0)3130004.021(00006.0⨯⨯⨯+
⨯ =72.01Ω
触桥周长：P=(0.1+0.6)×2=1.4cm
触桥发热温升： t 1=PS K I a T 2
0)1(θρω+
=06
.014.010810)1300015.01(10742
6⨯⨯⨯⨯⨯+⨯⨯-- =80.240C<900C
符合绝缘耐热等级要求，级绝缘材料的允许温升η=900C
辅助触头的截面积为：S=3.14×(d/2)2=0.1256cm 2
周长为：P=3.14×d=1.256cm
查表[3]电阻系数ρ0=1.5×10-6Ω·cm ，导热系数λ=4.2w/cm 0C 由触头接触电阻和电流线集中所引起的发热温升为：
t 2=02
22
82λρλI R S K I R j T j ⨯+⨯ =62
252
5105.12.4810)1001.72(314
.051.282.42101001.72---⨯⨯⨯⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯⨯ =0.6997+1.0288
=1.72850C
触头接触处总温升 t= t 1+ t 2=80.24+1.7285=81.9685<900C
辅助触头温升合格
2.5.1.6动稳定性的校核 查表[3]4.2查得银的压皱系数ζy =303×102N/cm 2
触头压皱面积S 0=F 0/ζy =1.1/(303×102)=0.373×10-4cm 2
动稳定电流为：30×Ie=30×10=3×102A 触头接触点的电动斥力：
Fch=70
210ln 2-⨯⨯S S I =74221010373.01256.0ln
)103(2--⨯⨯⨯⨯⨯
=0.146N<1.1N
故动稳定性合格
作用在动触桥上尚有回路电动斥力，按垂直布置导体电动力的计算公式[3]：
Fc=S
r h l r h I I 7
212110)(-⨯-+ =95.01095
.04
10107-⨯⨯⨯=0.0000432N
式中l 为触桥长度，取l=2.4cm , s=h`+h+a`=4mm 则回路导体距离 s=2
4124--=9.5mm H=0.5+3+0.5=4;l 1=h
故总斥力:
F=Fch+Fc=0.1627+0.0000432=0.1627432N<1.1N=Fo
满足触头动稳定性的要求。

2.5.1.7算m/Fcc 值
取触桥长度为2.4cm , 截面积： S=0.1×0.8=0.08cm 2
触桥质量：mq=ρsl=8.5×0.08×2.4=1.632g
辅助触头为纯银，比重ρAg =10.5g/cm3,厚度h=1.18cm
质量mc=ρAg sh=10.5×
0.08×1.18=0.3978g 故辅助触头的总质量为：mz=mc+mq/2=0.7875+2.75/2=2.1625g
所以得m/Fcc= mz/(2×1.1)=0.9829×10-3kg/N <1×10-3kg/N
所以振动小，满足要求。

第3章灭弧系统设计
3.1概述
在大气中开断电路时，如果电源电压超过12～20V，被开断的电流超过0.25～1A，在触头间隙（弧隙）中会产生一团温度极高、发出强光和能导电的近似于圆柱形的气体，称为电弧。

电弧是一种气体放电的特殊形式，气体放电的形式很多，有电晕放电、辉光放电、火花放电和弧光放电等。

当开关电器的触头间发生电弧时，它烧损触头并危及绝缘，在最严重情况下甚至可能引起相间短路，或使开关电器爆炸，形成火灾，影响电力系统安全运行。

因此，在电器学中研究电弧的目的，主要侧重于掌握电弧产生与熄灭的规律，探索采取适当措施以熄灭电弧。

电弧发现于19世纪初期，那时人们还只懂得将电弧拉长以便熄灭。

近数十年来，对电弧的研究发展较快，电弧的数学模型日益受到重视，利用电子计算机可以计算电弧的动态过程及有关参数。

但由于电弧过程的复杂性，要正确地设计灭弧室，还必须进行大量的科学实验以及从生产实践中不断总结提高。

3.2 灭弧原理的研究
3.2.1 斯列宾理论
在交流接触器中触头刚分开时在气隙间形成高电场场将电子从阴极表面拉出，导致气体游离，从而产生电弧。

由于本次设计的是交流接触器，因此弄清交流电弧的熄弧理论具有重要意义。

斯列宾提出弧隙介质强度恢复理论[5]，即在电流过零时刻开始，一方面弧隙上的电压从熄弧电压开始上升，要恢复到电源电压；另一方面在电流过零时弧隙有一定的介质强度，并随着去游离程度而不断上升。

电弧的熄灭或重燃就决定于这两过程的“竞赛”结果。

因此，交流电弧熄灭条件为：在交流电流过零后，弧隙中的实际介质恢复强度特性总是高于加到弧隙上的实际恢复电压特性。

3.2.2 熄灭电弧的基本方法
根据斯列宾理论，一般采取的熄弧的方法[5][8]如下：
（1）拉长电弧如在大气中分开触头将电弧拉长，使电弧冷却而熄灭。

或者利用导电回路的磁场产生的电动力拉长电弧，或者利用磁吹线圈产生的磁场，使电弧受电动力而被拉长。