断路器用热双金属的选择和计算

断路器用热双金属的选择和计算
连理枝
一 热双金属（片）的主要物理性能及测量
1 热敏感性能
用比弯曲（k ）来表示，它的物理意义是，表示单位厚度的热双金属（片）温度变化1℃时曲率变化的一半。

)11(21λ
λθθδ--=k （1）
式中：δ为试样（双金属）的厚度；
θ为加热后的双金属片的温度；
θ为未加热时双金属片的温度；
λ为双金属片变形后的曲率半径；
λ为双金属片未变形的曲率半径，λ＝∞
∴ λ
θθδ1210.-=k （2） 从右图可见，)f L ∆－＋（＝λλ
222f f L ∆+∆λλλ2－＋＝
22f L f ∆+∆＝λ
∴
f f
L ∆∆+2＝λ （3）
将（3）式代入（2）式得
1L f f k +∆⨯-∆θθδ＝
（4）
还可证明
δ
θθααλ))((231
--＝ （5） （α、α为不同的两种金属的热膨胀系数）
代入，得
)(43αα-＝k （6）
当f ∆≤10％L 时，上述可简化为
1L f k ⨯-∆θθδ＝ （7）
有些国家采用温曲率来表示热双金属的热敏感性。

它表示单位厚度的热双金属片温度变化1℃时曲率的变化。

即 F ＝2K ＝）－（2
3αα （8）
式中 F 为温曲率
电阻率 ρ
L RS ＝ρ （即S L R ρ＝） （9） 关于双金属片的弹性模量：它是计算热双金属元件的推力，转矩和内应力不可缺少的参数。

4
δ
fb PL E ∆＝ （10）
式中：P 为机械推力 kgf
L 为双金属长度
δ为双金属厚度
b 为双金属宽度
f ∆为产生的位移
2 使用温度范围
线性温度范围：在线性温度范围内，热双金属片的位移与温度基本上成线性关系，其范围大小取决于组合层材料（特别是被动层）的膨胀性能。

在线性温度范围，热双金属具有最大的热敏感性能 偏转角）－（）－（＝＝01223θθδ
ααλφ （11） 当）－（αα保持为常数的温度范围，φ与）－（0θθ为线性关系。

这一范围称为
热双金属的线性温度范围。

允许使用温度范围：热应力（单纯由加热产生的应力）达到热双金属弹性极限时的温度，即为允许使用温度的上限。

下限的温度与材料的低温相变点等因素有关。

允许使用温度范围大于线性温度范围。

在线性温度范围以外，允许使用温度范围内，材料的热敏感性能有所降低。

3 应力
1）使用应力：承受的应力不超过使用应力时，卸载荷后基本上能能恢复原状。

2）极限应力：极限应力大于使用应力。

承受的应力大于使用应力但小于极
限应力时，热双金属片还能工作，但卸载荷后有一定的残余变形。

为使热双金属在实际使用中不致发生残余变形，施加于热双金属上的总应力（负荷）（热应力，外加机械应力以及残余内应力三者叠加后的应力）不应超过使用应力。

二热双金属元件的设计和计算
1 材料的选用
1）元件的工作温度范围是选择热双金属最重要的参数之一，热双金属的“允许使用温度范围”的上下限必须超过热双金属在工作中可能达到的最高和最低温度，以防止出现残余变形。

2）元件直接加热选用热双金属时，除考虑温度因素外，还必须考虑电阻率和电阻温度系数。

为此，可从电阻系列热双金属中选择所需材料；以传递方式间接加热的元件，应选择导热性能较好的材料，也可在元件上附加铜层，如靠幅射传递热量，选用的材料最好是暗黑色。

3）元件的工作温度一般要求选在线性温度范围内。

4）快速动作或跳跃式，碟形元件，除考虑温度因素外，还应选择弹性较高的材料，以便使元件具有较好的耐疲劳和抗变形性能。

5）对承受重负荷并导致大弯曲应力元件，应选择强度高的热双金属；对塑性要求高的元件，一般选用较软的材料。

2 元件形状的选择
材料选定后，即要考虑元件的几何形状来适应不同的运行条件（如动作与位移的形式，允许占据的空间以及受力情况等）的需要，以提高控制装置的精密性。

选择直条形热双金属时应注意下列几点：
1）元件的长度一般不能小于宽度的三倍，宽度不大于厚度的20倍，否则元件的动作将不均匀。

2）为使元件获得较大的推力，有时不可避免要选用宽的直形条片，则可在条片的长度方向开槽，以减少横向的应力对纵向应力弯曲的影响。

3）为承受较大的弯曲应力，同时又保持一定的宽度，可将几块条片叠成一组来代替单片。

3 元件尺寸的确定
元件尺寸必须与占有空间、弯曲应力、结构和装配要求等相适应。

温度变化是热双金属元件产生位移或推动力（或转矩）的能源。

如元件动作时完全是自由状态（不受外力），则温度的变化全部用来产生位移；反之如元件动作完全受限
制（位移＝0），温度的变化全部用来产生推力（或转矩）。

但大多数情况是上述二者兼而有之，即温度变化的一部分用来产生位移，另一部分用来产生推力。

设热双金属元件在温度和外力（阻力）同时作用下位移量为f ∆；当外力P=0时，同一热双金属元件在相同温度条件下，完全是自由状态时位移量为θf ∆。

设θ
f f m ∆∆＝ 4 计算时应注意的问题
1）当m ＝1／2，即热双金属元件把温度变化的一半用来产生位移，另一半用来产生推力（或转矩）时，元件的体积是最小的。

这一条件适用于直条片，螺旋形和U 形元件。

但元件在这种情况下既不是最短也不是最薄的。

如果计算长度与允许占有空间或与弯曲应力、结构和装配等要求不适应，则不能采用。

2）当m ＝2／3时元件具有最小的长度，这一条件适用于直条形，螺旋形和U 形。

3）当m ＝1／3时，元件具有最小的厚度，这一条件适用于直条形和U 形。

4）元件动作时如有摩擦存在，则必须把它作为外力来处理。

这样将使元件尺寸稍为增大。

5）当元件的长、宽、厚三个尺寸之一给定时，其余两个尺寸可用相应的公式求出。

如果三个尺寸都属未知，则必须先假定一个尺寸，再求其余两个。

求出的结果不符合要求或不适用时，可适当变动一下，再重新计算。

6）由于实际上元件的温升不均匀，吸热和散热的条件就较难精确估计。

假定的条件不完全符合实际情况，热双金属元件的尺寸不能完全依靠计算得出，因此，元件的尺寸只能在初步计算的基础上，再经过实际使用条件下的反复试验才能最后确定。

热双金属元件几何形状的计算公式 360)L 4L E L E 加工过程中造成的残余应力和热双金属中正常的热应力。

对稳定性有高要求时，弯曲负荷必须尽可能减少。

常用形状热双金属元件的尺寸计算公式
∆
⨯
m
⎡
⎢
⎣
θ
(Em
⨯
3
)E
f∆
E
f∆
P
2
三热双金属元件生产中应注意的事项
1 冲剪、弯折、卷绕和固定
1）热双金属应沿纵向（即片材轧制方向）落料，有时为了节约材料也可横向落料，但热敏感性能要降低约1～3％，其承受弯曲负荷的能力也比纵向落料的元件低。

2）冲剪后元件边缘应不带毛边（即应无毛刺），否则元件的热敏感性能将降低。

3）尽量避免过小的弯曲半径，否则元件表面易出现裂纹，横向落料元件比纵向的容易折断。

如要求元件有较高的弯曲（折）性能，应选用较软材料，但其
强度与承受负荷和高温的能力都要降低。

4）在绕制螺旋元件时应考虑热双金属片的反弹力。

为了使螺旋元件达到要求的外形尺寸，卷绕时，匝间应加适当的垫布。

5）一般热双金属被动层带有识别标记。

对不带任何标记的材料，为便于识别，在制作元件时应加如缺口等适当的标记。

这对要求电镀的元件尤其必要。

6）热双金属元件可采用铆钉、螺钉、点焊或锡焊等方法固定。

钎焊的温度太高，会使元件软化和产生新的应力，因此不宜采用。

5J20110（5J11）热双金属的主动层熔点较低，易氧化，焊接时要特别注意。

2 元件的热处理
在热双金属的生产，元件的制作与装配过程中，各道加工工序（如轧制、校直、冲剪、弯、钻、铆、焊等）都会在元件中产生残余应力。

为使元件工作稳定，必须通过热处理，在基本上不损害性能的情况下，尽可能减少残余应力，并使之均匀化。

热双金属的热处理是，在允许使用温度范围内和允许负载范围内通过适当的加热过程，使其转入一个稳定状态。

这种过程的特点是温度较低，升降温的速度较慢，往往需要进行多次反复处理。

热处理的温度一般应比热双金属元件在工作中可能碰到的最高温度高50℃,保温时间约1～2小时。

对较厚平板形元件，保温时间应长一些，反复次数可少一些。

易变形的体积小，厚度薄的元件，其处理温度不宜太高，保温不宜太长，而反复的次数可增多一些。

对于动作频繁度大，精确度要求高的元件，宁可增多热处理次数，而不宜采取高的热处理温度，保温时间也不宜长。

对于经常工作在0℃以下的热双金属元件，有时增加冷处理工序，以增高元件在低温下工作的稳定性。

3 表面防护
元件在低温下工作，一般可用油漆或塑料涂层防护。

在较高温度下工作的元件，可镀铬、镀镍。

在潮湿空气中工作的元件可镀锌或镀镉。

直接浸在水中工作的元件可镀镉。

镀镉时，镉有一定的毒性，可用一种锡锌镀层来代替，电镀后的元件，电阻率改变，热敏感性能一般将降低，镀层越厚，降低越多。