摘要：本设计以CZ0型直流接触器为参照，设计一台额定电流为100A的直流接触器的触头系统。直流接触器的主要原理：电磁线圈通电，衔铁和铁芯吸合，电磁系统的吸力克服弹簧的反作用力带动动触头与静触头接触，主电路接通；电磁线圈断电，弹簧的反作用力带动衔铁和动触头分开，触头断开产生的电弧在灭弧室中受到磁吹灭弧和电动力驱动被拉长，并强烈冷却去游离而熄灭，主电路被切断。一台接触器的设计应包括三部分：触头系统的设计、电磁系统的设计、灭弧系统的设计。本次只研究直流接触器的触头系统的设计过程。
关键词：直流接触器 电接触 触头
1 概述
直流接触器主要用于远距离接通和分断直流电路以及频繁的使直流电动机起动、停止、反转和反接制动。虽然，直流接触器没有交流接触器的用途广泛，但它还是有它独到的特点和用途，并且在世界范围内的低压电器产品中占有重要的地位和发挥重要的作用。
1.1 触头系统的设计要点：①使用可靠，即能可靠地分合电路；②耐磨性好，即耐机械磨损和电磨损，寿命长；③具有足够的电动稳定性和热稳定性；④工艺性和经济性好，即加工容易，有色金属使用少，成本低，维修方便。
1.2触头系统的设计程序
1.2.1 选型 选型原则：①使用条件适合我国自然条件，即符合JB2455-85标准中规定的使用条件；②提高寿命，即电寿命和机械寿命符合要求；③减小外形尺寸和重量；④加工工艺性好，材料利用率高，贵金属消耗少；⑤使用方便且安全可靠。
1.2.2 触头系统的设计程序 触头系统的设计程序如下：①确定触头参数；②确定触头尺寸；③校验热稳定性；④校验触头温升；⑤校验电动稳定性。
2电接触及灭弧工作原理
触头是一切有触点电器的执行部件，一般电器就是通过触头的动作来接通或断开电路的。因此，触头工作的好坏会直接影响到整个电器工作性能的优劣。触头的工作情况有三种：①闭合状态；②分断过程；③接通过程。
2.1触头在闭合状态下的工作（电接触基本原理） 由于金属表面即使加工得十分光洁，也不可能是理想的光滑表面，在光学仪器下面仔细观察，两接触面总是凹凸不平的，只有少数的点才真正接触上，因此，电流仅从两触头间的极少数接触点流过。既然真正接触的区域是几个斑点，比理想接触表面小得多，这就使得触头接触处的电阻特别大。另外，金属在空气中不免要氧化或硫化，在表面生成一层很薄的氧化膜或硫化膜，而后者的电阻率比金属本体的电阻率要大得多，这也使得触头接触处的电阻增大。这样，在触头接触处就形成了所谓的接触电阻，它会使触头的损耗增大，温升升高，因此接触电阻是有害的，然而又是不可避免的。根据实验研究，触头间的接触电阻为：Rj=K/(9.8F)a
式中：F为触头间的接触压力（N）；a为与接触形式有关的指数，点接触时a=0.5、面接触时a=1、线接触时a=0.7；K为与材料的物理性质以及接触表面状况有关的系数（Ω·kg）。
影响触头接触电阻的因素有：①接触压力；②触头材料的电阻率；③触头材料的机械性能；④接触形式；⑤接触表面状况。
接触电阻增大会使触头温度升高，而温度升高反过来又会使触头表面氧化加剧，以致形成恶性循环。因此，对触头的容许温度一般都有规定。在使用中，应经常据此规定检查触头温度，不使其过高，否则会造成事故。
2.2触头在接通过程中的工作 在触头的接通过程中，经常发生机械振动，即运动部分的弹跳，也就是闭合——分离——再闭合过程中的重复。除机械碰撞外，触头接触时电流产生的电动力也能导致触头振动，特别是当接通较大的电流时，电动力的影响更加显著。
触头的电气磨损会使电器使用期缩短，而触头的熔焊则使电器工作不可靠。为了降低触头的电气磨损和防止触头发生熔焊，最有效的办法还是减小和消除触头的振动。
2.3 触头在分断过程中的工作 两个触头之间的接触，从本质上来说是许多个点的接触，因此在分断时最终要出现只在少数几个点有接触的现象。这时，在这些点的电流密度相当大，致使接触点开始熔化，并随着触头的互相分离形成熔化了的高温金属液桥。一旦触头完全分开，金属液桥就拉断，而断开处立即产生电弧。这是由于在触头间隙中产生了大量的带电粒子——正负离子和电子，终于使气体导电形成了炽热的电弧。
2.4 触头的工作参数
2.4.1 触头开距（即触头行程） 触头开距是指触头在完全断开位置时动静触头间的距离。它是动静触头为断开电弧所需的最小间距。触头开距既不可过小，也不宜过大，其数值应随具体要求来定。一旦确定之后，使用中就不宜轻易改变它，因为它一般是不允许调整的。
2.4.2 触头超程 触头超程是指当触头在闭合位置时，将静触头移开，动触头能移动的距离。这是保证触头在其寿命终结之前仍能可靠地接触所必需的。超程在工作中不断地减小，习惯上认为当超程减小到原来的1/3以下时，触头便不宜继续工作。
2.5 触头材料的选用 作为直流接触器的触点材料应满足如下要求：电寿命高；抗熔焊性好；具有稳定的接触电阻；耐机械磨损；散热性好；加工方便及价廉。双断点的触点材料多采用银或银基材料，单断点的触点材料多采用铜、铜镉材料。静触座和动触座材料一般多采用紫铜或黄铜材料冲压而成。
3触头系统设计
3.1确定触头参数 主触头开距β1=6mm，超程r1=3mm；辅助触头开距β2=4mm，超程r2=3mm；主触头初压力F1o=16N，终压力F1z=22N；辅助触头初压力F2o=1N，终压力F2z=1.2N。
3.2触头尺寸
3.2.1采用桥式双断点触头，材料选用银——氧化镉。
3.2.2选用触头尺寸：选用矩形触头，动、静触头均为10×8mm，触头厚度取超程的0.6～1倍，我取主触头厚度d1=0.8×r1=0.8×3mm=2.4mm，辅助触头厚度d2=0.8×r2=0.8×3mm=2.4mm。
3.2.3选用锡青铜带QSn6.5-0.1作触桥，它具有较好的高温性能和较高的机械强度。
3.2.4周围环境温度取40℃，则允许温度Qmax=100℃，发热电流Ith=45A。
3.2.5触头座截面按电流密度j=2～5A/mm2选取，取为2.25A/ mm2，则截面S=Ith/j=45/2.25=20mm2，考虑机械强度等因素，触桥的宽度和厚度分别为b=10mm，a=2mm(满足触头厚度约为0.6～1.2倍超程)。
3.3触头热稳定性的校验
用牛顿公式对触桥进行温升验算：τ=Ith2R1/KTSl
式中R1——导体电阻，R1=ρ0(1+αTθ)(Ω)；KT——表面综合传热系数，取KT=10×10-4，W/（cm2·℃）；θ——导体发热允许温升，τ=60℃；l——导体长度（cm）；S——导体截面周长（cm）。
所以，τ=Ith2ρ0(1+αTθ)/2KTab(a+b)
式中ρ0——0℃时导体的电阻率，取ρ0=1.28×10-5Ω·cm；αT——电阻的温度系数，αT=0.0005/℃。把以上数据代入后得τ=54.3℃。小于允许温升60℃，触桥温升验算合格！为简化计算，假设热稳定试验在绝热条件下进行。
It2·t=γCS2ln[(1+αTθk)/（1+αTθ）]/(ρ0kjkeαT)
式中It——热稳定电流，It=8Ie=800A；t——热稳定时间，t=10s；γ——材料比重，γ=8.8g/cm3；C——材料比热，C=0.38J/（g·℃）；θk——材料在短时工作时的允许发热温度，θk=350℃；kj——集肤效应系数，kj=1；ke——邻近效应系数，ke=1。
所以，It2·t=2349160J
∴It=480A﹤800A，因此触桥热稳定合格！
3.4 触头温升的验算
3.4.1 联接导线温升的计算Ith=45A，S=20·10-2cm2，ρ=2.1·10-6Ω·cm，KT=10·10-4W/(cm2·℃)，连接导体周长l=2.4cm。
由式τwd=Ith2ρ/KTlS=9℃
3.4.2 触头温升的计算：触头表面状态银—氧化镉按未氧化计算。
由公式Rj=Kj/(9.8F)a
式中F——触头接触压力（N）；Rj——接触电阻（Ω）；a——触头接触系数；面面接触触头取a=1；Kj——触头材料、表面状态系数；银——氧化镉（未氧化）接触触头取Kj=170，触头材料银—氧化镉的软化压降Ujr=0.09V，触头接触压降Ujy=（1/3～1/2） Ujr=0.03V
接触电阻：Rj=Ujy/Ie=0.03/100=0.0003Ω
由F=9.8（Kj/Rj）=5.6N (此处Rj的单位是μΩ)
满足接触器触头减少机械磨损和电磨损的原则，在F/Ie=0.04—0.15N/A。
3.4.3 计算接触板端部温升
取铜导体的热导率λ=3.9W/（cm·℃），接触板的电阻率ρ=1.75·10-6Ω·cm。
τjm=τjd+（Ujy2/8λρ）=40.5+16.5=57℃
小于接线端允许温升65℃，因此接线端温升合格！
3.5 触头的电动稳定性的校验 触头闭合时，电流线在实际接触点附近产生强烈收缩，由于电流从动触头流到静触头时，有些电流线几乎是相互平行的，而且电流方向相反，从而产生触头间相互排斥之力，即收缩电动力，力的大小与电流平方成反比，常用下列公式计算：
Fd=10-7I2lnS/S0
式中Fd——收缩电动力（N）；S——触头的视在接触面积（cm2），S=0.2·10-2cm2；S0——触头的实际接触面积（cm2）；I——10倍额定电流（A）。
当收缩电动力超过触头压力时，触头会分开并产生电弧，然而电弧电阻使电流减小，收缩电动力随之减小，触头又闭合，然后又被电动力斥开，从而导致触头损坏或熔焊。触头承受短路电流所产生的电动力而不致损坏的能力，称为触头的电动稳定性，以动稳定电流表示。当触头通过动稳定电流时，收缩电动力及回路电动力的代数和，若小于触头接触压力，不会使触头分开，则触头的动稳定性合格。
取S0=0.3·10-4cm2，计算得：Fd=0.42N≤触头接触压力2.8N，故触头的电动稳定性合格！
4 结束语
直流接触器的工作寿命取决于其触头的寿命（包括机械寿命及电寿命），故触头系统设计的好坏直接影响直流接触器的使用，因此，正确的触头结构设计、合理选用触头材料和采用先进的触头制造工艺，来增加触头系统的耐磨损、抗熔焊性能，提高其工作寿命，以期达到国家标准对直流接触器的工作寿命的要求。
提高机械寿命的措施有：①力的传动零部件应具有足够的强度，尽量避免加工时应力集中的薄弱环节；②大、中容量的动触头与弧角分为双体，从而减轻动触头的质量；③尽量减小辅助触头的冲击力。
提高电寿命的措施有：①合理选用触头初压力；②适当选用弹性系数较高材料做主触头弹簧；③增大触头的宽度；④选用耐磨损、抗熔焊的触点材料。
参考文献：
[1]低压电器/马镜澄等编.—北京：兵器工业出版社.1993.6.
[2]低压电器.西安交通大学.方鸿发主编.机械工业出版社.1992.8.
[3]低压电器设计手册/周茂祥主编，黄国泰王征远副主编.—北京：机械工业出版社.1992年10月第1版.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
