雙金屬觸發(fā)器的設(shè)計概述目錄TOC\o"1-3"\h\u15824雙金屬觸發(fā)器的設(shè)計概述 1311701.1觸發(fā)器材料的選擇 164741.2雙金屬片加熱方式的選擇 498021.3雙金屬片的設(shè)計 5193171.4熱雙金屬元件型號的選用原則 91.1觸發(fā)器材料的選擇通常情況下，雙金屬片的主動層的材料主要含有鎳、黃銅、錳鎳銅合金、鎳鉻鐵合金、鎳錳鐵合金等；被動層的材料主要為含鎳34%~50%的因瓦型合金。雙金屬材料大概有100多種。這些材料基本可以根據(jù)用途分為高靈敏型、通用型、高溫型、低溫型、電阻型、耐腐蝕型和特殊型這幾大類。高靈敏型材料（5J20110）的優(yōu)點有：比彎曲K值較高、電阻率較高。缺點為：熔點較低、容易氧化、焊接性差、穩(wěn)定性較低、價格較高。該材料適用于小電流直熱式或發(fā)熱量較低的產(chǎn)品[14]。通用型材料（5J1480、5J1476）則是雙金屬材料中性能最穩(wěn)定的，它的比彎曲較高、彈性模量也很高；同時，它的允許使用范圍和線性溫度范圍都比較高，分別為-70℃~350℃和-20℃~180℃；焊接性好、價格便宜也是它的優(yōu)點。該材料適用于低壓電器以及使用復(fù)式加熱或旁熱式的雙金屬元件[15]。電阻型材料除了主動層和被動層之外，基本還有一個中間層，這被稱為三金屬材料；而且由于中間層的材料主要為銅和鎳，價格太貴，所以本設(shè)計不會采用電阻型材料。由上述幾種雙金屬材料的分析以及設(shè)計要求，我選擇使用通用型材料（5J1480、5J1476）來完成我的設(shè)計。表2-1是5J1480的材料特性：物理性能比彎曲電阻率彈性模量線性溫度℃允許使用溫度范圍℃密度標(biāo)準(zhǔn)145%0.85%147000-20~180-70~3508.2表2-15J1480的材料特性(1)溫曲率和比彎曲。溫曲率F、比彎曲K是材料的熱彎曲敏感特性指標(biāo)，該數(shù)值越大，熱敏感性越高。同樣尺寸的材料，F(xiàn)、K越大，同樣溫差下產(chǎn)生的彎曲量越大。按GB4461—2007、美國ASTM、德國DIN1715等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，F(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)測量范圍為室溫～95℃，K的測量范圍為室溫～130℃。在MCB中，雙金屬的使用溫度最高可達(dá)200℃以上，因此，設(shè)計時應(yīng)采用100～200℃的K及F數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)目前僅能在材料生產(chǎn)商的手冊中獲得。(2)電阻率。電阻率ρ是雙金屬物理性能的重要指標(biāo)，單位為Ω·m。該性能直接影響雙金屬在MCB中的發(fā)熱量以及雙金屬元件的溫升，從而影響熱脫扣動作。應(yīng)該引起重視的是，各種雙金屬材料都有不同的電阻溫度系數(shù)，設(shè)計時應(yīng)該考慮采用使用溫度下的電阻率。(3)彈性模量。彈性模量E單位為MPa，是計算雙金屬動作力的關(guān)鍵參數(shù)，該指標(biāo)直接影響到雙金屬的動作力做功效率以及成本等。(4)最大負(fù)荷應(yīng)力。最大負(fù)荷應(yīng)力σmax是用于檢驗設(shè)計是否安全合理的主要依據(jù)。該數(shù)據(jù)往往被忽視，導(dǎo)致材料的浪費或應(yīng)用中穩(wěn)定性差。較高溫度下的K、ρ、σmax等是最接近于實際使用的真實狀態(tài)下的性能參數(shù)，在MCB的雙金屬設(shè)計中應(yīng)優(yōu)先選擇。[5][5]熱雙金屬元件在小型斷路器中的設(shè)計與優(yōu)化[B]馮運(yùn)福；上海運(yùn)和電器有限公司；2011-08除了雙金屬片的材料選擇外我們還需要選擇導(dǎo)電材料以及絕緣材料。常見的導(dǎo)電材料有：銅、鋁、銀。銅的材料特點：成本相對較低，導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能都比較好，電阻率較低，比較耐用。適用范圍：室內(nèi)線路、低壓設(shè)備、電機(jī)、變壓器等。鋁的材料特點：成本低，重量輕，導(dǎo)電性能低于銅，耐磨，耐腐蝕。適用范圍：室外架空線路，室內(nèi)線路、低壓設(shè)備等。銀的材料特點：導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性非常高，電阻率低，熔點低，富有延展性，應(yīng)用成本比較高。應(yīng)用范圍：靈敏度極高的物理儀器元件，各種自動化裝置、火箭、潛水艇、計算機(jī)、核裝置以及通訊系統(tǒng)等。下表2-2是銅、鋁、銀的材料特性：材料名稱造價導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性密度熔點℃電阻率銅較低較高8.961083.41.75×10^(-8)鋁低較低1.76601.83×10^(-8)銀較高高10.49961.781.586×10^(-8)表2-2銅、鋁、銀的材料特性由于我們需要的雙金屬片受熱彎曲所產(chǎn)生的力要能夠?qū)牌瑝簲?，所以要選擇密度較高的材料，同時我們也要考慮到應(yīng)用成本的問題，所以我最終選擇銅作為雙金屬片的加熱元件。在雙金屬觸發(fā)器中有需要極高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性以及較低的熔點和電阻率的部分，由于所用不多，所以相比之下我們選擇銀來作為這部分的材料。絕緣材料由于化學(xué)性質(zhì)的不同可以分為三類：無機(jī)絕緣材料、有機(jī)絕緣材料和混合絕緣材料。無機(jī)絕緣材料：云母、石棉、大理石、瓷器、玻璃、硫磺等。應(yīng)用范圍：電機(jī)、電氣的繞組絕緣、開關(guān)的底板和絕緣子等。有機(jī)絕緣材料：蟲膠、樹脂、橡膠、棉紗、紙、麻、蠶絲、人造絲等。應(yīng)用范圍：絕緣漆、繞組導(dǎo)線的被覆絕緣物等?；旌辖^緣材料：由以上兩種材料加工制成的各種成型絕緣材料。應(yīng)用范圍：電器的底座、外殼等。[6][6]熱雙金屬片撓度值測量精度分析[期刊]蔡進(jìn)，杭魯濱，許海，李暢；《儀表技術(shù)》；2014-01-01絕緣材料的耐熱等級分為：Y級（極限溫度為90℃）、A級（極限溫度為105℃）、E級（極限溫度為120℃）、B級（極限溫度為130℃）、F級（極限溫度為155℃）、H級（極限溫度為180℃）、C級（極限溫度為180℃以上）。由于本實驗會用到銅和銀這兩種熔點較高的材料，所以只能采用耐熱等級為C級的絕緣材料。在本實驗中，選用的絕緣材料還要具有導(dǎo)熱性能差、硬度高、剛度高、密度大等特點。最終，選用絕緣材料—好氧樹脂來完成本實驗。1.2雙金屬片加熱方式的選擇雙金屬片的加熱方式可以分為三類：直接加熱、間接加熱、復(fù)式加熱。直接加熱是電流直接流經(jīng)雙金屬片，利用雙金屬片本身的電阻損耗來發(fā)熱使溫度提升。直接加熱可以改變雙金屬材料的大小、可以改變雙金屬片的阻值且能夠滿足不同額定電流的動作特性，但是熱容量有限、返回系數(shù)較低。間接加熱時，電流不流經(jīng)雙金屬片，而是利用專門的加熱元件與雙金屬片組合連接從而來對雙金屬片加熱。間接加熱可以通過改變加熱元件的電阻、材料、尺寸等來獲得不同的熱傳遞效果；加熱元件的熱容量較大，則提高了雙金屬片的額定短路電流分?jǐn)嗄芰?；又因為加熱元件的返回系?shù)較高，提高了雙金屬片的穩(wěn)定性。復(fù)式加熱則是直接加熱和間接加熱的結(jié)合，既有電流流經(jīng)雙金屬片本身，又有電流流經(jīng)專門的加熱元件。復(fù)式加熱的返回系數(shù)較高，能夠滿足不同額定電流的動作特性且額定短路電流分?jǐn)嗄芰^強(qiáng)。但同時存在了加熱元件熱容量小，額定短路電流小的缺點。因為電流同時流經(jīng)雙金屬片和加熱元件，導(dǎo)致了回路的內(nèi)阻較大，限制了短路電流值。通過對于雙金屬片加熱方式的了解，以及基于雙金屬材料的材料特性的選擇，為了尋找合適的加熱形式并且符合我們的設(shè)計要求，我會選擇使用間接加熱的方式來完成我的設(shè)計：將雙金屬片的一端與加熱元件（材料為銅）接在一起，由加熱元件來供給熱量。1.3雙金屬片的設(shè)計（1）長度、寬度、厚度在空間許可的情況下，雙金屬片的長度盡可能設(shè)置得較長；長度、寬度、厚度之間的比值應(yīng)該在80：8：1到48：6：1之間。同時，在材料的允許應(yīng)力下，厚度不能太薄，我們一般設(shè)定在0.7到1.2mm之間。（2）曲率和擾度我們可以通過溫度變化與雙金屬片彎曲形變的程度和彎曲行程的關(guān)系來計算雙金屬片的曲率和擾度。圖2-31雙金屬片的彎曲計算如圖2-31所示，熱雙金屬片的熱彎曲曲率為：(2-1)式中：為熱彎曲半徑，單位mm；分別為被動層和主動層的膨脹系數(shù)，單位10^(-6)/℃；為熱力學(xué)溫度差，單位K；為雙金屬片厚度，單位mm；為比彎曲。熱敏感性用比彎曲K表示，比彎曲是單位厚度的熱雙金屬元件在每變化單位溫度時，縱向中心線的曲率變化的二分之一。[7]小型斷路器熱雙金屬元件的分析研究[A]李子琦，盧權(quán)勝，劉超，黎永勝，陳平；浙江天正電氣股份有限公司，浙江溫州；[7]小型斷路器熱雙金屬元件的分析研究[A]李子琦，盧權(quán)勝，劉超，黎永勝，陳平；浙江天正電氣股份有限公司，浙江溫州；2017(2-2)根據(jù)國標(biāo)GB/T8364—2008中要求，比彎曲的測試適用于厚度0.60～1.25mm，溫度20～130℃范圍內(nèi)的熱雙金屬帶材，小型斷路器熱雙金屬元件厚度一般在0.6～1.0mm，適合用該方法測量。[8][8]小型斷路器熱雙金屬元件的分析研究[A]李子琦，盧權(quán)勝，劉超，黎永勝，陳平；浙江天正電氣股份有限公司，浙江溫州；2017對于擾度的值，我們會取2倍的脫扣行程，也就是圖中的兩倍。脫扣行程計算：(2-3)即自由擾度。(2-4)（3）推力：對于雙金屬片推力的計算，我們可以通過研究溫度變化與雙金屬片彎曲形變產(chǎn)生的推力之間的聯(lián)系來進(jìn)行。推力(2-5)式中：為彈性模量，單位N/mm^2；為雙金屬片的有效長度，單位mm；為雙金屬片的寬度，單位mm；為比彎曲，單位1/℃，的值為公式(2-2)。在這里，我們還要介紹一下彈性模量的測量：彈性模量用E表示，是指在熱雙金屬元件極限彈性范圍內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變之比。比值越大，使熱雙金屬元件發(fā)生一定彈性形變的力越大，即材料剛度越大，亦即在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生的彈性形變越小。彈性模量主要與材料的化學(xué)成分有關(guān)。[8][8]小型斷路器熱雙金屬元件的分析研究[A]李子琦，盧權(quán)勝，劉超，黎永勝，陳平；浙江天正電氣股份有限公司，浙江溫州；2017如圖2-32所示：圖2-32彈性模量彈性模量為(2-6)式中：為受力擾度；為在彈性限度內(nèi)所加的負(fù)載，單位N；為雙金屬片厚度，單位mm，為了更好理解，就改用上文所用的；為雙金屬片的長度，單位mm。（4）內(nèi)應(yīng)力：對于內(nèi)應(yīng)力的計算，我們可以通過分析雙金屬片彎曲形變產(chǎn)生的推力、觸發(fā)器開孔對雙金屬片發(fā)生彎曲時的阻力以及雙金屬片的允許應(yīng)力之間的關(guān)系來進(jìn)行。Hooke定律：(2-7)上式中，為應(yīng)力；為預(yù)應(yīng)力；為外部應(yīng)力；為粘性應(yīng)力；為彈性矩陣；為彈性應(yīng)變；為預(yù)應(yīng)變；為熱應(yīng)變；為浸潤膨脹；為塑性應(yīng)變；為蠕變；其中，粘性應(yīng)力、塑性應(yīng)變和蠕變都是非線性結(jié)構(gòu)材料所特有的。1.4熱雙金屬元件型號的選用原則熱雙金屬元件選用時，要考慮這幾點:在斷路器內(nèi)部機(jī)構(gòu)已基本定型的前提下，合理設(shè)計熱雙金屬元件的尺寸。另外，需要考慮電流等級、使用溫度、熱雙金屬元件