专利名称：新型高性能节银触头-中孔触头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电工行业中，主要在低压电器领域，在周围介质是空气及常压下，额定电流60A以下各种接触器、电器开关采用的银或银基合金触头，尤其是能在改善电器开关通断性能的情况下，减少触头用银量的电触头。
目前，从国外处于领先地位的西方国家——德国近年来有关著作及最新出版电触头著作，如《电接触和电接触材料》A.凯尔 W.A.默尔 E.维纳里库著；《电接触》H.霍夫特H.G施奈德编，及对照国内电接触著作如《电器电弧理论》王其平编著，都对电触头进行多样化的研究和改进，其中包括触头用材料的研究，触头机构和灭弧机构的研究，但至今尚未有“中孔触头”论文、著作发表或在电器产品中使用过。现有触头的性能，通过从银过渡到银基合金和采用复合银或复合银基合金为代表的触头材料的改进使触头在减少耗银的同时耐受电弧性能有所提高；通过应用电动力原理和不断改进的灭弧机构，使电弧进入灭弧机构熄灭。但是，上述各种改进中，电弧从发生瞬间到离开触头极面，弧根对触头极面的烧损始终呈密集型，因而弧根区触头极面烧损仍较严重而影响触头性能和寿命。
本实用新型的目的是提供一种电触头，它不仅能使电弧弧根对触头极面的烧损从密集型转变成分散性良好的管状弧形从而减少极面烧损，而且使极面接触温升下降，并同时实现相同电流等级电触头耗银的减少。
本实用新型的目的是这样实现的在现有的接触器、开关生产过程中，其他元件、零件的制造过程不变，只是把原来使用的纯银或银基合金触头按电流等级对应冲制一园形或矩形中心孔，在支承导电板原焊银点中心各冲制相同孔，然后对孔焊接而制成中孔触头部件，批量生产采用复式冲模一次成形。在接触器中还须把动触头上面的弹簧支片两端中心处一次性冲出比园形孔或矩形孔略大的凹口。上述中孔触头部件组装在接触器、开关中时，其特征是须使动静触头贯穿孔重合畅通，其孔径值可在电触头外径值一半以下数值选取。这种类型的接触器，开关就可取代相同电流等级的接触器，开关使用，而电气联接方式不变。
由于采用上述方案，这种带中孔触头的接触器，开关在电路通断过程中，能把烧损严重的密集型电弧转化成分散性良好的园管状电弧，不仅电极烧损减少，而且电极接触温升下降而延长电触头使用寿命；与原触头相比减少了中孔部分用银；采用复式冲模一次成形，实现上述方案生产工艺简单。
以下结合附图和实施侧，通过电弧原理及在中孔触头中运动规律作进一步说明。
图1是本实用新型第一个实施例——接触器触头系统采用园形中孔触头结构视图。其中上图为主视图，下图为俯视图。
图2是图1主静触头(5)放大俯视图。
图3是图1主静触头无孔时电弧直径Φ0俯视图。
图4是本实用新型第二个实施例——接触器触头系统采用矩形中孔触头结构视图。其中上图为主视图，下图为俯视图。
图5是图4主静触头板(2)放大俯视图。
图中1.主动触头板2.主静触头板3.弹簧支片4.主动触头5.主静触头6.电弧7.中孔触头园形贯穿孔8.电弧外径Φ19.弧环带中间园直径2R210.无孔触头电弧直径Φ011.中孔触头矩形贯穿孔12.主静触头板(2)与主静触头(5)焊接面在I-I剖面处的宽度I。
在图1中，接触器主动触头板(1)两端焊银触头中心点各冲制有一园形孔，两主静触头板(2)原焊银中心点各冲制有一园形孔，园形孔孔经值在电触头外径一半以下值选取，例从20A～60A对应取值2～4mm；弹簧支片(3)的两端中心位冲出凹口，其凹口略大于上述园形孔；主动触头(4)、主静触头(5)各在其中心冲有圆形孔。当把主动触头(4)对准主动触头板(1)两端园形孔焊接，主静触头(5)对准主静触头板(2)园形孔焊接后，就形成中孔触头部件。把上述部件安装于接触器基座和触头支持上，调整触头系统时，以动静触头贯穿孔在吸合时重合及通断过程中贯穿孔畅通为准。
现把上述带中孔触头的接触器使用于通断相同等级电流的电气设备上，其特征如下1.根据电弧原理，触头间电弧通常有阴极区、阳极区和基本弧柱三个特性区，触头两极表面温度受电极材料沸点的限制，但基本弧柱部分温度极高。由于热和电的原因，弧柱内部气体处于不断游离和消游离的动态平衡中。而消游离主要是指弧柱中离子的复合和扩散，因此当电的方面条件确定情况下，触头电弧的熄灭将与触头周围介质参数，触头结构及散热条件等因素有关。当图上主动触头(4)与主静触头(5)闭合时，其接触部分实际上是中孔边的园环面，与无孔原触头的点接触相比，其接触发热区大而分散，故通断相同电流时，触头上散热性能比无孔原触头强。
按图3，已知无孔原触头弧柱直径(10)为Φ0，设中孔触头的孔径制成等于原触头弧柱直径(10)之Φ0，由于电弧的直径与电流有关，对于在空气中自由燃烧的静止电弧，其直径与电流的平方根成正比，根据实验可用下列经验公式表示。
则有J=IS=I(π/4)d2=0.086]]>据此，电弧电流密度保持不变，并与电流无关。因而，在分断相同的静止型电弧中，无孔触头的弧柱电流密度J0与中孔触头的弧柱电流密度J1应相同。其中
J1=I0(π/4)·(Φ12-Φ02)]]>则有 Φ02＝Φ12-Φ02Φ1=2Φ0]]>Φ1为中孔触头弧柱外径。
当触头分离间隙为§时，中孔触头管状弧柱表面积由内孔表面积S0和外环表面积S1组成，其中S0＝πΦ0§(内孔)
而相应无孔触头弧柱表面积S其值为S＝πΦ0§设中孔触头弧柱表面积比无孔触头弧柱表面积大S′，则考虑到扩散表面外环境的一致前提下相抵，S′值为，S′＝S1+S0-S＝S0+(S1-S)
据此，中孔触头比无孔触头具有更大的的扩散表面，从而加强了弧柱冷却去游离过程。
2.中孔触头弧柱成中空圆管状，接近两极收缩，中空冷却气流和离子加速流通扩散，对弧柱直接起降温去游离作用。其机理为电弧单位体积散出的功率可用下式表达P＝ρaCVgradT式中ρa——气体密度C——气体单位体积的热容系数V——运动速度在自由并垂直燃炽情况下，电弧受重力的作用本身能产生对流。根据流体力学原理，对于未扰动的空气运动方程式可写为ρadvdt=-gradp+ρa·g]]>式中 g——重力加速度gradp——压力梯度由上式可得gradp＝ρa·g由于触头分离瞬间线路电能以电弧形式释放，电弧中气体及其周围气体被炽热，其密度下降到ρb，可近似地写为ρbdvdt=-ρa·g+ρb·g]]>经整理为dvdt=-(ρa-ρb)ρb·g]]>上式表达了电弧中气体及其周围气体将有向上方向的加速运动。由于电弧本身受两电极的限制，因此，对中孔触头的中孔结构，电弧的向上运动集中地表现为电弧外环和中孔贯穿气流的向上运动，从而形成冷却气流。此时，吸收电弧热能并携带电弧扩散离子的热气流从触头中心孔喷出，而外界冷气体瞬时从下孔吸入。由于在弧柱中每立方厘米每秒内正离子或负离子数目的减少为dni+dt=dni-dt=-αni+ni-]]>式中α为离子复合系数，ni+ni-为正负离子数，可统一为n，则上式可写成。dndt=-αn2]]>其中复合系数α与气体的种类，温度和压力有关，对于空气中自由燃炽的电弧，其值为α＝7.6×10-6·(273/T)3由此可知，当电弧温度下降时，复合系数α成立方地迅速增加，据此，中孔触头的中孔结构形成的冷却气流不仅使弧柱热能迅速扩散而降温，而且弧柱离子复合速度迅速增加并同时携带部分离子随热气流喷出而复合，导致电弧消游离而迅速熄灭。
由于对流，扩散散热占弧柱散出功率的极大部分，显然，由上所述中孔触头比无孔触头具有更强的熄弧能力。
3.根据傅氏定律，在时间dt内经任何单元面积ds热量dQ与垂直于该面的温度梯度gradT成正比。dQdt=-λds·gradT]]>式中λ-导热系数，负号表示热量传导方向与温度增加方向相反。
按本文1.段分析，如图2、图3所示，已知无孔触头电弧直径(10)为Φ0，中孔触头对应电弧内径Φ0，外径Φ1值为
Φ0，则在电弧刚起弧时两种触头弧柱温度近似相同情况下无孔触头温度梯度为gradT0，其梯度段为弧柱中心到边界距离Φ0/2；中孔触头温度梯度为gradT1，由于其弧柱最高温处于弧环带中间即R2处，其梯度段为R2到弧柱内圆Φ0的距离和到弧柱外圆Φ1的距离。
2R2＝(Φ0+Φ1)/2R2=(2+1)Φ0/4]]>则有<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]]>，显然中孔触头的弧柱温度梯度大于无孔触头的温度梯度。
gradT1＞gradT。
其次，在1.段中已得出中孔触头弧柱表面积比无孔触头弧柱表面积大s′，故而根据傅氏定律得出中孔触头传导散热优于无孔触头。
4.在电弧产生的同时，伴随着辐射散热，其辐射散热量可用斯蒂芬——波尔曼公式P＝C·S·[(T1/100)4-(T2/100)4](瓦)式中S-电弧热体的辐射表面积(平方米)T1-电弧热体表面温度(°K)T2-接受辐射波的周围介质温度(°K)C-辐射系数(瓦/°K4平方米)在本文1.段分析中已得出中孔触头弧柱表面积比无孔触头弧柱表面积大S′，故通过辐射形式散出热能中孔触头优于无孔触头。
综上所述，中孔触头由于其特殊结构，使电弧在对流扩散，传导和辐射散热中优于无孔触头，形成电弧去游离过程增强熄弧迅速及接触温升低的特性。
现以图1实施例方案为例使用CJ10-20交流接触器几台，根据国标“GB998-67低压电器基本试验方法”和部标“JB/DQ4044-31空气电磁式交流接触器”有关规定进行对比性触头稳定温升试验，其中一台为原触头，其他主触头进行改制，使其孔径各为1.8mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm，并按定期试验有关规定由热电偶法测试主触头的稳定温升，结果如表。
孔径Φ0mm1.8 2.0 2.5 3.0 3.5无孔触头τ0℃ 5353535353中孔触头τ0＂℃ 42.1 34.9 27.5 2521.5比值τ0＂/τ00.79 0.66 0.52 0.47 0.41现有实测所得的τ0＂/τ0与对应孔径关系曲线列于坐标图如下
由此可见，中孔触头随孔径适度增加其触头接触温升比原触头有显著下降。
对上述接触器进行通断能力试验，经过100次接通20次通断后，从示波图中显示，接通与通断波形正常，通断的燃弧时间矩约6.5ms以下，通断后的绝缘试验合格，动作特性试验合格，肉眼观察中孔触头(各孔径)极面烧损程度明显轻于无孔原触头极面的烧损，从而延长了触头的寿命。
以上所述主要以25A以下在触头间以静止型电弧为主。对于25A以上的电弧，因电弧本身产生的磁场力或外界磁场力的双重作用呈运动型，除采用上述园形孔外，更适用于矩形孔。
在图4所示的第二个实施例中，接触器主动触头板(1)两端焊银触头中心点各冲制有一矩形孔(11)；两主静触头板(2)原焊银中心点各冲制有矩形孔(11)；这些矩形孔大小相同，并与对应电流等级冲制的园形孔面积相同，其触头中心位于矩形孔中以短边为正方形的正中位，而矩形孔长边的方向即为电弧迁移方向。如图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-矩形孔矩边b-矩形孔长边Φ0-中孔触头园形孔径弹簧支片(3)的两端中心位对应冲出凹口，其凹口应略大于上述矩形孔；主动触头(4)，主静触头(5)各在其中心冲有矩形孔。当把主动触头(4)孔口对准主动触头板(1)两端矩形孔焊接，主静触头(5)孔口对准主静触头板(2)矩形孔焊接，就形成中孔触头部件。
把上述部件安装于接触器基座和触头支持上，调整触头系统时，以动静触头矩形贯穿孔吸合时重合及通断动作过程中贯穿孔畅通为准。现把上述带中孔触头的接触器使用于控制相同等级的电气设备上，其特征是当触头分离运动型电弧时，其各个阶段有下面各图表示的对应过程。
其中tA-指触头刚开始分离，但仍靠熔桥相连直至熔桥断裂瞬间，其间有熔桥微弱光。
tH-触头间熔桥断裂蒸发和飞溅，两极间因热发射，场发射和场致发射引起电弧，电弧在起弧点稳定地燃烧，因有限的区域内热源的累积作用，使弧根基点产生熔化区，引起电极的侵蚀。
tL-电弧弧根基点约以小于10ms速度定向迁移，其间伴随着接点的熔化，在电极上留下熔化痕迹，直至到达触头边缘。
tK-电弧离开触头表面，从支承体移向灭弧机构，其间运动速度达40m/s，最终进入灭弧机构熄灭。
从上述运动型电弧一般规律及试验表明，电弧停留在触头上的时间，只占电弧在电器中存在时间的1/4左右。触头的磨损主要在弧根停留在起弧点的tH段和在触头窄缝中迁移的tL段。据此，减少电弧停滞时间和在停滞时间内减少电弧的侵蚀成了触头研究的重要课题。
由上段分析得出在触头分离过程中，tH段为运动型电弧处于在起弧点稳定燃烧时刻，其特征与静止型电弧相同，故中孔触头的三大特征-环状面接触，管状弧柱的扩散表面积增加和中孔冷却气流都发挥作用，加快电弧去游离过程。
其次，当电弧基点开始定向迁移时，从电弧离开中孔位置，直至弧柱边缘离开中孔边缘，其间中孔触头三大特征中，环状面积逐步减小，管状弧柱扩散表面积逐步减小及中孔冷却气流作用逐步减弱，因而中孔触头的去游离作用由强转弱，而此刻电弧巳迁到触头边缘，灭弧机构得以在明显削弱了电弧条件下迅速熄弧。由于在本实施例中采用了矩形孔。触头的磨损ΔM与触头的宽度I成反比关系ΔM＝C/I式中C-和电流大小，电触头结构和其它试验条件有关的常数。
则矩形孔的触头宽度I-a＝I-0.625Φ。
圆形孔的触头宽度I-Φ。
无疑，矩形孔的触头宽度比圆形孔触头宽度略大而有利减少磨损。
从图5所示结构看出，矩形孔朝电弧迁移方向一边到触头边缘距离比圆形孔短，即Φ/2-3a/2-Φ/2-0.625Φ0·3/2＜Φ/2-Φ0/2式中，Φ——触头外径故而使电弧移向边缘过程中，即在tL段使中孔触头中孔气流等特性作用时间比园形孔长，即矩形孔结构更适于运动型电弧熄弧。
采用上述方案，对以运动型电弧为代表的CJ10-40交流接触器进行通断能力试验，其孔径分别为2.5mm、3mm、3.5mm经100次接通和20次通断后，从示波图显示，接通与通断波形正常通断燃弧时间短约7.5ms以下，通断后的绝缘试验合格，动作特性试验合格。其触头接触稳定温升的下降特征与第一实施例园形孔相同。
权利要求1.一种新型高性能节银触头——中孔触头，在周围介质是空气及常压下，额定电流60A以下各种接触器内，绝缘基座上的主静触头与触头支持上的主动触头构成动合电连接，其特征是绝缘基座上是材质及外形尺寸与原主静触头相同但带有中心孔的主静中孔触头，触头支持上是材质及外形尺寸与原主动触头相同但带有中心孔的主动中孔触头；主静中孔触头与主静触头板或主动中孔触头与主动触头板都有同心又重叠的园形或矩形贯穿孔；并且，在结构位置上主动中孔触头上的园形或矩形贯穿孔的正投影与绝缘基座上主静中孔触头的园形或矩形贯穿孔重合。
2.根据权利要求1所述的中孔触头，其特征是触头园形孔孔径值小于原触头外径值的一半。
3.根据权利要求1所述的中孔触头，其特征是触头矩形中孔面积等于对应园形中孔触头时园形孔的面积；触头中心位于以矩形孔短边为正方形的中心，矩形孔两短边中点的连线与主静触头板对称中心线中极面短边中点到触头中心点的连线重合。
4.根据权利要求1所述的中孔触头，其特征是接触器触头系统中主动触头板上的弹簧支片的两端有不复盖主动中孔触头园形或矩形贯穿孔的凹口。
专利摘要一种在电工行业中，周围介质是空气及常压下，额定电流60A以下各种接触器、开关所用的银或银基合金触头，其触头极面中心包括支承导电板有圆形或矩形贯穿孔，在通断过程中，动静触头贯穿孔重合畅通的中孔触头。在相同电流等级电路通断过程中，带有中孔触头的接触器、开关能把烧损严重的密集型电弧转化成接近两极略有收缩的中空圆管状电弧，中孔冷却气流加快弧柱熄灭而减少极面烧损，并使电极接触温升下降，又减少电极耗银(中孔部分)，延长了电极使用寿命。
文档编号H01H1/06GK2261073SQ95220030
公开日1997年8月27日 申请日期1995年8月20日 优先权日1995年8月20日
发明者蒋法波 申请人:蒋法波