《雙金屬片電弧觸發(fā)器優(yōu)化設(shè)計研究10000字（論文）》

雙金屬片電弧觸發(fā)器優(yōu)化設(shè)計研究TOC\o"1-3"\h\u19266摘要 131183前言 310005第一章雙金屬片概述 4263081.1.雙金屬片工作原理 4208331.2.雙金屬片主要參數(shù) 5215031.3.雙金屬片類型和主要應(yīng)用 816551.4.材料選擇 9314971.4.1.雙金屬片選材 921951.4.2.環(huán)氧柵片選材 10124491.5.雙金屬片的設(shè)計與應(yīng)力場分析 1020263第二章電弧觸發(fā)器的概述 13218742.1.電弧觸發(fā)器的工作原理 13274332.2.雙金屬電弧觸發(fā)器的結(jié)構(gòu) 1414572.3.雙金屬片電弧觸發(fā)器的優(yōu)缺點 15252852.4.電弧觸發(fā)器的發(fā)展史 16180382.4.1.國外發(fā)展?fàn)顩r 16265682.4.2.國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 1797932.5.電弧觸發(fā)器的優(yōu)化設(shè)計 1715757第三章溫度場概述 1854073.1.引言 18249553.2.仿真建模 18166043.2.1.基本方程 18236283.2.2.仿真建模具體步驟 192168第四章雙金屬片電弧觸發(fā)器的優(yōu)化設(shè)計 20181584.1.溫度場概述 20182554.2.雙金屬片固定端優(yōu)化設(shè)計方案 2417617第五章結(jié)論 2831372參考文獻(xiàn) 29摘要限流式高壓熔斷器，雖然很早前就成功問世，但由于其在保護電路中起到的巨大作用，使其至今任未被淘汰，而且尚在向前發(fā)展，電弧觸發(fā)器作為熔斷器中的核心部位，起到引弧觸發(fā)的作用。本文的目的是測試和優(yōu)化雙金屬片在電弧觸發(fā)器中的應(yīng)用。在現(xiàn)代社會中，熱雙金屬元件被廣泛地應(yīng)用在不同領(lǐng)域。在電氣領(lǐng)域，由于觸發(fā)器是按照大的短路電流時的工作情況進(jìn)行設(shè)計的，在較小的故障電流流通的情況下無法進(jìn)行觸發(fā)開斷器動作，因此雙金屬片在觸發(fā)器設(shè)計方面有較大的應(yīng)用價值。本文首先介紹了雙金屬片的工作原理，特性，選材，制造，并給出了雙金屬片的應(yīng)力場分析和設(shè)計。其次，就電弧觸發(fā)器展開了詳細(xì)的介紹，具體交代了電弧觸發(fā)器的工作原理，并采用COMSOL軟件構(gòu)建了雙金屬片電弧觸發(fā)器模型。為了更好探究雙金屬片電弧觸發(fā)器的工作原理，本文具體對雙金屬片電弧觸發(fā)器基于COMSOL軟件做了溫度場的實驗，并截取了實驗結(jié)果。實驗結(jié)果表明，在一定時間內(nèi)，銀片狹頸出溫升遠(yuǎn)達(dá)不到銀的熔點，故并不能使銀片熔斷開，所以要使銀片狹徑斷開，就只能靠環(huán)氧柵片來將銀片狹徑頂斷。本文將通過對雙金屬片通流時的溫度場的變化以及對雙金屬片本身熱應(yīng)力的研究，為設(shè)計新型的雙金屬觸發(fā)器結(jié)構(gòu)提供思路?！娟P(guān)鍵字】雙金屬片、電弧觸發(fā)器、雙金屬片電弧觸發(fā)器、溫度場、銀片狹頸、好氧樹脂前言電弧觸發(fā)器是電路保護的第一道防線，觸發(fā)器的性能對熔斷器的功能起決定性作用；要使熔斷器的熔斷功能發(fā)揮越高，對電弧觸發(fā)器的靈敏度的依賴性就越大。而現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)電弧觸發(fā)器正在向小型化、高準(zhǔn)確度、集成化和智能化方向發(fā)展；新工藝、新材料的應(yīng)用也使電弧觸發(fā)器的制造成本不斷降低，性能指標(biāo)不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。目前，電弧觸發(fā)器已經(jīng)廣泛地在家用電器、電氣工業(yè)、航天工業(yè)、船舶工業(yè)、汽車工業(yè)、一般工業(yè)、農(nóng)業(yè)建筑、儀表工業(yè)、電訊事業(yè)、安全設(shè)備、照明設(shè)備等不同領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。本文共分為五章。第一章介紹雙金屬材料的概況。論述了常見的雙金屬片類型、廣泛的應(yīng)用場景，如通用型雙金屬片、高溫型雙金屬片、低溫型雙金屬片、高靈敏度型雙金屬片、耐腐蝕型雙金屬片等，分析了雙金屬片的制造工藝、各種工作參數(shù)和有關(guān)設(shè)計知識。第二章介紹了電弧觸發(fā)器的工作原理和雙金屬片電弧觸發(fā)器的優(yōu)缺點，并對雙金屬片電弧觸發(fā)器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。第三~五章介紹了雙金屬片電弧觸發(fā)器的溫度場的計算并給出優(yōu)化設(shè)計的具體方案和實驗結(jié)論。雙金屬片概述雙金屬片工作原理圖1-1（a）未加熱時圖1-1（b）分開加熱圖1-1（c）合并加熱熱雙金屬片結(jié)構(gòu)如圖1-1（a）所示，圖中1為雙金屬片上層金屬片（被動層），2雙金屬片下層金屬片（主動層），由于被動層的熱膨脹系數(shù)小于主動層的熱膨脹系數(shù)，所以當(dāng)雙金屬片處于室溫T0時，雖然主動層和被動層存在熱膨脹系數(shù)的差異，但由于未對雙金屬片進(jìn)行加熱，故主動層和被動層均不發(fā)生熱形變，長度依然維持在l當(dāng)我們對熱雙金屬片開始加熱，且分開加熱，此時如圖1-1（b）所示，主動層和被動層相距一小段距離。此時當(dāng)把熱雙金屬片從室溫T0加熱到T時，主動層受熱從原始的l0長度延展了?l2的長度，被動層受熱從原始的l0長度延展了?當(dāng)我們對熱雙金屬片開始加熱，且組合加熱，此時如圖1-1（c）所示，主動層和被動層緊密的貼合在一起。此時當(dāng)把熱雙金屬片從室溫T0加熱到T時，在雙金屬片均勻受熱后，雙金屬片發(fā)生了熱膨脹形變，由于主動層和被動層受熱膨脹程度的不同，即因為被動層的熱膨脹系數(shù)小于主動層的熱膨脹系數(shù)，雙金屬片主要參數(shù)比彎曲圖1-2熱雙金屬彎曲熱雙金屬片的比彎曲：當(dāng)通入電流后，雙金屬片的溫度發(fā)生變化時，上下兩層的金屬片由于熱膨脹系數(shù)的不同，而發(fā)生彎曲變形。單位厚度下的雙金屬片溫度變化單位溫度時，1/2的曲率變化稱為比彎曲，記作K。其表達(dá)式為

K=（1-1）式中K——比彎曲，1/℃；D——厚度，mm；T1T2R——熱雙金屬片發(fā)生形變時的曲率半徑，nm。彈性模量在熱雙金屬彈性極限內(nèi),應(yīng)力與相應(yīng)的應(yīng)變之比。它是計算熱雙金屬元件推力、力矩和內(nèi)應(yīng)力的主要參量。測量時將直條試樣一端固定，在自由端加上一個負(fù)荷，然后測定該端的撓度變量[16]。如圖1-3所示：圖1-3彈性模量彈性模量為 （1-2）式中：為受力擾度；為在彈性限度內(nèi)所加的負(fù)載，單位N；δ為雙金屬片厚度，單位mm；為雙金屬片的長度，單位mm。電阻率熱雙金屬各層的總電阻率。熱雙金屬元件使用中常通電直接加熱,電阻率是選材的重要參量。n層復(fù)層材料的總電阻率與各組元層電阻率有如下關(guān)系。S（1-3）并且S=（1-4）式中ρ和ρi分別為復(fù)層材料總電阻率和第i個組元層電阻率S和Si分別為復(fù)層材料總厚度和第i膨脹系數(shù)描述物體熱膨脹性能的物理參數(shù)。如果雙金屬片在0℃時的長度為L0，體積為V0。則在t℃時該物體的長度LtL（1-5）V（1-6）α和β分別稱為該物體的“線膨脹系數(shù)”和“體膨脹系數(shù)”，且β=3α。⑤溫曲率溫曲率F：厚度為S的雙金屬片，當(dāng)熱雙金屬片每變化單位攝氏度時，其法線的曲率變化[10]。當(dāng)熱雙金屬片的厚度S≥0.3mm時，可以采用簡支梁法；當(dāng)熱雙金屬片的厚度S<0.3mm時，應(yīng)采用螺旋法測量。測量方法的示意圖和計算公式如下：簡支梁法：圖1-4簡支梁法F=（1-7）式中F為簡支梁法的溫曲率,單位1/℃；S為試樣厚度，單位mm；L為二支點間距，單位mm；T1、T2為測量的起始溫度和終止1、2為T1、T2溫度螺旋法：圖1-5螺旋法F=0.0154（1-8）式中F為溫曲率，單位1/℃；α為溫度變化(T2——TS為金屬片厚度，單位mm；L為雙金屬片螺旋長度，單位mm；T1雙金屬片類型和主要應(yīng)用①通用型通用型熱雙金屬片是一種適用于多用途的雙金屬片類型，它具有較高的熱敏感性能（即比彎曲系數(shù)比較大）和機械強度，并且通用型熱雙金屬片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。通用型熱雙金屬片廣泛應(yīng)用于繼電器、開關(guān)、控制器等領(lǐng)域，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[3]。②高溫型高溫型熱雙金屬片僅適用于300℃以上的工作溫度。因其具有很高的使用溫度范圍，所以高溫型熱雙金屬片很大的機械強度且抗氧化性能強，但對熱的敏感度較低。高溫型熱雙金屬片主要應(yīng)用于制造用來測量高溫的溫度計。③低溫型低溫型熱雙金屬片僅適用于0℃以下的工作溫度。它具有較高的熱敏感性能（即比彎曲系數(shù)比較大）和機械強度，低溫型熱金屬片最低工作溫度可達(dá)80℃。④高度靈敏型高度靈敏型熱雙金屬片具有很高的比彎曲系數(shù)、很高的電阻率。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。由于其高精密和高靈敏性，導(dǎo)致高靈敏型熱雙金屬片抗腐蝕性很差。該材料適用于小電流直熱式或發(fā)熱量較低的產(chǎn)品。⑤耐腐蝕型耐腐蝕型熱雙金屬片其制造工藝采用電鍍、復(fù)耐蝕金屬等方法進(jìn)行鍛造，所以耐腐蝕型熱雙金屬片具有較好的耐腐蝕性能。⑥電阻型電阻型熱雙金屬片這類型的熱雙金屬片具有多種多樣的電阻率，使用可根據(jù)具體需求來選擇。而電阻型熱雙金屬片的性能大體相同，比如比彎曲系數(shù)等。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。電阻型熱雙金屬片主要應(yīng)用于小型化微型熔斷器。材料選擇雙金屬片選材通常情況下，雙金屬片的主動層的材料主要有：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35%~49%的合金。由上述幾種雙金屬材料的分析以及設(shè)計要求，選擇使用通用型雙金屬片（5J1480）來進(jìn)行分析，表1-1是5J1480的材料特性[8]：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1-15J1480的材料特性常見的導(dǎo)電材料有：銅、鋁、銀。銅的材料特點：造價相對較低，重量重，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：電線、電機、變壓器等。鋁的材料特點：制造成本低，材質(zhì)輕盈，導(dǎo)電性能略遜于銅，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，造價比較昂貴。應(yīng)用范圍：靈敏度高的儀器元件、自動化裝置、火箭、潛水艇、計算機、核裝置以及通訊系統(tǒng)等。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2.76602.83×10^(-8)銀較高高10.49961.781.586×10^(-8)下表1-2是銅、鋁、銀的材料特性：表1-2銅、鋁、銀的材料特性由于雙金屬片受熱彎曲產(chǎn)生的推力比較大，所以要選擇密度較高的材料，但是我們也要注意一下造價問題，最終我會選擇銅作為雙金屬片的加熱元件。同時，在雙金屬觸發(fā)器中有一小部分需要極高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性以及較低的熔點，而且電阻率要低，所以只能選擇銀。環(huán)氧柵片選材環(huán)氧柵片的成分依據(jù)化學(xué)性質(zhì)的不同大致可以分為兩種類型：無機物：云母、石棉、大理石、瓷器、玻璃等。應(yīng)用范圍：電機繞組、開關(guān)等。有機物：樹脂、橡膠、棉紗、紙、麻、蠶絲、人造絲等。應(yīng)用范圍：繞組導(dǎo)線包裹物等。且這兩種材料的耐熱等級分為：Y級（Tmax為90℃）、A級（Tmax為105℃）、E級（Tmax為120℃）、B級（Tmax為130℃）、F級（Tmax為155℃）、H級（Tmax為180℃）、C級（Tmax為結(jié)合上述分析，最終，選用絕緣材料——好氧樹脂作為環(huán)氧柵片來完成雙金屬片電弧觸發(fā)器的溫度場計算。雙金屬片的設(shè)計與應(yīng)力場分析（1）長度、寬度、厚度：在空間許可的情況下，雙金屬片的長度要盡可能長；長度、寬度、厚度之間的比值應(yīng)該在80：8：1~48：6：1之間。同時，在材料的允許應(yīng)力下，厚度不能太薄，一般在0.7~1.2mm之間。（2）曲率和擾度：我們可以通過對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1-6雙金屬片的彎曲計算如圖1-6所示，熱雙金屬片的彎曲曲率為：（1-9）式中：為彎曲半徑，mm；分別為層1和層2的膨脹系數(shù)，10^(-6)/℃；為受熱所產(chǎn)生的溫差，K；為雙金屬片厚度，mm；為比彎曲，1/℃，且（1-10）對于自由擾度的值，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：（1-11）即自由擾度（1-12）（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（1-13）式中：為彈性模量，N/mm2為雙金屬片的有效長度，mm；為雙金屬片的寬度，mm；為比彎曲，1/℃。（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：（1-14）其中，S為應(yīng)力；Sn為預(yù)應(yīng)力；Sext為外部應(yīng)力；Sq為粘性應(yīng)力；C為彈性矩陣；ε為彈性應(yīng)變；ε0為預(yù)應(yīng)變；εt?為熱應(yīng)變；ε?s為浸潤膨脹；電弧觸發(fā)器的概述電弧觸發(fā)器的工作原理圖2-1電弧觸發(fā)器結(jié)構(gòu)圖2-2雙金屬片電弧觸發(fā)器結(jié)構(gòu)觸發(fā)器系統(tǒng)在熔斷器的分?jǐn)嗄芰χ衅鸬脚e足輕重的位置，目前具有高分?jǐn)嗄芰Φ南蘖魅蹟嗥髦饕袃煞N觸發(fā)方式：電子觸發(fā)器和電弧觸發(fā)器。相比電子觸發(fā)器，電弧觸發(fā)器具有結(jié)構(gòu)簡單、使用元件少、抗干擾能力強等優(yōu)點，在混合型限流熔斷器中的應(yīng)用越來越多。如圖2-1所示，帶有若干狹頸的銀片被焊接在兩塊銅排的正中，且這兩塊銅排任保持一定的間距，這就是基本的電弧觸發(fā)器結(jié)構(gòu)。電弧觸發(fā)器與常規(guī)限流熔斷器結(jié)構(gòu)近似，這兩塊銅排具有良好的散熱性，且銀片上包裹著大量的填料（好氧樹脂）。由于銅排具有良好的散熱性，所以在正常通電情況下，銅排上會有大量的電流流過。由于兩塊銅排中存在間距，當(dāng)給器件一個左側(cè)輸入電流時，電流只能將從左側(cè)銅排流經(jīng)銀片，再流向右側(cè)銅排。銀片上的狹頸的作用是為了減小狹徑處電流流通的面積，從而使狹徑處的電流密度增大，使得銀片狹徑處的溫度上升幅度很大，當(dāng)溫度上升到銀的熔點時，銀片能夠更快地熔斷。當(dāng)銀片狹徑熔斷后會產(chǎn)生電弧，電弧電壓的電信號作用于開斷器，使得開斷器接收到觸發(fā)指令，從而能夠使得開斷器被觸發(fā)，從而短路電流將轉(zhuǎn)移到熔斷器上，熔斷器將產(chǎn)生高壓電弧，使得短路電流被分?jǐn)?。圖2-2為雙金屬片電弧觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)，相較于普通的電弧觸發(fā)器，雙金屬片型輔電弧觸發(fā)器是在常規(guī)的電弧觸發(fā)器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上焊接兩個固定塊，并固定上下兩層不同材料的金屬片，在靠近銀片一側(cè)的金屬片下方放置一塊像刀一樣的柵片，并頂著銀片。由于應(yīng)用場景的需要，電弧觸發(fā)器不僅僅要在存在短路電流時銀片能實現(xiàn)熔斷，還需要在較小故障電流時，銀片依然能實現(xiàn)熔斷，雙金屬片電弧觸發(fā)器就滿足了這個要求，能做到在較小故障電流時，實現(xiàn)觸發(fā)熔斷。由于固定的雙金屬片主動層和被動層的熱膨脹系數(shù)不同，上下金屬片雖然在通電時均受熱膨脹，但被動層金屬片由于熱膨脹系數(shù)比較小，主動層金屬片熱膨脹系數(shù)比較大，導(dǎo)致下面的金屬片發(fā)生熱膨脹后向下彎曲，此時向下產(chǎn)生一個應(yīng)力，并頂著像刀一樣的柵片向下運動，使得銀片通路發(fā)生形變，此時通過銀片通路的電流密度相較與普通電弧觸發(fā)器會變得更大，從而實現(xiàn)在較小溫度下銀片的熔斷觸發(fā)功能。雙金屬電弧觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)圖2-3雙金屬觸發(fā)器的各部材料如圖2-3所示：①為雙金屬片；②為銅排；③為絕緣材料好氧樹脂；④為縫隙，其中有環(huán)氧柵片處在雙金屬片下方，該環(huán)氧柵片的材料為好氧樹脂；⑤⑥為銅板；⑦為絕緣材料好氧樹脂；⑧為銀片。圖2-4銀片狹徑如圖2-4所示，銀片被打了多個小孔，只剩5小塊（狹徑）連接⑤⑥兩塊銅板。在本模型中，銀片起電流檢測作用，原因如下：在該模型中，由于⑤⑥兩塊銅板是分開的，所以電流是由⑤號銅板流經(jīng)銀片⑧，再流向⑥號銅板的。由于這銀片連接兩塊銅板處截面較小，導(dǎo)致該處電流密度會很大；由于銀片的狹徑電流密度較大，該處的溫度會快速上升；又因為該處材料為銀，熔點較低，所以該連接處會很快熔斷；該處斷開后會產(chǎn)生電弧，電弧會導(dǎo)入另一個元件，從而切斷電源。注意，該段落中狹徑熔斷是由于通過的電流較大，導(dǎo)致狹徑溫度過高而熔斷的。圖2-5雙金屬片和環(huán)氧柵片如圖2-5所示：銅排②和好氧樹脂③均開有一個凹槽，雙金屬片①的左右兩端都嵌入凹槽中，這是為了固定雙金屬片。因為該雙金屬片上半部分為被動層，所以雙金屬片受熱會產(chǎn)生向下的彎曲形變。同時，雙金屬片下方的環(huán)氧柵片頂端正對銀片的狹徑；由于雙金屬片向下彎曲，環(huán)氧柵片受力向下頂斷狹徑。該段落中，環(huán)氧柵片頂斷銀片狹徑是因為通過的電流較低，不足以熔斷狹徑，所以可以用柵片壓斷狹徑。雙金屬片電弧觸發(fā)器的優(yōu)缺點A、雙金屬片電弧觸發(fā)器的優(yōu)點：①選擇性好

②限流特性好，分?jǐn)嗄芰Ω咴谳^小故障電流流通時，銀片狹頸溫升并不能達(dá)到銀片的熔點，使銀片熔斷并使開斷器發(fā)揮作用。此時，只能依靠環(huán)氧柵片來將銀片狹徑頂斷，因此雙金屬片電弧觸發(fā)器分段能力相較于普通電弧觸發(fā)器提升了。

③相對尺寸較小為了保證熔斷功能的迅速進(jìn)行，雙金屬片電弧觸發(fā)器的尺寸設(shè)計的普遍較小。

④價格較便宜。由于雙金屬片電弧觸發(fā)器主要是由銅，少量為銀的材質(zhì)制成的，材料花費不算太昂貴，且雙金屬片電弧觸發(fā)器體積較小，整體制造工藝也不算太繁瑣，使得其價格相對親民。B、雙金屬片電弧觸發(fā)器的缺點：雙金屬片電弧觸發(fā)器最主要的缺點就是觸發(fā)后必須更換熔體，依據(jù)雙金屬片電弧觸發(fā)器的工作原理可知，雙金屬片電弧觸發(fā)器在發(fā)揮觸發(fā)功能后，銀片熔斷，想要下次再次實現(xiàn)觸發(fā)功能的話，就需要更換銀片，或者更換整個雙金屬片電弧觸發(fā)器。電弧觸發(fā)器的發(fā)展史國外發(fā)展?fàn)顩r在18世紀(jì)70年代納琳（Nairno），把細(xì)導(dǎo)線與充電電容器短接，發(fā)生了熔斷，這就是電弧觸發(fā)器的萌芽。1854年英國的泊利斯（Preace）用鉑金絲作為熔體，也做了同納林一樣的實驗。1879年電弧觸發(fā)器已相當(dāng)廣泛的被應(yīng)用，在當(dāng)時，簡單導(dǎo)線構(gòu)成的電弧觸發(fā)器已不能滿足使用者的需求，湯泊生教授（S.P.Thompson）在當(dāng)年設(shè)計出了一種改良型觸發(fā)器，它是由兩根鐵絲連到一個金屬球上，當(dāng)有足夠大的電流流過由鉛錫合金或其他低熔點的導(dǎo)電材料制成的小球時，經(jīng)過足夠的時間后，金屬球就會熔化而墜落，使得導(dǎo)線短路，從而斷開了電路。1883年，玻埃斯（C.V.Boys）和康海（H.H.Cunyngham）在湯泊生教授研制的基礎(chǔ)上設(shè)計了另一款觸發(fā)器，電流通過由兩片內(nèi)側(cè)焊接在一起的彈簧片，當(dāng)電流超過額定值時，焊接處熔斷，彈簧片就會向兩個不同的方向彈開，使電路斷開[10]。1890年莫地（W.M.Mordey）發(fā)明了具有填料的管式觸發(fā)器，該觸發(fā)器是由一根或者多根細(xì)直徑的銅導(dǎo)線制成，并密封在玻璃管或類似的容器內(nèi)，在玻璃管內(nèi)要全部或部分填充磨細(xì)的半導(dǎo)體粉末或不良導(dǎo)體粉末，使熔斷器不會有火焰向外噴濺。20世紀(jì)初西門子公司制造了一種以水銀作為熔體的永久觸發(fā)器，當(dāng)過載電流通過水銀時，使之發(fā)熱而蒸發(fā)，于是電流被斷開，當(dāng)過載電流消失后，水銀冷卻恢復(fù)液態(tài)再次恢復(fù)導(dǎo)電。20世紀(jì)20年代斯萊賓（Slepian）利用氣體滅弧的原理，研制出第一臺氣體噴射觸發(fā)器。1939年甘苔邦（Gantenbein）設(shè)計了一種變截面熔體的觸發(fā)器，且只適用于過電壓的情況。1969年日本研制成功了低壓永久觸發(fā)器，分?jǐn)嗄芰_(dá)到300kA，限流峰值在15kA左右。國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r在1980年代以前，觸發(fā)器對中國來說是一項難題，且經(jīng)歷了長期的模仿時代，中國觸發(fā)器從此開始逐漸步入正軌，形成了全新的觸發(fā)器生產(chǎn)布局。1980-1995年，隨著改革開放后歐美觸發(fā)器隨國外設(shè)備的引進(jìn)而大量涌入。1989年至今，德國E-FEN公司、WOhner公司相繼在廣東和北京建廠，大批量生產(chǎn)NH方形和B型圓筒形觸發(fā)器。電弧觸發(fā)器的優(yōu)化設(shè)計設(shè)計目的：由于觸發(fā)器狹徑的尺寸設(shè)計是按照大電流工況快速熔斷要求設(shè)計，能夠保證大故障電流時快速熔斷，但是在小電流工況（三倍額定電流）時，電流的熱電效應(yīng)并不會熔斷觸發(fā)器狹徑，系統(tǒng)長時間通入故障電流將會造成元器件受到損害甚至發(fā)生嚴(yán)重事故。為解決觸發(fā)器無法在較小電流熔斷的問題，采用設(shè)計雙金屬片新式觸發(fā)器，通過外力擠壓狹徑，使狹徑斷裂[6]。綜合設(shè)計目的我們可以從兩方面入手，第一點是通入額定電流時，它的溫升情況。第二點是在短路電流通入時的弧前時間。想要對其優(yōu)化，提高它對短路電流的響應(yīng)速度，我們可以在它滿足溫升的前提下縮短弧前時間[19]。也可保持其弧前時間一致來改變其溫升。設(shè)計意義：使得雙金屬觸發(fā)器的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛；對以后研究雙金屬觸發(fā)器起引導(dǎo)作用；并能通過對原理的理解能夠設(shè)計雙金屬觸發(fā)器。溫度場概述引言根據(jù)第一章的雙金屬片原理的分析以及公式的推導(dǎo)，建立雙金屬片輔助電弧觸發(fā)器的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)學(xué)模型，利用COMSOLMultiphysics5.4軟件進(jìn)行仿真，建立仿真模型。仿真建?；痉匠趟矐B(tài)電熱場基本方程：（雙金屬片吸收的熱量等于自身內(nèi)能增加和散熱）?y??φ+y?（3-1） ρC（3-2） y=y（3-3）式中：ρ為密度，單位kg/m3，c為比熱容，單位J/（kg·℃），γ為電導(dǎo)率，k為導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)，T為銅片表面溫度，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/m*K；?T為溫度梯度，單位為K/m；雙支梁雙金屬片撓度：Δf=（3-4）雙支梁雙金屬片推力：F=（3-5）溫度場的計算公式為：（3-6）式中：Suρ是密度（Kg/mc是比熱容（J/(Kg×K)）λ是熱流密度(S/m)仿真建模具體步驟仿真建模的具體邊界條件有：傳熱部分：觸發(fā)器上表面部分傳熱遞系數(shù)設(shè)置為14W/（m2?K）。觸發(fā)器兩側(cè)面部分傳熱系數(shù)設(shè)置為28W/（m2?K）。觸發(fā)器底面部分傳熱系數(shù)設(shè)置為7W/（m2?K）。除最左側(cè)和最右側(cè)兩部分外都是電絕緣的；將最右側(cè)設(shè)置為接地，最左側(cè)設(shè)置為通入電流。力學(xué)部分：觸發(fā)器底座固定。雙金屬片兩端水平方向可自由移動，豎直方向固定。雙金屬片電弧觸發(fā)器的優(yōu)化設(shè)計溫度場概述為了更好的探究雙金屬片電弧觸發(fā)器的溫度場，我們可以按照以下步驟來完成該部分的內(nèi)容：（1）通過COMSOL軟件新建一個三維模型，選取的物理場為結(jié)構(gòu)力學(xué)的熱應(yīng)力。（2）在COMSOL軟件中導(dǎo)入之前所畫的幾何圖形如圖4-1，并將該圖形的材料設(shè)置為：雙金屬片材料為通用型材料5J1480或5J1476；銅排材料為銅；絕緣材料為好氧樹脂；銀片材料為銀。圖4-1雙金屬觸發(fā)器（3）設(shè)置固體傳熱。傳熱條件設(shè)置：固體傳熱模塊，設(shè)置溫度初始值為293k。我們將圖4-2中紫色的部分設(shè)置為熱絕緣，即對外不傳熱，和外界無熱交換，灰色部分不是熱絕緣，與空氣就會有熱傳遞。圖4-2熱絕緣部位設(shè)置熱通量，將觸發(fā)器上表面部分的熱通量1，如圖4-3中紫色部分所示，傳熱遞系數(shù)設(shè)置為14；圖4-3熱通量13.將熱通量2即觸發(fā)器兩側(cè)面部分，如圖4-4中紫色部分所示，傳熱系數(shù)設(shè)置為28；圖4-4熱通量24.將熱通量3即觸發(fā)器底面部分，如圖4-5中紫色部分所示，傳熱系數(shù)設(shè)置為7。圖4-5熱通量3設(shè)置通入電流。除最左側(cè)和最右側(cè)兩部分外都是電絕緣的；將最右側(cè)設(shè)置為接地，最左側(cè)設(shè)置為通入電流。然后我們設(shè)置電絕緣，如圖4-6所示：除了左右側(cè)邊的兩個灰色部分，其余的紫色部分均為電絕緣。圖4-6電絕緣接下來，我們設(shè)置接地部分，它只有一處，也就是圖4-7中紫色部分。圖4-7接地最后我們設(shè)置終端，也就是與接地處相對的，觸發(fā)器的另一端，如圖4-8所示，我們將其電流設(shè)置為一個函數(shù)。圖4-8通入電流通入的電流如圖4-9圖4-9電流示意圖（5）溫度場計算結(jié)果。第140秒時元件溫度：圖4-10（a）主視圖圖4-10（b）底面視圖圖4-10（c）底面放大如圖4-10（a，b，c）所示，在通電140秒時，元件的溫度最高處為狹徑，最高溫度為249℃，遠(yuǎn)達(dá)不到銀的熔點。所以要使銀片狹徑斷開，就只能靠環(huán)氧柵片來將銀片狹徑頂斷。此時明顯可以看出右側(cè)銅板溫度比左側(cè)高，好氧樹脂部分溫度基本不變。雙金屬片固定端優(yōu)化設(shè)計方案電弧觸發(fā)器在電流流通時，由于銅排的熱傳遞，雙金屬片上的溫度約為70℃左右，此時通過以上的仿真結(jié)果可知電弧觸發(fā)器整體的內(nèi)部應(yīng)力較大，狹徑處最高處的應(yīng)力約為828Mpa左右，其中狹徑處受到的應(yīng)力最高，此時長時間工作在正常通流情況下可能會造成觸發(fā)器結(jié)構(gòu)的變形導(dǎo)致狹徑幾何尺寸的變化，電流密度增大，觸發(fā)器溫度分布邊變化，造成誤觸發(fā)的情況。因此通過設(shè)計增加雙金屬片兩端固定側(cè)的開槽寬度可以使雙金屬片兩端有較大的活動空間，使得在正常通流情況下雙金屬片產(chǎn)生的形變不會對觸發(fā)器有過大的影響，從而達(dá)到保護觸發(fā)器正常工作的目的，如圖4-11所示[21]。圖4-11改進(jìn)后雙金屬片輔助電弧觸發(fā)器具體改進(jìn)的數(shù)值為：將左右兩邊環(huán)氧材料和銅排上的開口各增大0.2mm，雙金屬片中心與絕緣柵片間隔0.2mm，雙金屬片整體被抬高0.2mm，改進(jìn)后雙金屬片兩固定端的自由活動高度增加0.2mm。圖4-12改進(jìn)后雙金屬片輔助電弧觸發(fā)器銀片受到的壓力仿真模型增加雙金屬片兩固定端自由活動高度的仿真結(jié)果：圖4-13改進(jìn)前的應(yīng)力圖4-14改進(jìn)后的應(yīng)力改進(jìn)前的狹徑處在正常通流500A時所受到的應(yīng)力有180Mpa左右。改進(jìn)后正常通流為500A時狹徑受到的應(yīng)力為126Mpa左右。通過對比可知和改進(jìn)后受到的應(yīng)力為126Mpa相比改進(jìn)之前所受到的應(yīng)力確有減小，證明該方法確實可以達(dá)到保護觸發(fā)器的效果，但是雙金屬片推力響應(yīng)減小，起弧時間相應(yīng)延長。結(jié)論本文以低過載電流下電弧觸發(fā)器不動作或動作過慢為研究背景，采用原理分析、仿真建模和試驗研究相結(jié)合的方法，對雙金屬片輔助電弧觸發(fā)器動作過程進(jìn)行了分析，同時對雙金屬片輔助電弧觸發(fā)器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，使其快速分?jǐn)?。以下為主要研究?nèi)容：（1）利用COMSOL有限元仿真軟件，對雙金屬片輔助電弧觸發(fā)器進(jìn)行了仿真建模，同時對仿真模型的正確性進(jìn)行了驗證。（2）針對上述仿真結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)雙金屬片輔助電弧觸發(fā)器的觸發(fā)時間過長，所以對雙金屬片輔助電弧觸發(fā)器模型