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空调用微动开关结构与可靠性优化设计

发布时间:2017-3-6 10:3:2  浏览:

低压电器品种繁多,在国民经济中有着不可替代的重要作用,低压电器品种主要有接触器、断路器、按钮开关、微动开关等。本文所述及的微动开关的就是低压电器中的一种,该微动开关的设计重点在于内部触点传动机构和电触头。这些设计指标在整个微动开关设计中起着重要作用,其性能直接影响到电器运行的稳定性和可靠性。其中电接触材料的选择的性能更是直接决定着电触头的性能。对于一个低压电器设计者来说,了解和认识电接触材料及传动机构,在其设计中意义将是非常重大的,能起到事半功倍的作用。

本文设计的微动开关是在原有的空调用门开关基础上进行改良,保持原有外观不变,更改内部传动可靠性,降低成本。其与原有样品开关相比,拥有如下几个显著特点:(1)开关动作灵敏,接通和断开速度快,不易产生拉弧;(2)开关分断力大,不易粘连;(3)能承受更大的负载;(4)动作可靠性高,使用寿命更长。

 微动开关技术资料

1、主要性能指标和结构设计

1.1产品主要性能指标

1.2产品的主要结构和工作原理

对产品的结构、性能进行了细致的研究,尽可能提高产品可靠性、适用性、工艺性、可测试性、可维护性等性能指标。新设计的微动开关主要结构如图1所示。用力推动推杆,推杆向下运动,带动转块转动,转块转过绞支点,下压簧片后簧片转动,接点接触,开关接通。松开对推杆的推动力,推杆在压簧回复力作用下向上复位,带动转块回转,转块回转过绞支点后,在绞支点另一侧下压簧片,簧片转动,接点分离,开关断开。接触片组同样借助簧片的弹力快速跳变与下接点分离,接点快速分离减少了拉弧的产生,大大提高了接点的使用寿命。

 微动开关主要结构

2、方案设计与分析

2.1内部机构设计

首先对原有微动开关进行详细分析,发现样品开关由上下壳体、推杆、转块、焊片、簧片、压簧等零部件组成,老开关内部结构见图2。

 开关内部结构

用力推动推杆,推杆向下运动,带动转块转动,转块转过绞支点,下压簧片,簧片转动,接点接触,开关接通。

 

松开对推杆的推力,推杆在压簧回复力作用下向上复位,带动转块回转,转块回转过绞支点后,在绞支点另一侧下压簧片,簧片转动,接点分离,开关断开。

通过对老样品开关的详细分析测试,发现样品开关力臂短,操作力矩小,开关接通、分离速度慢,拉弧现象严重,簧片变形小,分离力小,触点容易产生粘连,负载能力差,开关的使用寿命就短,可靠性差,在使用过程中如遇振动,开关将出现接触不良的情况。针对这些情况,我们制定了新设计微动开关的设计方案。

该样品开关接通、分离速度慢,簧片变形量很小,其产生的力小,导致触点压力很小,接触不可靠。

开关簧片变形量很小,其产生的变形力小,这使得触点分离速度慢,容易引起拉弧烧蚀,长时间使用会导致触点产生粘连,触点分离力不足,致使开关不能断开,发生失效。老样品开关的簧片受力如图3。

 

针对开关失效机理,我们重点对簧片结构进行了设计改进,改进后的开关结构如图4所示。

 微动开关主要结构

新开关动作原理:用力推动推杆,推杆向下运动带动转块转动,转块推动支架,支架向下转动同时带动簧片向下转动过绞支点,在簧片变形力作用下,簧片带接点的头部向下摆动,接点接触,开关接通。松开对推杆的推动力,推杆在压簧回复力下向上复位,带动转块回转,支架在簧片变形力作用下回转,同时带动簧片转动过绞支点,在簧片变形力作用下,接点快速分离,开关断开。

新设计后开关簧片受力如图5所示,从图中可以看出,开关在转换过程中簧片产生变形大,同时为了增加簧片的变形力,将簧片的材料厚度由原来的0.15mm改为0.2mm。新设计的簧片变形力增加,接触片图5新设计开关簧片受力图接点分离速度加快,不易产生拉弧现象,同时接点压力增加(经实测该结构开关接点压力为45N),接触电阻稳定,为进一步减小接触电阻,加大接点直径,减少接点接触处的发热量,使接点不易产生烧蚀,这些都能够有效防止触点发生粘连现象。

 微动开关主要结构2

接触片的选材上,选用铍铜。该材料具有耐高温,高导电率,高强度,高抗应力松弛的特点。

2.2 电触头材料选用分析

’电触头在电器开关中非常重要的接触元件,电触头在开闭过程中产生的现象极其复杂,影响因素也最多,理想的触头材料必须具备良好的物理性能、力学性能、电接触性能、化学性能、加工制造性能等。目前可乍产用做触头材料的有银基触头材料,钨基触头材料、铜基触头材料、贵金属基弱电接点材料等。在该开关的设计上,对该触点的材料选择上亦尤为重要。

该开关触头设计上,需要满足要求为:优良的导电性、低稳定的接触电阻、良好的耐电磨损性以及优良的抗熔焊性。选择触头材料的主要参考因素有:负载容量(电流大小、电压高低)、负载种类(交流、直流)、负载性质(阻性、容性、感性、灯载以及马达负载)。而要正确选用触头材料则必须对其性能进行充分了解。

 

2.3接触电阻

样品开关接通、分离速度慢,簧片变形量很小,其产生的力小,导致触点压力很小,接触不可靠。

经测量样品开关的触点接触压力仅0.098N,使得原有样品开关接触电阻不稳,接触电阻也较大,接触不可靠,出现时通时不通现象。影响接触电阻的主要因素有:(1)触点材料的物理性能;(2)接触对之间的压力,压力与接触电阻变化;(3)触点表面的膜层;(4)接触对的几何形状;(5)接触材料的化学稳定性、抗电侵蚀性和抗磨性等。

在新微动开关设计过程中,采取了一系列措施来降低接触电阻和提高接触电阻稳定性。具体如下:

(1)为保证寿命期内的接触电阻稳定性,对常用触点材料经过性能指标分析和多次对比试验。银及金属氧化物经合理的组合形成的接点材料,在电弧烧蚀时,其氧化物分解,能吸收大量的电弧能,减少触点材料的损耗,提高开关的电寿命。

(2)触点接触面采用大圆弧与平面接触方式,可保障接触,减少磨损,阻止触点氧化层的形成,增加接点使用寿命。

(3)改良的微动开关触点压力设计为0.45N。寿命试验后接触压力不小于0.35N,寿命试验前后接触电阻值变化小且稳定,接触对在寿命前后都能形成可靠的机械接触。接触压力与接触电阻的变化关系见表2。

(4)新微动开关触点压力设计为0.6N,实际开关触点压力不小于0.5,寿命后接触压力不小于0.35N,寿命试验前后接触电阻值变化小且稳定,接触对在寿命前后都能形成可靠的机械接触。改进后开关接触时,如图4所示。

由图5可知触点力为接触片所受力在水平方向的一个分力,原理图如图6。

微动开关原理图

(5)触点接触面采用凸径(十字凸径)或点对点接触时,接触电阻大,而且飞尘易集中于接触点或凸径处,易产生尖点放电形成拉弧现象,使得触点腐蚀速度很快,触点厚度快速降低,从而减小了接触压力,开关容易产生失效;

触点接触面采用面对面接触时,容易氧化,加大接触电阻,增大触点温升,接点表面易烧融,触点出现粘连故障,开关不能正常断开;在开关触点接触面设计时,采用大圆弧与平面接触方式,可保障接触可靠,减少磨损,阻止触点氧化层的形成,增加接点使用寿命。

(6)生产过程中采取适宜的保洁措施,防止化学物质对接触件的腐蚀及尘埃对接触件的影响。

 

2.4设计中失效问题分析

新开关设计后,发现压簧不能被有效的限位,尤其在振动时易发生干涉现象,影响开关的使用,见图9。

微动开关的使用

新开关的压簧一端是安装在按钮孔里,而另一端却只有左右限位块,并且限位块不长,不能对压簧有效限位。压簧压缩时会与按钮压簧孔边缘干涉,而在限位块端处压簧易跳出限位块,造成开关失效。

对此设计不当之处进行了改良,首先在按钮压簧孔倒角,避免压簧压缩时发生干涉,另外在上下盖上使用半圆槽对压簧限位,并最大可能得增加限位槽的长度。这样,无论在什么环境下使用,压簧都不会出现问题,导致开关失效。

另外,新开关在使用时,按钮方形端偶尔会向右边翘起,跳出滑动槽,使按钮发生卡死。对此,我们把按钮滑动端宽度减小,抬高按钮限位槽,这样按钮就再也不会发生跳出滑动槽现象,见图9。

老样品开关内部动作结构是一个松散结构,在搬运过程中,振动大就容易散架,使开关失效。

改良的新微动开关内部结构是一个紧密的联动机构,开关接通后簧片始终保持一个较大变形力,使开关抗振性大大提高,增强了开关的可靠性。

3、机械寿命与电寿命实验分析

从随机的设计开关中任意抽样两个样品,分别编号为1#和2#,通过实验验证该开关的机械寿命和电气寿命。测试项目包括实验前后的接触电阻、绝缘电阻、耐压情况等,经过寿命试验验证,触点的相关设计能够保证其满足用户的需求。具体测试数据和结论见表1和表2。

 微动开关测试数据

微动开关测试数据2

3.1 电寿命

按其正常的安装方式安装在固定支架上,通以220VAC/1A的电流,经受25000次动作循环操作,循环速率为每分钟28次,通电持续率为20%,试验后接触电阻应≤200mΩ。在开关电寿命试验后立即进行测量温升,在插片上靠近外壳的一端用热电偶测量,测量时开关应通以220VAC/1A的电流,开关处于导通状态,温升应不超过40℃。在试验过程中,开关不得有松动现象。

通过分析下面的电寿命实验数据(见表2),可以知道开关触点的使用寿命远超过了标准2.5万次得要求。从试验中的触点图11、12、13可以看出,电寿命3万多次后,开盖触点只有轻微的烧蚀情况,无触点粘接、附银脏烧穿等小良问题出现,还可以继续使用。、

 

3.2机械寿命

按其正常的安装方式安装在固定支架上,经受10万次动作循环操作,循环谜率为每分钟28次,试验后接触电阻应≤100mΩ。在试验过程中,开关不得有松动现象。

通过分析下面的机械寿命实验数据(见表1),可以知道开关在13万次以上由于簧片材料断裂而发生失效,但也远超过了10万次的设计要求,对比开关寿命试验前、后如图10、图14,可知开关触点经受10万次以上的撞击,不会产生变形,开火触点材料在硬度、耐磨性上都能满足设计要求。

微动开关的使用微动开关的使用2

    该开关内部触点设汁满足机械寿命10万次的要求,所有电气性能满足国标要求。在测试中机械寿命改至100万次后才出现失效现象。相比之前原有开关l万次的机械寿命,已经大幅度的提高。该设计提高了使用的可靠性。

 

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