/湘潭電機股份有限公司特種電氣事業(yè)部電氣研究所 蔡耀成/

電磁式換向轉(zhuǎn)換開關的研制

/湘潭電機股份有限公司特種電氣事業(yè)部電氣研究所 蔡耀成/

針對電輪自卸車和工礦電力機車的特殊工況，文章介紹了一種由電磁/永磁復合驅(qū)動主軸轉(zhuǎn)動和復合開關觸頭組件的接觸系統(tǒng)組成的電磁式換向轉(zhuǎn)換開關的設計方案。試驗表明該設計啟動轉(zhuǎn)矩大，響應迅速可靠，滿足大型礦用自卸車和工礦電力機車電傳動系統(tǒng)中電空類牽引電器無氣化改造的設計要求。

電磁/永磁復合驅(qū)動機構 復合開關觸頭組件 換向轉(zhuǎn)換開關

0 引言

電動輪自卸車、工礦電力機車運輸是我國大型及超大型露天礦業(yè)廣泛采用的二種運輸工具，在目前已有技術中，電動輪自卸車、工礦電力機車中主線路在無負載電流下，牽引電動機組用于改變旋轉(zhuǎn)方向和電力機車牽引-制動工況轉(zhuǎn)換的必備電器部件仍是多回路大電流位置轉(zhuǎn)換開關。傳統(tǒng)的換向轉(zhuǎn)換開關采用壓縮空氣驅(qū)動，存在管路易受環(huán)境影響（如冰凍、泄漏、堵塞等）、難維護、氣密性差等弊病，使系統(tǒng)的工作不穩(wěn)定，在高海拔地區(qū)及高寒地區(qū)尤為突出。不適于現(xiàn)代工礦運輸中越來越高的綜合指標要求。

電磁式轉(zhuǎn)換開關克服了上述結(jié)構的缺點，摒棄電空驅(qū)動系統(tǒng)，用電磁驅(qū)動機構操作取代電磁閥及汽缸傳動機構，從總體結(jié)構上取消氣路，可杜絕因氣路系統(tǒng)缺陷引起的電器故障，大大減少維修量，具有運行可靠性高、通用性強等優(yōu)點，提升了電氣系統(tǒng)的整體質(zhì)量水平，是今后轉(zhuǎn)換開關的發(fā)展趨勢。本文介紹了一種電磁式轉(zhuǎn)換開關的設計方案。

1 技術特性

傳統(tǒng)的反向器和轉(zhuǎn)換開關由壓縮空氣驅(qū)動，存在前述諸多缺點。

若主軸采用電磁驅(qū)動機構，由于轉(zhuǎn)換開關的觸頭多，觸頭開距大，吸合行程長，反力大，造成保持力大，則電磁驅(qū)動機構所需的電磁功率相應較大。保持時，即使采用節(jié)能方式供電，也會有較大的能耗發(fā)熱，而且電路持續(xù)通電，必然會導致系統(tǒng)不安全因素的增加；如若采用機械鎖閉結(jié)構，還需增加電磁解鎖機構，使整個系統(tǒng)復雜。另外，在目前已有技術中，轉(zhuǎn)換開關具有多組開關觸頭組件，每組開關觸頭組件均由一個動觸頭及對應的二個靜觸頭構成。當牽引電動機組中的電機數(shù)量增加時，相應要增加更多的開關觸頭組件，主軸將更長，造成開關體積龐大，且電子控制器不能集成在換向轉(zhuǎn)換開關上。

綜合多個因素的利弊比較，設計方案采用一種含復合開關觸頭組件、電子控制器與電磁驅(qū)動機構集成一體的電磁式換向轉(zhuǎn)換開關。

（1）主要技術參數(shù)

主觸頭： 額定電壓：DC1500V；額定電流：400A～700A；

開距：不小于18mm；終壓力：50～100N；超程：4～8mm；

主觸頭數(shù)量：4常開、4常閉（電動輪自卸車）；8常開、8常閉（工礦電力機車）；

工作位置數(shù)：2個（不帶電轉(zhuǎn)換）；

輔助觸頭：額定電壓：DC24V、（DC110V）約定發(fā)熱電流：10A、額定電流：1A；

控制回路： 額定電壓：DC24V（電動輪自卸車）；DC50V、DC110V（工礦電力機車）。

（2）基本結(jié)構

電磁式換向轉(zhuǎn)換開關結(jié)構示意圖如圖1所示。

設計方案的轉(zhuǎn)換開關是一種多模塊（可以是單模塊或更多模塊，圖例為二模塊）電磁式換向轉(zhuǎn)換開關。

轉(zhuǎn)換開關的主軸通過軸承安裝在二端的安裝支架上。在主軸上絕緣固聯(lián)有一個或多個復合動觸頭組，動觸頭組安裝有軟聯(lián)接引出至絕緣板條上；與復合動觸頭組對應的位置上對稱設置有靜觸頭，靜觸頭安裝在絕緣板上；絕緣板的二端與安裝支架相連接。

主軸尾端的安裝支架上裝有電子控制器及低壓接線座。在主軸上固聯(lián)有一個帶折疊定位的手動操作機構，折疊式結(jié)構可使轉(zhuǎn)換開關的安裝體積更緊湊，使用更安全，可在車輛控制電路發(fā)生故障時實現(xiàn)無載手動轉(zhuǎn)換；主軸的前端聯(lián)有帶動主軸轉(zhuǎn)動的電磁/永磁驅(qū)動機構，包括一個與主軸固聯(lián)的帶永磁體的擺動式動鐵心、動鐵心上裝有輔助觸點機構；動鐵心的二側(cè)對稱設有靜鐵心，其上安裝電磁吸引線圈；電子控制器與電磁驅(qū)動機構通過電連接器連接，使連接快捷準確，使用維護便利。

2 復合開關觸頭組件

圖1 電磁式換向轉(zhuǎn)換開關結(jié)構示意圖

復合開關觸頭組件由絕緣座、彈簧、動觸頭、自適應萬向球銷組成。復合動觸頭組通過絕緣座固聯(lián)在主軸上，絕緣座上裝有觸頭壓力彈簧；二個動觸頭沿主軸徑向上下對稱排列，其中心兩側(cè)設有自適應萬向球銷，可自動彌補觸頭的接觸不良現(xiàn)象，弧形接觸面在轉(zhuǎn)動時有自潔功能，可增加觸頭接觸面，使工作更可靠。動觸頭的一側(cè)固聯(lián)軟聯(lián)接，供對外接線用；靜觸頭接觸部分的二側(cè)有銀合金觸頭片，尾端供對外接線用。動、靜觸頭沿主軸軸向均勻?qū)ΨQ排列，其接觸部分均嵌有銀合金片，可大大減少接觸電阻，降低觸頭溫升，增強抗環(huán)境侵蝕能力；每個復合動觸頭組模塊為一組雙刀雙擲開關。由于復合開關觸頭組件的兩個動觸頭對應兩個靜觸頭，與已有技術相比主軸尺寸縮短接近一半，從而復合開關觸頭組件、電子控制器與電磁驅(qū)動機構可以集成一體，大大減小電磁式換向轉(zhuǎn)換開關體積。在主軸尺寸一定的情況下，可組合控制更多的機組。采用模塊化積木組合結(jié)構設計，根據(jù)不同系統(tǒng)的不同要求對主觸頭系統(tǒng)、輔助觸頭系統(tǒng)可作不同的組合，派生出相關系列產(chǎn)品。

3 電磁驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構與輔助觸點機構

電磁驅(qū)動機構由電磁線圈、靜鐵心、動鐵心、永磁體與防護罩組成；電磁驅(qū)動機構內(nèi)安裝有輔助觸點機構，由與動鐵心固聯(lián)的多個凸輪塊及裝在凸輪塊周向?qū)恢蒙系乃賱佑|點開關模塊構成，隨動鐵心的擺動而轉(zhuǎn)動，可按不同要求組合或擴展；控制觸點采用1NO+1NC速動開關觸點模塊，具有高可靠性，觸點速動、自凈且分斷容量大等特點，從而進一步提高了輔助觸點動作的安全可靠性，使整體結(jié)構簡潔、美觀，可滿足惡劣工況的要求。

鐵心采用電工純鐵或10號低碳鋼可保證足夠的導磁率并避免工作中的剩磁。電磁線圈采用模壓注塑成型工藝。通過改變線圈繞組參數(shù)即可滿足不同控制電壓的要求。

電磁驅(qū)動機構上設置的防護罩可使永磁體得到有效的保護，防止鐵磁性物質(zhì)的粘附。

4 擺動式電磁/永磁復合驅(qū)動機構

（1）電磁/永磁復合驅(qū)動原理

設計方案采用復合驅(qū)動機構作為主軸轉(zhuǎn)動的驅(qū)動機構，采用電子控制、電磁操動、永磁保持的方式動作。動鐵心中安裝永久磁鋼，配合電磁線圈實現(xiàn)動作的轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)換位的保持。二個電磁線圈同時通入脈沖電流，同時得電勵磁產(chǎn)生供主軸轉(zhuǎn)動的電磁驅(qū)動力，一個產(chǎn)生吸力，另一個產(chǎn)生斥力，使動鐵心向轉(zhuǎn)換側(cè)擺動，當動鐵心擺動過中間位置并靠近轉(zhuǎn)換側(cè)時，裝在動鐵心上的永磁體產(chǎn)生的磁場與產(chǎn)生吸力的電磁場疊加，使動鐵心迅速吸合到轉(zhuǎn)換側(cè)。完成了動作的轉(zhuǎn)換后，電磁線圈斷電，僅通過永磁體產(chǎn)生的磁力就可保證電磁式換向轉(zhuǎn)換開關在最終位置的保持力。

（2）永磁鋼的選用

燒結(jié)釹鐵硼是當代磁性最強的永磁體，它不僅具有高剩磁、高矯頑力、高磁能積，高性能價格比等優(yōu)異特性，而且容易加工成各種尺寸，特別適用于研制高性能、小型化、輕型化的各種換代產(chǎn)品。經(jīng)多方案比較，采用燒結(jié)釹鐵硼的永磁鋼產(chǎn)品。

設計方案中采用的永磁鋼特性見表2。

表2 永磁鋼特性

5 脈動驅(qū)動電路的設計

驅(qū)動機構的控制原理圖見圖2。

圖2 控制原理圖

控制電路主要由驅(qū)動電路、電子轉(zhuǎn)換開關K1、K2和開關控制器構成。當司機控制器發(fā)出轉(zhuǎn)換信號（如轉(zhuǎn)到向前位ss（f））時，控制端由低電平變?yōu)楦唠娖?，開關控制器控制開關K1閉合，其驅(qū)動電流（設為正向）進入線圈Y1、Y2，使之同時得電勵磁，驅(qū)動動鐵心向一側(cè)轉(zhuǎn)換；到位后輔助開關給出到位反饋信號，開關控制器經(jīng)過短時延時后將轉(zhuǎn)換開關K1斷開，線圈斷電；需要動鐵心再次轉(zhuǎn)換時，司機控制器發(fā)出轉(zhuǎn)換信號（如轉(zhuǎn)到向后位ss（b）），這時，開關控制器將轉(zhuǎn)換開關K2接通，反方向為線圈通電，同時使兩個線圈反向電流勵磁，則動鐵心完成再次轉(zhuǎn)換，并在到位后自動切除線圈電路。用短時脈沖電流供電驅(qū)動，具有控制簡單、工作穩(wěn)定且節(jié)能、體積小等特點，達到了高可靠性、長壽命、免維護、易操作的目的。

6 試驗

經(jīng)實車試驗，在電器柜原安裝位置上，擯棄掉氣路系統(tǒng)，直接替換上電磁式換向轉(zhuǎn)換開關即可投入使用。由于電子控制器與整體已集成設計在一體，使得控制方法十分便捷,其操作方便, 動作可靠，為電動輪自卸車及工礦電機車的升級換代提供了可靠保證。

7 結(jié)束語

當前, 隨著大型及超大型露天礦業(yè)運輸?shù)难杆侔l(fā)展，在高寒地區(qū)改造氣動類牽引電器的呼聲越來越高。該電磁式換向轉(zhuǎn)換開關的設計符合我國礦用電動輪自卸車、工礦電機車電傳動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，它與現(xiàn)有傳統(tǒng)氣動驅(qū)動式轉(zhuǎn)換開關相比，具有結(jié)構新穎簡潔、系統(tǒng)可靠性高、節(jié)能、體積小、使用材料新、制造工藝先進等優(yōu)點，完全可以滿足電動輪自卸車及工礦電機車上對牽引電器使用的特殊需求。

[1] 周茂祥．電器設計手冊[M]．北京:機械工業(yè)出版社,1992．

[2] 張冠生．電器理論基礎(修訂本)[M]．北京:機械工業(yè)出版社,1997．

[3] 蔡耀成,唐颯君,曾廣金．復合開關觸頭組件及包括該觸頭組件的換向轉(zhuǎn)換開關:中國, ZL201220049542．4[P]．2012-9-19．

[4] IEC 60077-2．鐵路應用機車車輛電氣設備(第2部分)．電工器件通用規(guī)則[S]．