电动机保护用塑壳断路器的机构设计研究

电动机保护用塑壳断路器的机构设计研究

赵琰

江苏辉能电气有限公司江苏

摘要：现阶段，市场上的电动机断路器种类较为繁多，且机构及性能各不相同。本文就结合实际案例对电动机保护用塑壳断路器的机构设计进行分析和研究，对其中存在的问题予以解决，以期实现产品的进一步优化，提高电动机工作质量。

关键词：电动机断路器；机构设计；安全运行；

电动机保护用塑壳断路器具有短路保护、过载延时保护、隔离及漏电保护等多项功能，是保护电动机安全稳定运转的重要设施。在塑壳断路器机构设计中，由于涉及的内容多且杂，很容易因为一个单元环节出错而导致整个系统无法正常运行，进而增加整体运载风险，导致安全事故的发生。为此，加强电动机保护用塑壳断路器的机构设计研究是非常必要的。

1塑壳断路器

同其他断路器相比，塑壳断路器将所有需要零部件全部包裹在密封的塑料材料中，阻隔其与外界导体及接地材料的连接，通过内部各单元模块的联合控制来实现分断电流及隔离保护的功能的一种设备。塑壳断路器能够在电流超过额定范围后自动进行电流切断，保证系统运行安全。在塑壳断路器机构设计中，应保证内部各系统模块设置的合理性，提高系统内部单元模块的运行效率，确保断路器保护功效的发挥。

脱口单元模块是塑壳断路器中较为重要的组成部分，其分为热磁脱扣和电子脱扣两种模式。其中电子脱扣是目前使用最为广泛的设备之一。目前市场上出现的电子塑壳断路器主要采用手动与电动化管理相结合的方式实施操作控制，大大增强了断路器运转的安全性、可靠性，避免问题的产生。

2电动机断路器机构的分析与计算

本次探究主要对某型号电动机断路器的四连杆结构类型及运动轨迹予以分析，明确电动机断路器机构中极位夹角、摆角及最小传动角的控制范围，以期保证电动机断路器的安全运行，优化设计内容。

由于系统自身复杂性较高，在实际设计中应对影响操作性能的因素实行分析了解，并明确不同影响因素之间的趋向性，根据静力学相关知识完成脱扣力模型及数学模型的建立，明确机构的相关参数。在模型构建完成后，利用模型对旋转手柄的旋转角度等内容进行分析和计算，并对各种影响因素导致的数据变化参数予以收集和整理，然后结合变化绘制数值变化曲线，进而有效分析其具体的规律。

2.1机构的类型及其压力角和传动角

1）四连杆机构的结构类型

电动机断路器操作机构铰链四连杆机构中L1=9mm，L2=10.5mm，L3=10.0mm，L4=14.5mm，则L1+L4>L2+L3，其为双摇杆。L1与L3分别对应摇杆1与摇杆2，L2与连杆相对应，L4与机架相对应，无法顺利完成周运动，只能在某个角度范围内运动。

机构运动简图

2）机构的压力角和传动角

为了明确了解塑壳断路器机构设计中压力角和传动角的变化情况及参数，本文通过绘制运动简图的方式，实行详细说明和阐述。如下图所示，途中断开和闭合位置上的B1、B2可直接当做与B点的重合位置。

从上面绘制的运动简图可以看出，遥感1的一端沿着运动轨迹1逐渐向连杆2的方向移动，遥感1一侧的A1点逐渐移动到A2闭合点内；连杆2和遥感2则沿着2运动轨迹从C1点向C2点开始运动，在遥感2另一端B点保持不动的状态下，操作杆在运动过程中，扭簧会对操作杆产生一定压力，使其方向发生改变，当断路器机构闭合并保持稳定运行状态下，对连杆2通过过死点后产生的极位夹角、摆角进行计算，得出的参数数据为：极位夹角与摆角的角度相同，均为75度，遥感与连杆的夹角角度则为10度。机架与连杆1断开位置的夹角为95度。

另外，为了保证断路器在电流故障中能够迅速做到脱扣处理，一方面需要明确机构极限位置的几何关系，且准确计算相关尺寸参数；另一方面要对几何和云动力条件等参数实行综合分析和考量，加强设计的合理性、准确性。

在本次研究中发现，传动角度并不是固定不变的，其会随着机构运转而发生变化。所以为了促进机构稳定运行，需要对传动角度的最小参数值予以计算。其相关数据为：普通机械的传动角度最小参数值控制在40度以下，颚式破碎机及冲床等大型设备最小传动角度参数值应控制在50度左右；若为小功率控制机构及仪表，则γ为40°以下。

2.2四连杆机构的静力学分析

(1)手柄扭簧变化趋势分析

本次分析研究是在静力学基础上，先对机构的操作模式予以分析说明，之后再对整体受力情况实行准确计算和分析，以保证设计合理性。

(2)脱扣力计算

脱扣力的计算需要依托完善的脱扣力模型，这样才能确保参数计算的准确性，强化电动机断路器的运转效果，优化过载及瞬时保护功能。

3机构的运动仿真

机构设计需要充分利用运动仿真模块的性能，先确定连杆尺寸及对应定位位置，这样才能依照上述数据对机构受力后的力臂及扭矩变化实行详细掌握，了解手柄旋转角的具体变化趋势。如下图所示，在整个过程中，当力臂L1随手柄旋转到55度角位置时，力臂L1过零点，连杆关系发生变化；当其随手柄旋转到30度角位置时，L2的力臂达到最大值；在继续随手柄旋转到55度角位置上，发现L3力臂并未变化；当随手柄旋转到15度角位置上时，L4力臂过零点，连杆关系发生变化。由此可知，机构在过死点后，扭矩会发生相应变化。

4操作机构的设计方法

在本次实际研究中了解到，操作机构最常用的设计方法有三种，即解析法、几何作图法、试验法。方法不同相应的内容及所需器具也会不尽相同，所以在实际工作中，设计人员需要对系统运行的整体要求进行了解掌握，根据要求准确分析速度变化系数、连杆位置及对应定点位置内容，然后根据最终分析结果选用合理的操作机构设计方法，加强机构设计的合理性、可靠性，进而提高动机断路器的运行质量，加强保护效果。

5结语

本文通过对实际案例及运动简图的分析研究，明确了断路器机构设计中压力角、传动角、极位夹角的设计范围区间，并通过脱离口模型的建立，得出较为精准的脱离口及摩擦系数，然后绘制完善的曲线变化图，以此来确定力臂及扭矩臂的变化情况，之后，选择科学的机构设计方案。实践中证明，本文所提出的设计思路和设计理念能够提高产品运行效率，同时也可缩短新产品的研发周期，有利于产品设计研发的平稳发展，对机构设计工作具有重要的推动作用。

参考文献

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