摘要：断路器主要用于航天、航空、船舶、机车、电子等设备，起过流、过热、短路、欠压、漏电等保护作用，在故障电流烧毁设备前自动切断电源，则可以实现这些功能主要是通过热双金属材料进行控制。热双金属材料具有结构简单、成本低廉、工艺成熟、可靠耐用等特点，成为当前应用比较广泛的控制原材料之一。

关键词：特殊热双金属；断路器；设计与应用

本文阐述的热双金属材料在断路器中的设计与应用是指根据热双金属片温曲率、电阻率及线性温度等特性，合理选取热双金属片材料牌号，匹配断路器过流时的机构阻力与双金属片弯曲推力大小、推动行程与传动机构配合距离，实现断路器在健康电路状态下可靠供电及故障电路过流时可靠脱扣切断电源功能。

1、特殊型热双金属材料的原理

热双金属材料是通过两种或几种技术性能相符的材料加工制造生产出的复合材料。因为复合材料各材料之间的膨胀系数不同，膨胀系数较高的称之为主动层，膨胀系数低的称之为被动层。双金屬材料通电发热时，主动层膨胀系数大于被动层膨胀系数，从而使得双金属往被动层一测弯曲，产生热推力及推动行程。

2、特殊型热双金属材料在断路器中的设计与应用

2.1断路器的功能原理

稳定运行过程：断路器接通设备电源，双金属材料在电流的作用下产生热变形，当电流在110%以下的额定电流时，双金属片的电热弯曲挠度，不足以推动断路器锁定机构解锁，断路器保持接通，处于稳定运行状态，过流或短路保护过程：当流过双金属材料的电流超出标称值110%时，双金属材料弯曲挠度随着电流的增加而增大，当双金属材料的弯曲挠度达到断路器的设定值时，双金属材料在一定时间内弯曲推动断路器锁定机构解锁，切断故障电源。

2.1热双金属材料结构模式设计

热双金属片用于断路器脱扣器中，最重要的两个参数为：热双金属片的挠度及双金属片的形变推力。这两个数值决定了断路器能否在规定的电流值下精确断开设备电源。我们在设计断路器的脱扣器时，一般结构模试为：

直片式单支梁结构：此种结构脱扣器，性能稳定，零件形状态容易加工，且尺寸精度容易保证，但直片式单支梁结构脱扣器在小电流及微电流作用下形变挠度过小，但形变推力过小，实用于大电流结构断路器；

双支梁结构：是平行的两个单支梁串联而成，在不必变形变量的前提下，成倍增加形变推力，实用于小电流结构断路器；

回旋结构脱扣器：此种脱扣器由旋转而成的热双属材料构成，材料片体厚度很薄，在微电流的作用下可得到较大的形变推力及形变挠度，是微形电流断路器的最佳结构。

单支梁脱扣器推力计算：

单支梁脱扣器挠度计算：

K---材料比弯曲值

E---材料弹性模量

b---脱扣器宽度

e---为材料厚度

L---脱扣器长度

--温升

2.2热双金属材料的应用

对于特殊热双金属的组件材料的选择，应考虑材料成分，使用温度范围、线性温度和极限温度范围，材料的电阻率、温曲率、比热及弹性模量，并结合断路器结构及电流规格，合理的设计热双金属材料驱动片结构模式。当电路中出现过载电流时，过载脱扣器中的热双金属受热弯曲，推动牵引杆运动，达到规定时间后操作机构脱扣，将电路切断。双金属通电部分的功率占整个回路电阻的比例越高，也就越有利于热脱扣性能的稳定实现。当元件通电部分的电阻占产品总电阻50%以上时，符合标准要求的热脱扣特性最容易实现，也就是说，21n与1.151m和1.38lm之间的对应关系非常稳定，原因是双金属在工作时受到其他部件发热的影响比较小。但额定电流较大的规格，由于产品各部分温升的原因，限制了双金属的允许电阻，因此，合理选用材料性能、规格及尺寸变得极为重要。在此我们对双金属元件进行了优化设计，降低成本并提高1.151/1.38lm动作稳定性，同时降低2In的调整难度，大幅提高产品热脱扣性能稳定性。

1）选用热双金属时首先考虑产品的工作温度范围。

根据产品的工作温度范围考虑热敏元件承受最大温度所需动作产生的力和转矩；元件动作极限的高温和低温点；元件加静载；空间容积；元件承受电流。

2）考虑双金属的比弯曲和弹性模量、电阻率、使用温度范围。

①比弯曲：比弯曲是材料的热弯曲敏感特性指标，该数值越大，热敏感性越高。按GB4461-2007、美国ASTM、德国DIN1715等标准规定，比弯曲的测量范围为室温～130℃。在我们设计中，双金属的使用温度最高可达200℃以上，因此，设计时采用最大比弯曲值。这些数据目前仅能在材料生产商的手册中获得。

②电阻率：电阻率p是双金属物理性能的重要指标，单位为Q-m。该性能直接影响双金属在产品中的发热量以及双金属元件的温升，从而影响热脱扣动作。采用使用温度下的电阻率。

③弹性模量：是计算双金属动作力的关键参数，该指标直接影响到双金属的动作力做功效率以及成本等，要求弹性模量不小于15200MPa。

④变换双金属材料或形状。双金属通过电流时发热，选择电阻高的双金属会产生更多的热，使热保护器的动作时间变短，最小动作电流变小。双金属的电阻受电阻率高低、形状的大小及厚度影响。为此，选用进口的电阻型热双金属材料，该材料由一层高导电金属制成的中间层与双金属组元牢固的结合在一起制成，通过改变中间层的厚度比调整其电阻。

⑤断路器热脱扣机构脱扣力一般为08～1.0N。设计时双金属除需满足一定的位移外，在1451m时产生的力也应满足机构脱扣力的要求。由于机构动作力和位移重复性存在一定误差，会导致断路器2.55lm快速热脱扣时间的不稳定，我们必须利用双金属可能产生的最大推力的25.0%～3.3%。在设计时使用平均温度进行计算，脱扣力Fml/4-0.83N，满足机构脱扣力的要求。

参考文献：

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作者简介：蒙进喜（1989-），男，壮族，贵州省凯里市人，贵州振华华联电子有限公司，控电器件事业部，研究方向：断路器、开关研究设计。