空气开关（小型断路器）结构及工作原理图解
摘要：笔者拆解、研究了一款空气开关后，惊叹其设计奥妙、技术精巧，特将拆解研究过程及研究所得录成此文，分机械、电路两个方面，剖析、图解其结构功能、工作原理，并对设计思想、理论依据作了一定的分析。文中零件名称是笔者根据自己理解命名的，不专业、不恰当之处，敬请留言指正。
一、空气开关简介
1、名称及功能
“空气开关”正式名称是“小型断路器”，在电路中起过载（过流）、短路保护作用，即在过载或短路时自动断开电路。当然也可当作“开关”使用，因灭弧介质为空气，所以称“空气开关”，本文仍称“断路器”。
图1.小型断路器参数
2、研究实例
本文以正泰公司的DZ47LED－63剩余电流动作断路器（俗称漏电保护器）为例，进行拆解研究。该产品外形如下图所示，左半由2片小型断路器组合，负责双路过载和短路保护，右半为漏电保护模块。本文仅图解左侧的1片断路器的结构，相比其他独立型小型断路器，该断路器带有机械连锁功能。
图2.拆解实例，正泰DZ47LED－63 C60剩余电流动作断路器
正泰公司网站对DZ47LE-63系列的产品介绍为：DZ47LE系列剩余电流动作断路器适用于交流50Hz，额定电压单极两线、两极230V，三极、三极四线、四极400V，额定电流至60A的线路中，当人身触电或电网泄漏电流超过规定值时，剩余电流动作断路器能在极短的时间内迅速切断故障电源，保护人身及用电设备的安全，亦可作为线路的过载、短路保护之用，及在正常情况下不频繁地通断电器装置和照明线路，尤其适用于工业和商业的照明配电系统。符合标准：GB/T16917.1、IEC61009-1，获得CCC、EAC等认证。
3、几个重要参数解读
1) 额定电流In：定义为断路器连续承载的最大电流（在环境空气温度为30时）。断路器有1、2、3、4、5、6、10、15、16、20、25、32、40、50、60、63Ａ共16种额定电流值可选择。这些数字符合“优选数字”理论，而非随意确定。
2) 分断能力：额定短路分断能力（Icu或Icn）是断路器能够分断而不被损害的最高（预期的）电流值。实际使用中，当无法判断故障严重程度时，发生几次“跳闸”的，应考虑及时更换断路器。
4、脱扣特性曲线图解读
断路器“分断电路”是依靠“脱扣”动作来实现的。厂商一般都提供“脱扣特性曲线图”，用来描述产品的“电流持续时间与脱扣”的关系，这个图是电工选择断路器的重要参考信息。瞬时脱扣器有C型和D型两种类型，表示电磁脱扣动作电流是额定工作电流的几倍， C型为 5-10倍，一般用于普通配电， D型为10-14倍，用于起动电流较大的电器（如电机）。
图3、脱扣特性曲线图
图中，横轴I/In为电流倍率，纵轴是电流持续时间。左图为C型，右图为D型。以左图为例，左绿线左侧为不脱扣区域，右绿线右侧为脱扣区域。两线之间区域表示给定一个范围，是否脱扣要视某具体产品而定。这类断路器脱扣电流无法很精确，如果需要精确值，应选择电子控制型断路器。
图中的点1、点2、点3，在“热脱扣”曲线上，点4、5、6、7属于“热脱扣”和“电磁脱扣”临界处，点8位于“电磁脱扣”区域，点9属于“不脱扣”范围。下面结合这些点及线进行实例解读。
A．根据纵轴看横轴：如2倍电流的竖线，与绿线交点为2和3，对应横轴时间为10秒和110秒（对数座标，估计读数）。由此获得信息为：“当通过2倍额定电流时，持续10秒以内不脱扣，超过110秒就脱扣” 。那持续50秒呢？是否脱扣，要看具体产品，曲线图给的是个范围。
B．根据横轴看纵轴：横轴10秒线，与曲线交点2和1处分别对应2倍和4.2倍电流，解读为：“持续10秒，2倍电流以下不脱扣，超过4.2倍电流会脱扣”。同样，中间区域要视产品而定。
C．定点查询：如20倍电流持续5毫秒是否脱扣？查图（点9）为不脱扣。再如20倍电流持续20毫秒是否脱扣？查图（点8）为电磁脱扣。
D．竖线含义：图中点5－点7间的一条竖线，对应10倍电流，解读为：10倍电流持续时间在此2点之间时都符合脱扣条件，且“热脱扣”和“电磁脱扣”都有可能。
厂商之所以这样设计脱扣特性，是因为各类负载启动和正常工作时电流不同的缘故，多数负载启动电流较大，是稳态电流的数倍甚至数十倍，持续时长也有从毫秒级到秒级。断路器通过内部双金属片的热延时来实现这种“热脱扣”特性的，从而做到了“放过启动峰流、截住稳态过流”的控制特性。
二、内部结构及功能说明
1、内部结构一览
将4个铆钉破损，可将其拆为两半，如下图。零件嵌在左盖，可拆开右盖。
图4.内部结构一览图
2、电路部分简介
触点闭合时，电路路径为（设方向从上到下）：1-2-3-5-6-7-8-9-11。触点断开时，触点间产生电弧电流，起始时电流路径为：1-2-3 –电弧-5-6-7-8-9-11。电弧因磁、热等作用引入灭弧室E后，电流路径为：1-2-4-E-F-10-11，电弧在灭弧室内被分割为10段，很快冷却、熄灭。电弧熄灭后，电流彻底中断。
图5、电路部件图
3、机械部分简介
机械部分的功能：支持手工“合通“、”分断”两种操作，遇过流、短路时自动执行“热脱扣”和“电磁脱扣”进行保护。另具备“热脱扣电流微调”操作（这个功能不常用）。
图6、机械部件图
4、外壳
外壳尺寸是符合工业标准的。为了统一标准、提高加工效益，小于某额定电流的断路器会使用同一种外壳、触头及接线端子。这种外壳可通过的最大额定电流就是“壳架等级电流”。本例中，型号DZ47LED 63中的63就是表示该系列的壳架等级电流为63A。
外壳拆为左右二半后，可见二半多数地方是对称的。根据功能，可把内部空间大致划分为“四居室”。
图7.外壳造型
三、机械结构及工作原理详解
1、状态定义和图解顺序
状态定义：机械及电气上，都可用“接通”和“分断”描述整个断路器的两种工作状态，及两种（人工或自动）操作的动作名称。相应的，用“通态”和“断态”来描述各机械部件的位置状态。
由于机械部件较多，又互相牵制，本文采用“从少到多、逐步添加”的方法，了解部件结构及作用，及其传力及动作。
2、轴销和弹簧
轴销是可转动部件的转轴，共有5个，其中1、2、4、5号是独立销柱，3号轴销是成型在主梁上的“上孔下柱”。4号轴销不是固定在外壳上，而是固定在“三轴主梁”上，成为三轴中的一轴，详见下节说明。
图8.弹簧与轴销
弹簧作用：通过加载时的形变提供保持力，自动动作时提供回复力。断路器一共用到了5个弹簧，上图指出4个，另有一个在电磁铁芯内部。简单介绍如下：
1) “主力弹簧”最粗，弹力也最大，是加载后保持力和复位时回复力的主要来源。
2) “手柄弹簧”绕在轴销1的底轴上，加载后为“手柄”提供逆时针方向动作回复力。
3) “锁片弹簧”其实是一根弹性钢丝，弹力最小，锁定状态时为“锁片”提供定位保持力。
4) “触点杆弹簧”：图上被遮挡，见下节说明。
3、触点杆组件
触点杆组件较复杂，包括“三轴主梁“、“触点杆”、“槽形托片”、“弹簧”和“轴销4”，如图9所示。主梁呈转角造型，上面有三个轴：转角处为“轴3”，两头为“轴4”和“连杆轴”。“轴3”是主梁本身的转动轴，采用“上孔下柱”造型，固定在底盘上。 “轴销4“把“触点杆”、“槽形托片”、“弹簧”串接起来装配到主梁上，从而形成一个组件。
图9、触点杆组件
组件支持以下3种动作（且支持下列3种的任意组合，是否很巧妙？）：
1) 主梁围绕轴3转动，连杆轴、轴4两上点跟着产生弧形位移。
2) 不管轴4是否位移，触点杆组件可绕轴4旋转。
3) 触点杆受弹簧力紧贴槽形托片，受外力克服弹簧力时，二者产生相对转动。
可以拆、装组件慢慢体会，但安装稍难：将部件套好串入轴销后再卡弹簧，一端先卡入触点杆，再用小一字开刀将弹簧另一端顶到主梁那边的槽形托片的卡扣上。
4、安装手柄和组件
现在装入组件、手柄，分别挂上主力弹簧和手柄弹簧，再套入连杆。
如图10左图，受主力弹簧回复力作用，触点杆停靠且依偎在“断态港湾”。手柄受弹簧回复力作用，也处于断态位。
再看右图，当克服阻力推上手柄，尽管轴销4带动触点杆组件上移，但组件左侧卡扣未被卡死，组件可转动，触点仍在原位。松手后手柄掉下，说明此状态无法自锁。图中用轴销卡住了手柄才不掉下来。下一步要解决两个问题：触点不闭合、系统不能自锁。
图10. 手柄 组件
5、自锁功能分析
加入“双扣梁”后，因“双扣梁”的下端不固定，推上手柄时“上扣”还是无法卡住。采用一螺丝杆顶住双扣梁的下端，合上手柄，系统就能锁定，且触点也能闭合！
先分析触点为何能够闭合：这里利用了杠杆原理，“上扣”为支点，轴销4处为动力点，而触点处为阻力点。动作过程中，支点位置保持不动，动力点向上位移，动触点则向上位移更多，与静触点闭合。到这里，可看出主梁为何采用“上孔下柱”的设计，原来要留出这个中空，让“上扣”施展身手。
图11、手柄锁定力
自锁原理分析：有2个力矩作用在手柄上，第1个是手柄弹簧回复力矩M1，第2个是连杆推动手柄的力矩M2。如上右图，手柄推上时经历了“复位、居中、临界、顶部”4个位置时，这2个力矩的大小和方向是在变化的。先看方向，“复位、居中”状态时，M1和M2是同向的，作用效果是让手柄复位；到“临界”时，2条力线A和B成直线，但M2＝0，受M1作用，手柄还是复位。直到“顶部”状态时，M2终于反向，系统能够锁定在“通态”了。
那么问题来了：图10左图中，推上手柄也能使M2反向，何以不锁定？与图11左图仔细对比，二者的差别在于触点闭合时，轴销4向上位移更大，即加载弹簧1的回复力更大，这个力通过主梁、连杆传回手柄上，实现了M2>M1，即M2和M1的合成力矩是顺时针方向的。可想图10左是不满足M2>M1的。这些力矩要精心计算，否则导致“锁定无力“或”不易脱扣”。
图12、锁定示意图
再通过图12来说明一下动作和力量的传递：1“下扣”顶住——2“上扣”锁住——4触点杆抬高——3触点闭合。4触点杆抬高——弹簧回复力增大——5主梁连杆对手柄产生更大推力——6M2大于M1——手柄锁定——系统锁定在通态。
6、触点闭合力
触点会流过大电流，闭合时需要有效接触，因此需要给动触点提供持续的压力，这个力来自“触点杆组件”中弹簧的回复力。
图13、触点闭合压力
如上图，我们通过一枚螺母卡住“上扣”，然后合上手柄，可观察到“触点闭合压力”现象。因螺母将槽形铁片左端卡得更低，其右端可以抬得更高，手柄加载到位后，触点杆片与槽形托片就克服弹簧力，张开了一个角度，此时弹簧回复力就成为触点间的闭合力了。而且，静触点对动触点也存在反作用力，通过整个机构回传到连杆上，成为手柄锁定力矩M2的一部分。
设想取消组件中“槽形托片 弹簧 触点杆”的设计，仅使用一个触点杆，则从手柄到触点都是刚性部件，部没有足够的形变，也就无法为闭合触点加载弹性力了。
7、锁定片与脱扣方式
最后加上“锁片”和弹簧钢丝，完成整个机械系统。
图14、锁定片与脱扣方式
“双扣梁”下端被“下扣”扣住很少，只要“锁片”稍一转动，就会脱扣，起到了“4两拨千斤”的作用。热脱扣靠的是双金属片，当电流过流时，双金属片发热弯曲，左端顶到锁片，完成脱扣。电磁脱扣靠的是电磁铁，当线圈流经超大（短路）电流时，内部动静磁块吸合，动磁块推动“顶杆”顶到“锁片”右端，完成脱扣。图15和图16分别是双金属片和电磁铁组件的细节。
图15、双金属片
图16、电磁铁组件
8、热触发微调机构
这个组件把“轭铁”、“双金属片”、“连接软铜片”、“接线端”及“连接导线”（图中已剪去）焊接在一起，如图所示，上、下两部分被固定在底盒的槽内，无法活动，但中间部分未被卡死，是可以稍微活动的。当调节螺钉时，双金属片可跟随上下位移，相当于调节了热触发的间距，也即调节的过流脱扣电流。中下部分连接靠“软铜片”，但轭铁是一个整体，下侧微量调节依靠的是金属形变，可观察到形变处开了一个大窗，减少了刚性。
图17、调节机构
四、灭弧系统
1、 结构
灭弧系统包括触点区域、引导区域及灭弧栅区域。
图18、灭弧系统结构
1) 触点区域包括动触杆及触头、静触杆及触头。触点通断大电流，是易损部件。
2) 引导区域是从触点处到灭弧栅之间的空间，由上下两组导磁铁片及绝缘隔离片组成，形成一个电弧转移通道。
3) 灭弧栅组件：由9片相互绝缘、片间距约为1.8mm的带有凹口的钢片用绝缘框组装而成，框背后开有通气孔。
图19 灭弧室结构及原理示意图
2、 电弧的害处
断路器分断大电流时，动静触点间会产生温度极高、发出强光的电弧。电弧有两个害处，一是引起高温烧坏触点等零件；二是它本身也是电流，电弧不熄相当于电流不断，而断路器需要非常快速地终止所有电流，通常要求机构跳闸后30－150毫秒之间熄灭电弧。
3、 栅片灭弧原理
小型断路器通常采用“金属栅片灭弧法”，其基本原理是利用金属栅片产生的感应磁场形成电磁动力（磁吹弧力），将电弧吸入灭弧室，然后分割成若干小段，利用交流电的“过零”及电弧的“近阴极效应”达到快速熄灭电弧的目的。另外灭弧栅还有降温、散热、通风等功能。
移动电弧的电磁力分析：电弧本质上是一团被电离的气体，受力时易发生移动。同时它也是一段电流，既可以产生磁场，也可受到电磁力作用。断路器触点右边设置了上下2块铁片，灭弧栅组件中有9片铁片，当电弧产生时，强大的电弧电流产生磁场，将铁片磁化（有研究表明可多产生约39%的磁场）。这个磁场力反过来又对电弧产生安培力，将电弧往铁片方向拉（另一边看来是吹），电弧迅速移入灭弧栅组件。不用担心会吹过头，过头了还会吹回来的。
电弧在灭弧室被截成多段小电弧，然后冷却、熄灭。根据电弧的“近阴极效应”，电弧放电时，近阴极一端吸引、积累了大量正离子，当交流电过零反向后，阴极变阳极，正离子区域可以形成约150V－250V左右的反向电场，这个电场能抵消起弧的外电场，从而阻断电弧电流。灭弧室设计成9隔，电弧引入后被截成10段，每段都有一个阴极，串联起来就有1500V以上的反压，当外电场低于此值，电弧就会熄灭。
断路器中还有许多值得分析的设计，比如连接固定件与活动件的多股软铜线，由多达3000多股细铜丝缠绕而成，每股细如头发。连接采用了超声波焊接技术，整齐而牢靠。还有本款断路器中，连接电磁线圈与双金属片的导线，分成2根，分别焊接到双金属片的左端和右端，采用了分流设计。此外，断路器内部热量处理、气流通道、轭铁中间段开双缝、电磁铁动块对触点杆的脱扣拉力等设计，以及其他更深更妙的设计，笔者还看不太懂，留待高人现身指点。
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