电能表外置断路器的传动设计
温州圣普电气有限公司、浙江天正电气股份有限公司、杭州泰姆电气有限公司、浙江永继电气有限公司、许继电气股份有限公司的研究人员赵明、赵科达等，在2019年第1期《电气技术》杂志上撰文，通过对电能表外置断路器重合闸部分结构的分解，叙述了小型重合闸结构传动部分的设计思路和实例，供设计人员参考。
远程自动重合闸断路器最早应用于无人值守的偏远用电场所，如通信基站、轨道交通等。各电网公司由人工抄表、上门收费、上门维护等，其工作需要配备大量的人员、车辆。通过采用费控电能表与费控断路器，可减少人员与车辆的开支，且能提高运行的效率。
随着“打造智能电网”概念的提出，远程自动重合闸便延伸到电网计量箱专用重合闸断路器——费控电能表外置断路器。与智能电表一同形成“智能电网”中的“智能终端”，使智能概念落到实地。
费控电能表外置断路器在小型断路器的基础上，通过增加机械传动模块和智能控制部分来实现有费有电，欠费停电的基本功能。各电网公司对产品的外形宽度有严格的要求，决定了电机不能采用直接传动的放置方式，而需要较为复杂的机构来实现动力的传动和转换。
1 电能表外置断路器的机构组成
其机构由原动部分、执行部分、传动部分和控制部分4个部分组成。
通常采用电动机作为机构动力的来源即原动部分。在设计时，根据已知的空间尺寸、输出转矩和转速，选择合适的电动机参数。执行部分处于传动路线的终端，完成预期的合闸和分闸动作。按电网规范要求，远程自动合闸部件应采用内轴传动方式的全封闭结构，执行部分通常为带内轴的小型断路器操作手柄。
传动部分在原动部分和执行部分间，传递和转换动力。通常是齿轮组合，根据需要选择合适的传动比，这部分是设计的重点。控制部分其作用是控制机械部分，使其能实现或终止各种预定功能，主要通过电子线路板实现。本文主要介绍传动部分的设计。
2 机构传动部分中的转换部分和变速部分
受到空间的限制，电能表外置断路器的原动部分（电动机主轴）和执行部分（手柄内轴）的轴线通常是非平行的。因此，在机构中必须包含传递交错轴运动的转换部分。同时在有限的空间内为了输出合适的转矩和转速，又必须包含传递平行轴运动的变速部分。
2.1 转换部分和变速部分功能的实现
为了实现上述的功能，通常采用齿轮机构组合。齿轮机构可以传递空间任意两轴间的运动和力，且传动准确、平稳、机械效率高、使用寿命长。根据齿轮在传动时的相对运动是平面运动还是空间运动，可以将齿轮机构分为平面齿轮机构和空间齿轮机构。在平面齿轮机构中，传递平行轴运动的外啮合齿轮机构有直齿、斜齿和人字齿等。在空间齿轮机构中，传递交错轴运动的外啮合齿轮机构有涡轮蜗杆和圆锥齿轮等结构。
对于齿轮结构的设计思路，首先要计算出传动比范围，再根据空间尺寸，选择合适的模数m、齿数z和中心距。
2.2 变速部分齿轮的设计（略）
变速部分功能的实现，首先要考虑到的是传递到执行部分的转矩大小。其次，要考虑到的是合闸与分闸的速度。受到空间限制，电动机的体积不可能无限大，也因此功率不能做的很大，同时考虑到传动中的磨损，低操作力的断路器本体对于变速部分功能的实现有益。目前常见的两种断路器结构中，某金属件结构的操作力相对较轻。
2.3 转换部分齿轮的设计（略）
转换部分的功能实现通常通过涡轮蜗杆机构来实现。
2.4 转换部分和变速部分设计的实例
图1为某企业一种蜗轮蜗杆结构，电动机初始输出转速为25000r/min，初始转矩为60g·cm。经计算，输出转速和转矩经过1级蜗轮蜗杆和3级柱齿轮减速、增力后分别为50r/min和30kg·cm。蜗轮、蜗杆结构利用效率较低，通常为30%～40%，但可以获得更高的转速比，以弥补利用效率上的不足。
按照上述输出转速和转矩，采用最低30%的利用效率来计算，最终到达传动部分的转速约为20r/min，转矩约为8kg·cm，完全可以带动合闸力最大合闸力约为50N的三相断路器，并且合闸时间会在1s左右。
图1 某型号的涡轮蜗杆传动部分
图2为某企业一种圆锥齿轮结构。电动机初始输出转速为24000r/min，初始转矩为25g·cm。经计算，输出转速和转矩经过4级齿轮箱减速，增力后分别为60r/min和10kg·cm。相比于蜗轮蜗杆，这种圆锥齿轮结构利用效率更高，通常可以达到70%～80%。
按照上述输出转速和转矩，采用最低70%的利用效率来计算，最终到达传动部分的转速约为42r/min，转矩约为7kg·cm，也完全可以带动合闸力最大合闸力约为50N的三相断路器、并且合闸时间小于1s。
图2 某型号的锥齿传动部分
3 电能表外置断路器分合闸的实现
电能表外置断路器的分闸和合闸的操作件转动方向是相反的。一次完整的分合闸操作，必然包含了一次执行元件的顺时针转动和逆时针转动。在有限的空间内，期望通过一套结构件实现这些功 能[9-10]。在实际设计的产品实例中，通常通过以下两种思路去实现。
1）通过控制电动机的转向。假设合闸时，电动机转向为顺时针，在合闸动作完成后，控制机构通过内部联动装置将电动机逆时针退回到初始位置。分闸时，电动机继续逆时针带动齿轮凸台拨动断路器分闸联动轴，以达到分闸断路器的目的。
2）通过有意设计的间歇齿轮结构和脱扣装置来实现。即主动齿轮与从动齿轮非全齿啮合，而是根据结构需要，分别取主动齿轮与从动齿轮的部分齿牙。合闸时，主动齿轮在电动机的带动下旋转啮合从动齿轮，带动断路器合闸。合闸完成后，主动齿轮继续旋转，直至与从动齿轮脱齿为止。分闸时，电动机会继续朝同一方向带动主动齿轮旋转，使主动齿轮凸台拨动断路器分闸联动轴，以达到分闸断路器的目的。
电能表外置断路器的机构的设计主要是传动部分的设计，可靠性好、功耗低、成本低是设计的目标。通过灵活的使用齿轮组结构和优化齿轮组参数，可获得最合理的设计方案。