Из-за малой толщины контактных покрытий, небольших растворов, плохого отвода теплоты через КС и газ внутри баллона (чаще всего - азот) обычные язычковые МК даже самого большого, нормального размера не предназначены для коммутации тока свыше 1 А н мощности свыше 50 Вт прн активной нагрузке, при этом коммутационная износостойкость составляет 10*-10* операций.

Ограничениями на пути повышения коммутируемого и пропускаемого в замкнутом состоянии тока являются не только рост износа контактных покрытий,

Процесс МК замкнут выключения

МК разомкнут

хилеющий

0,г М 0,6 Ofi 1,0 1,2 1А 1.6 1,8 t,HC

Рис. 7.8. Временные характеристики тока и напряжения на контактах при размыкании МК цепи с индуктивной нагрузкой при постоянном напряжении сети 60 В и токе 12 мА

но и электромагнитное, а также тепловое воздействие тока иа магнитные характеристики КС. Электромагнитное воздействие тока нагрузки заключается в том, что,, протекая по КС, он создает в них Магнитное поле, изменяющее значение поля управления, что влияет на электромагнитную силу притяжения КС и контактное нажатие. Тепловое воздействие тока нагрузки выражается в нагреве КС до температуры, прн которой существенно уменьшаются их магнитные свойства. Чрезмерный нагрев вызывает также размягчение контактных покрытий н нарушение герметичности спаев КС со стеклом.

Сухие язычковые МК повышенной коммутируемой мощности. Для повыщения коммутируемой мощности язычковых МК (за счет роста коммутируемого тока) были созданы конструкции с двумя параллельными парами контактов, например конструкция, показанная на рнс> 7.9. Одна пара образуется КС 1 н 2, покрытыми в области перекрытия мягким материалом с высокой электропроводностью, обеспечивающим низкое переходное сопротнвленне МК. Вторая пара создается вольфрамовыми контакт-деталями 3 н 4. Раствор у второй пары меньше, чем у первой, поэтому процессы замыкания и размыкания цепи осуществляются более тугоплавкими деталями. Область коммутации вынесена нз немагнитного зазора между КС 1 и 2, что снижает вероятность попадания продуктов износа контактов в этот зазор и повышает вероятность замыкания КС с необходимым контактным нажатием. Контакт-деталь 3 закреплена на КС 2 с натягом, что обеспечивает начальное контактное нажатие между контакт-деталями 3 и 4, снижает вибрацию прн замыкании этих деталей и увеличивает скорость нх расхождения, так как прн отключении конец. КС 2 ударяет по контакт-детали 3.

Создание двух параллельных цепей снижает плотность тока в некоторых поперечных сечениях КС, что уменьшает указанное

Рис. 7.9. Язычковый МК повышенной коммутируемой мощности:

/, 2 - контактные сердечники; 3, 4 ~ дугогасн-тельные контакт-детали; 5 - баллон

выше электромагнитное и тепловое воздействие тока нагрузки на магнитные характеристики КС. Для повышения теплоотдачи от мест контактирования и токопроводящих деталей баллон заполняется водородом, являющимся хорошим проводником теплоты, при повышенном давлении.

Конструкция, изображенная на рнс. 7.9, дала возможность увеличить коммутируемую мощность до 100 Вт прн активной нагрузке и максимальном коммутируемом постоянном токе 3 А с коммутационной износостойкостью до нескольких сотен тысяч операций.

Решение проблемы дальнейшего увеличения коммутируемой мощности сухих МК удается достигнуть, только перейдя от язычковых к более сложным конструкциям, с которыми ознакомимся в § 7.4.

Эксплуатационные параметры сухих язычковых МК. Отечественные язычковые МК имеют массу от 0,2 до 4 г. Максимальный рабочий диапазон температуры окружающей среды для них -60---155°C. Они виброустойчивы при воздействии частот до 200-3000 Гц при ускорениях до 5-25, устойчивы при воздействии многократных ударов при ускорениях до 15-75 (некоторые типы МК - до 150) и однократных ударов до 150 (некоторые МК - выше), устойчивы к линейным ускорениям до 25-100. Магнитодвижущая сила срабатывания таких МК в заводской испытательной обмотке, охватывающей баллон, равна от 15 до 200 А; коэффициент возврата - от 0,3 до 0,95. Максимальное время срабатывания (с учетом времени дребезга), измеренное в испытательной обмотке прн МДС, превышающей МДС срабатывания в 1,5-2,0 раза, составляет от 0,8 до 3 мс, максимальное время возврата - от 0,3 до 2,5 мс.

§ 7.2. Жидкометаллические яэычкоаые магиитоуправляемые контакты

Жидкометаллические МК (ЖМК) [34- 36] - это МК, внутри герметизированного баллона которых токо-проводящие детали частично или полностью смочены жидким металлом. Наиболее распространенным смачивающим материалом в настоящее время является ртуть. Это единственный чистый металл, который при нормальной температуре находится в жидком состоянии (температура плавления равна -38,87°С).

Один нз язычковых ЖМК изображен на рнс. 7.10. Подвижный переключающий КС 4 прн отсутствии магнитного поля расположен между контакт-деталями 3 и 8, закрепленными на неподвижных КС 1 и 2, заваренных в баллон 5. Нижняя часть баллона представляет собой резервуар с ртутью 6. Находящийся в ртути нижний конец КС 4 приварен к штенгелю 7. По капиллярам, имеющимся на поверхности КС 4, ртуть поднимается к контактирующим поверхностям и смачивает их. Баллон заполнен водородом при давлении выше 1 МПа. Этот газ устраняет пленки окислов с внутрен-

них контактирующих и капиллярных частей ЖМК и тем самым способствует лучщему смачиванию их ртутью. Высокое давление газа улучшает отвод теплоты, увеличивает электрическую прочность, а также повышает температуру кипения ртути (при нормальном давлении она равна +375°С). Повышение температуры кипения уменьшает количество ртути, испаряемой при коммутации. Работа такого ЖМК возможна только при наличии поляризации (см. § 8.3).

Существуют язычковые переключающие ЖМК, которые могут работать без поляризации (выполняются аналогично сухому МК, изображенному на рис. 7.1, е), а также язычковые замыкающие ЖМК.

Благодаря наличию смоченных контактных поверхностей в ЖМК можно устранить разрывы цепи при вибрации КС после их первого соударения, снизить сопротивление МК в замкнутом состоянии и повысить его стабильность до 1- 2 мОм в течение срока службы, увеличить ресурс. Быстрое установление контакта позволяет с помощью ЖМК формировать сигналы с нано-секундным фронтом.

Для многих переключающих ЖМК характерно наличие периода неразрывности»: в результате поверхностного натяжения ртуть в течение

Рис. 7.10. Ртутный язычковый переключающий МК:

1,2 - неподвижные КС; 3, 3 - контакт детали; 4 - переключающий КС; S - баллон; в -ртуть; 7 - штенгель

Рис. 7.11. Различные состояния коммутирующей системы жидкоме-таллнческого переключающего МК прн работе в режиме «моста>: а - замкнутое состояние КС J и контакт-детали 2; 6 - начало растяжения жидкометаллнческого мостнка; в-режим «моста»; г -разрыв жидкометал-лнческого мостнка; / - размыкаемый неподвижный КС; 2, 3 - коитакт-детали, смоченные ртутью; 4 - замыкаемый неподвижный КС; 5 - переключающий КС

некоторого времени тянется за переключающим КС (рис. 7.11, о, б) вплоть до его замыкания с замыкаемым КС, образуя «мост:» от размыкаемого до замыкаемого КС (рис. 7.11, в). Переключающие ЖМК, работающие в режиме «моста», называются «переходными», а без этого режима - «перекидными» [33]. Период «неразрывно-

сти» увеличивается с ростом скорости перемещения переключающего КС. Он также зависит от частоты и длительности управляющих сигналов, если за время между сигналами ртуть не приходит в устойчивое состояние. Так нри определенных параметрах управления режим «моста» может пропасть у переходного ЖМК. При размыкании ртутных ЖМК мостик разрывается часто в двух и более точках; в результате выпадает одна (рис. 7.11, г) или несколько капель ртути.

До токов, при которых в результате роста испарения ртути начинает заметно уменьшаться подпитка ею контактирующих поверхностей, дуга не оказывает на последние значительного разрушающего воздействия. Однако при разрывах дуги в течение длительного времени внутренние стенки баллона, примыкающие к контактам, покрываются ртутью, что снижает электрическую прочность ЖМК.

Относительно большое количество ртути на контактах в резер-вуарных (с резервуаром ртути) ЖМК определяет большую длину мостиков до их разрыва (нескольких десятых долей миллиметра), что увеличивает ход подвижных частей в таких ЖМК по сравнению с сухими конструкциями. Это приводит к росту габаритов коммутационного элемента и требует снижения жесткости переключающего КС, что в свою очередь ведет к уменьшению резонансной частоты и снижению в связи с этим виброустойчивости ЖМК. Виброустойчивость отечественных резервуарных язычковых ЖМК по частоте -до 60 Гц при ускорении \g; удароустойчивость при многократном воздействии - до \5g.

В высоковольтных исполнениях резервуарных ЖМК ртуть из-за ее большого количества на контактах и подпитки из резервуара вытягивается под действием электростатических сил, сокращая межконтактный промежуток и снижая соответственно электрическую прочность. Большое количество ртути на контактах увеличивает также ее разбрызгивание при замыкании и размыкании. Однако больший объем ртути снижает сопротивление ЖМК и увеличивает пропускаемый ток. Следует, правда, учитывать, что из-за действия электродинамических сил количество ртути в области контактирования уменьшается с ростом тока. Для сокращения длины мостиков жидкого металла при размыкании, с одной стороны, и обеспечения высокой пропускной и коммутационной способности по току - с другой, целесообразно создавать композиционные ЖМК. Во включенном состоянии такие ЖМК имеют несколько параллельных жидкометаллических контактов, разделенных решеткой из тугоплавкого металла.

Резервуарные ЖМК могут работать при наклонах от вертикального положения (рис. 7.10) не более чем на 30-45°.

Разработаны конструкции язычковых безрезервуарных ЖМК, жидкий металл в которых находится только в капиллярах переключающего КС. Такие ЖМК могут работать в любом положении,

однако нз-за ограниченного запаса ртути ресурс их не превышает 10 циклов при коммутируемой мощности 4-15 Вт (без искрога-шения).

§ 7.3. Мембранные магнитоупрааляемые контакты

Стремление к уменьшению дребезга контактов и повышению чувствительности коммутационных элементов привело к разработке конструкций с гибким подвижным КС в виде мембраны -мембранных МК. один нз которых (замыкающий, с сухими контактами) изображен на рнс. 7.12. Неподвижный КС / соединен стеклянным спаем 6 с кольцеобразным основанием 2, к которому через кольцеобразную калиброванную прокладку 5 крышкой 3 поджата мембрана 4. Детали /-5 -ферромагнитные и электропроводные. Мембрана имеет центральную часть 8, соединенную с ее периферийным кольцевым участком тремя гибкими лепестками (9, 10, И). Прокладка 5 обеспечивает необходимый рабочий зазор между центральным участком мембраны и торцом КС. В процессе сборки крышка 3 и основание 2 свариваются контактной сваркой, образуя внутри МК герметизированный объем, заполненный газом. Мембрана и КС / покрываются контактным материалом.

Если в результате прохождения магнитного потока (от обмотки с током, расположенной на КС /, или от приближения к МК постоянного магнита) в рабочем зазоре возникает достаточная электромагнитная сила, то центральный участок мембраны, преодолев механические силы ее пружинящих лепестков, притянется к торцу КС / и замкнет тем самым внешнюю электрическую цепь. Для обеспечения более надежного контактирования и повышения магнитной индукции в области рабочего зазора торец КС / имеет выточку 7. Так как центральный участок мембраны имеет благодаря конфигурации лепестков несколько степеней свободы перемещения, то он прилегает к торцу

Рнс. 7.12. Мембранный МК:

/ - неподвижный КС; 2 - кольцеобразное основание; Л -крышка; -мембрана; 5 - калиброванная прокладка; < -стеклянный спай; 7 - выточка; 8 - центральная часть мембраны; 9, 10, It - лепестки мембраны

КС / гарантированно в нескольких точках (в отличие от язычковых МК, где это обеспечить труднее). В результате при попадании посторонней частицы между контактными поверхностями не наблюдается заметного изменения сопротивления МК. Кроме того, после момента первого касания происходит обкат мембраной контактной поверхности КС /, что уменьшает дребезг контактов.

Еще одна особенность мембранного МК - это разделение магнитного потока, входящего в центральный участок мембраны нз торца. КС /, на два параллельных потока. Один нз них проходит через лепестки в основание 2, а второй - в основном сразу от центрального участка в крышку и частично распределенно в крышку через лепестки. Это разгружает в магнитном отношении лепестки, дает возможность уменьшить площадь их поперечного сечения до допустимой по нагреву от проходящего по ннм тока и обеспечить необходимую гибкость при малом внешнем диаметре мембраны (меньше 10 мм).

Особенностью мембранных МК является то, что их подвижный КС -мембрана нн с чем не сваривается, и поэтому выбор ее материала определяется только хорошими магнитными, электрическими н механическими свойствами.

Помимо замыкающих разработаны также переключающие мембранные МК. Имеются и ртутные мембранные МК, работающие в любом пространственном положении. В них ртуть находится в виде тонкой пленки на контактирующих поверхностях.

§ 7.4. Магиитоуправляемые контакты с жестким подвижным контактным сердечником и возвратной пружиной

Совмещение нескольких функций (электрическая и магнитная цепи, возвратная пружина) в гибких подвижных КС язычковых и мембранных МК не позволяет, однако, решить ряд технических задач. Так, небольшое поперечное сечение подвижных КС, связанное с необходимостью придать им определенную гибкость, ограничивает проходящий по ним магнитный поток и соответственно электромагнитную силу притяжения КС. Это не дает возможности получить большие значения рабочего зазора между КС, а соответственно и большие значения раствора и толщины контактных покрытий, что ограничивает коммутационную способность МК. Например, в язычковых МК даже самого большого размера раствор контактов обычно не превышает 0,3 мм.

Коммутационная способность в МК с гибкими КС снижается и нз-за совмещения в них контактного зазора с рабочим зазором, так как продукты износа контактов попадают в последний и нарушают работу МК- Малое поперечное сечение, относительно большое удельное электрическое сопротивление и недостаточная теплопроводность пермаллоя и ковара (язычковые МК) и других фер-