摘要：筆者拆解、研究了一款小型斷路器后，驚嘆其設(shè)計奧妙、技術(shù)精巧，特將拆解研究過程及研究所得錄成此文，分機械、電路兩個方面，剖析、圖解其結(jié)構(gòu)功能、工作原理，并對設(shè)計思想、理論依據(jù)作了一定的分析。文中零件名稱是筆者根據(jù)自己理解命名的，不專業(yè)、不恰當(dāng)之處，敬請留言指正。

一、斷路器（空氣開關(guān)）簡介

1、名稱及功能

斷路器，英語circuit-breaker，簡稱CB，在電路中起過載（過流）、短路保護作用，即在過載或短路時自動分?jǐn)嚯娐�。�?dāng)然也可當(dāng)作“開關(guān)”使用，因滅弧介質(zhì)為空氣，所以稱“空氣開關(guān)”，本文仍稱“斷路器”。

 

▲圖1.小型斷路器參數(shù)

上圖中，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn) IEC 60898-1，是指 “電氣附件——家用和類似裝置的過電流保護斷路器，第 1 部分：交流操作斷路器” 的標(biāo)準(zhǔn)。IEC是指國際電工委員會。

IEC 60898-1 適用于在 50 Hz、60 Hz 或 50/60 Hz 下運行、額定電壓不超過 440 V（相間）、額定電流不超過 125 A 和額定短路容量不超過 25000 A。

2、研究實例

本文以正泰公司的DZ47LED－63剩余電流動作斷路器（俗稱漏電保護器）為例，進行拆解研究。該產(chǎn)品外形如下圖所示，左半由2片小型斷路器組合，負責(zé)雙路過載和短路保護，右半為漏電保護模塊。本文僅圖解左側(cè)的1片斷路器的結(jié)構(gòu)，相比其他獨立型小型斷路器，該斷路器帶有機械連鎖功能。

 

▲圖2.拆解實例，正泰DZ47LED－63 C60剩余電流動作斷路器

正泰公司網(wǎng)站對DZ47LE-63系列的產(chǎn)品介紹為：DZ47LE系列剩余電流動作斷路器適用于交流50Hz，額定電壓單極兩線、兩極230V，三極、三極四線、四極400V，額定電流至60A的線路中，當(dāng)人身觸電或電網(wǎng)泄漏電流超過規(guī)定值時，剩余電流動作斷路器能在極短的時間內(nèi)迅速切斷故障電源，保護人身及用電設(shè)備的安全，亦可作為線路的過載、短路保護之用，及在正常情況下不頻繁地通斷電器裝置和照明線路，尤其適用于工業(yè)和商業(yè)的照明配電系統(tǒng)。符合標(biāo)準(zhǔn)：GB/T16917.1、IEC61009-1，獲得CCC、EAC等認證。

3、幾個重要參數(shù)解讀

1) 額定電流In：定義為斷路器連續(xù)承載的最大電流（在環(huán)境空氣溫度為30時）。斷路器有1、2、3、4、5、6、10、15、16、20、25、32、40、50、60、63Ａ共16種額定電流值可選擇。這些數(shù)字符合“優(yōu)選數(shù)字”理論，而非隨意確定。

2) 分?jǐn)嗄芰Γ侯~定短路分?jǐn)嗄芰Γ↖cu或Icn）是斷路器能夠分?jǐn)喽�不被損害的最高（預(yù)期的）電流值。實際使用中，當(dāng)無法判斷故障嚴(yán)重程度時，發(fā)生幾次“跳閘”的，應(yīng)考慮及時更換斷路器。

4、脫扣特性曲線圖解讀

斷路器“分?jǐn)嚯娐贰笔且揽俊懊摽邸眲幼鱽韺崿F(xiàn)的。廠商一般都提供“脫扣特性曲線圖”，用來描述產(chǎn)品的“電流持續(xù)時間與脫扣”的關(guān)系，這個圖是電工選擇斷路器的重要參考信息。瞬時脫扣器有C型和D型兩種類型，表示電磁脫扣動作電流是額定工作電流的幾倍， C型為 5-10倍，一般用于普通配電， D型為10-14倍，用于起動電流較大的電器（如電機）。

 

▲圖3、脫扣特性曲線圖

圖中，橫軸I/In為電流倍率，縱軸是電流持續(xù)時間。左圖為C型，右圖為D型。

下圖以左圖為例，分析曲線及各區(qū)域的含義。圖中左右2條綠色曲線，將圖劃分為左、中、右三個區(qū)，分別為“不脫扣區(qū)域”、“可能區(qū)域”和“脫扣區(qū)域”。中間的“可能區(qū)域”表示可能脫扣、也可能不脫扣，要視某具體產(chǎn)品而定。因此這類斷路器脫扣電流無法很精確，如果需要精確值，應(yīng)選擇電子控制型斷路器。

曲線中間標(biāo)4、5的兩點，將網(wǎng)線分成上下二段。上面表示熱脫扣區(qū)間，利用“雙金屬片”熱脹冷縮的驅(qū)動力；下面是電磁脫扣區(qū)間，利用大電流產(chǎn)生的電磁力驅(qū)動。

圖中的點1、2、3，在“熱脫扣”曲線上，點4、5、6、7既屬于“熱脫扣”也屬于“電磁脫扣”，是2種脫扣的臨界處，點8位于“電磁脫扣”區(qū)域，點9屬于“不脫扣”范圍。下面結(jié)合這些點及線進行實例解讀。

A．先縱軸后橫軸：如2倍電流的豎線，與綠線交點為2和3，對應(yīng)橫軸時間為10秒和110秒（對數(shù)座標(biāo)）。由此獲得信息為：“當(dāng)通過2倍額定電流時，持續(xù)10秒以內(nèi)不脫扣，超過110秒就脫扣” 。那持續(xù)50秒呢？是否脫扣，要看具體產(chǎn)品，曲線圖給的是個范圍。
B．根據(jù)橫軸看縱軸：橫軸10秒線，與曲線交點2和1處分別對應(yīng)2倍和4.2倍電流，解讀為：“持續(xù)10秒，2倍電流以下不脫扣，超過4.2倍電流會脫扣”。同樣，中間區(qū)域要視產(chǎn)品而定。
C．定點查詢：如20倍電流持續(xù)5毫秒是否脫扣？查圖對應(yīng)到點9，在不脫扣區(qū)域。如20倍電流持續(xù)20毫秒是否脫扣？查圖（點8）為電磁脫扣。
D．豎線含義：從點5到點7的這一條豎線，對應(yīng)10倍電流，解讀為：10倍電流持續(xù)時間在此2點之間時都符合脫扣條件，且“熱脫扣”和“電磁脫扣”都有可能。

廠商之所以這樣設(shè)計脫扣特性，是因為各類負載啟動和正常工作時電流不同的緣故，多數(shù)負載啟動電流較大，是穩(wěn)態(tài)電流的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，持續(xù)時長也有從毫秒級到秒級。斷路器通過內(nèi)部雙金屬片的熱延時來實現(xiàn)這種“熱脫扣”特性的，從而做到了“放過啟動峰流、截住穩(wěn)態(tài)過流”的控制特性。

二、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能說明

1、內(nèi)部結(jié)構(gòu)一覽
將4個鉚釘破損，可將其拆為兩半，如下圖。零件嵌在左蓋，可拆開右蓋。

 

▲圖4.內(nèi)部結(jié)構(gòu)一覽圖

2、電路部分簡介
觸點閉合時，電路路徑為（設(shè)方向從上到下）：1-2-3-5-6-7-8-9-11。觸點斷開時，觸點間產(chǎn)生電弧電流，起始時電流路徑為：1-2-3 –電弧-5-6-7-8-9-11。電弧因磁、熱等作用引入滅弧室E后，電流路徑為：1-2-4-E-F-10-11，電弧在滅弧室內(nèi)被分割為10段，很快冷卻、熄滅。電弧熄滅后，電流徹底中斷。

 

▲圖5、電路部件圖

3、機械部分簡介
機械部分的功能：支持手工“合通“、”分?jǐn)唷眱煞N操作，遇過流、短路時自動執(zhí)行“熱脫扣”和“電磁脫扣”進行保護。另具備“熱脫扣電流微調(diào)”操作（這個功能不常用）。

 

▲圖6、機械部件圖

4、外殼
外殼尺寸是符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的。為了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、提高加工效益，小于某額定電流的斷路器會使用同一種外殼、觸頭及接線端子。這種外殼可通過的最大額定電流就是“殼架等級電流”。本例中，型號DZ47LED 63中的63就是表示該系列的殼架等級電流為63A。
外殼拆為左右二半后，可見二半多數(shù)地方是對稱的。根據(jù)功能，可把內(nèi)部空間大致劃分為“四居室”。

 

▲圖7.外殼造型

三、機械結(jié)構(gòu)及工作原理詳解

1、狀態(tài)定義和圖解順序

狀態(tài)定義：機械及電氣上，都可用“接通”和“分?jǐn)唷泵枋稣麄�斷路器的兩種工作狀態(tài)，及兩種（人工或自動）操作的動作名稱。相應(yīng)的，用“通態(tài)”和“斷態(tài)”來描述各機械部件的位置狀態(tài)。

由于機械部件較多，又互相牽制，本文采用“從少到多、逐步添加部件”的方法，了解各部件結(jié)構(gòu)及作用。注意整個過程均在“左蓋”上進行操作。

2、軸銷和彈簧

首先將左蓋上的部件全部拆除，然后添加上最底層的幾個部件 ：3根軸銷、2根彈簧。如下圖右所示。為了便于對照觀察，下圖左列出保留較多部件時的樣子，供對照分析。

軸銷是可轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)軸，共有5個，其中1、2、4、5號是獨立銷柱，3號軸銷是成型在主梁上的“上孔下柱”。4號軸銷不是固定在外殼上，而是固定在“三軸主梁”上，成為三軸中的一軸，詳見下節(jié)說明。

 

▲圖8.彈簧與軸銷

彈簧作用：通過加載時的形變提供保持力，自動動作時提供回復(fù)力。斷路器一共用到了5個彈簧，上圖指出4個，另有一個在電磁鐵芯內(nèi)部。簡單介紹如下：
1) “主力彈簧”最粗，彈力也最大，是加載后保持力和復(fù)位時回復(fù)力的主要來源。
2) “手柄彈簧”繞在軸銷1的底軸上，加載后為“手柄”提供逆時針方向動作回復(fù)力。
3) “鎖片彈簧”其實是一根彈性鋼絲，彈力最小，鎖定狀態(tài)時為“鎖片”提供定位保持力。
4) “觸點桿彈簧”：圖上被遮擋，見下節(jié)說明。


3、觸點桿組件
觸點桿組件較復(fù)雜，包括“三軸主梁“、“觸點桿”、“槽形托片”、“彈簧”和“軸銷4”，如圖9所示。主梁呈轉(zhuǎn)角造型，上面有三個軸：轉(zhuǎn)角處為“軸3”，兩頭為“軸4”和“連桿軸”�！拜S3”是主梁本身的轉(zhuǎn)動軸，采用“上孔下柱”造型，固定在底盤上。 “軸銷4“把“觸點桿”、“槽形托片”、“彈簧”串接起來裝配到主梁上，從而形成一個組件。

 

▲圖9、觸點桿組件

組件支持以下3種動作（且支持下列3種的任意組合，是否很巧妙？）：
1) 主梁圍繞軸3轉(zhuǎn)動，連桿軸、軸4兩上點跟著產(chǎn)生弧形位移。
2) 不管軸4是否位移，觸點桿組件可繞軸4旋轉(zhuǎn)。
3) 觸點桿受彈簧力緊貼槽形托片，受外力克服彈簧力時，二者產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。
可以拆、裝組件慢慢體會，但安裝稍難：將部件套好串入軸銷后再卡彈簧，一端先卡入觸點桿，再用小一字開刀將彈簧另一端頂?shù)街髁耗沁叺牟坌瓮衅�的卡扣上�?BR>

4、安裝手柄和組件
現(xiàn)在裝入組件、手柄，分別掛上主力彈簧和手柄彈簧，再套入連桿。
如圖10左圖，受主力彈簧回復(fù)力作用，觸點桿�？壳乙蕾嗽凇皵鄳B(tài)港灣”。手柄受彈簧回復(fù)力作用，也處于斷態(tài)位。

 

▲圖10. 手柄+組件

再看右圖，當(dāng)克服阻力推上手柄，盡管軸銷4帶動觸點桿組件上移，但組件左側(cè)卡扣未被卡死，組件可轉(zhuǎn)動，觸點仍在原位。松手后手柄掉下，說明此狀態(tài)無法自鎖。右圖照片是用一根軸銷卡住了手柄，手柄才不掉下來。下一步的分析將逐漸加入其他部件，以實現(xiàn)觸點閉合、系統(tǒng)自鎖。

5、自鎖功能分析

加入“雙扣梁”后，因“雙扣梁”的下端不固定，推上手柄時“上扣”還是無法卡住。下圖中臨時采用一螺絲桿頂住雙扣梁的下端，合上手柄，系統(tǒng)就能鎖定，且觸點也能閉合！

先分析觸點為何能夠閉合：這里利用了杠桿原理，“上扣”為支點，軸銷4處為動力點，而觸點處為阻力點。動作過程中，支點位置保持不動，動力點向上位移，動觸點則向上位移更多，與靜觸點閉合。到這里，可看出主梁為何采用“上孔下柱”的設(shè)計，原來要留出這個中空，讓“上扣”施展身手。

 

▲圖11、手柄鎖定力

自鎖原理分析：有2個力矩作用在手柄上，第1個是手柄彈簧回復(fù)力矩M1，第2個是連桿推動手柄的力矩M2。如上右圖，手柄推上時經(jīng)歷了“復(fù)位、居中、臨界、頂部”4個位置時，這2個力矩的大小和方向是在變化的。先看方向，“復(fù)位、居中”狀態(tài)時，M1和M2是同向的，作用效果是讓手柄復(fù)位；到“臨界”時，2條力線A和B成直線，但M2＝0，受M1作用，手柄還是復(fù)位。直到“頂部”狀態(tài)時，M2終于反向，系統(tǒng)能夠鎖定在“通態(tài)”了。
那么問題來了：圖10左圖中，推上手柄也能使M2反向，何以不鎖定？與圖11左圖仔細對比，二者的差別在于觸點閉合時，軸銷4向上位移更大，即加載彈簧1的回復(fù)力更大，這個力通過主梁、連桿傳回手柄上，實現(xiàn)了M2>M1，即M2和M1的合成力矩是順時針方向的�？上雸D10左是不滿足M2>M1的。這些力矩要精心計算，否則導(dǎo)致“鎖定無力“或”不易脫扣”。

 

▲圖12、鎖定示意圖

再通過圖12來說明一下動作和力量的傳遞：1“下扣”頂住——2“上扣”鎖住——4觸點桿抬高——3觸點閉合。4觸點桿抬高——彈簧回復(fù)力增大——5主梁連桿對手柄產(chǎn)生更大推力——6M2大于M1——手柄鎖定——系統(tǒng)鎖定在通態(tài)。


6、觸點閉合力
觸點會流過大電流，閉合時需要有效接觸，因此需要給動觸點提供持續(xù)的壓力，這個力來自“觸點桿組件”中彈簧的回復(fù)力。

 

▲圖13、觸點閉合壓力

如上圖，通過一枚螺母卡住“上扣”，然后合上手柄，可觀察到“觸點閉合壓力”現(xiàn)象。因螺母將槽形鐵片左端卡得更低，其右端可以抬得更高，手柄加載到位后，觸點桿片與槽形托片就克服彈簧力，張開了一個角度，此時彈簧回復(fù)力就成為觸點間的閉合力了。而且，靜觸點對動觸點也存在反作用力，通過整個機構(gòu)回傳到連桿上，成為手柄鎖定力矩M2的一部分。
設(shè)想取消組件中“槽形托片+彈簧+觸點桿”的設(shè)計，僅使用一個觸點桿，則從手柄到觸點都是剛性部件，部沒有足夠的形變，也就無法為閉合觸點加載彈性力了。


7、鎖定片與脫扣方式
最后加上“鎖片”和彈簧鋼絲，完成整個機械系統(tǒng)。

 

▲圖14、鎖定片與脫扣方式

“雙扣梁”下端被“下扣”扣住很少，只要“鎖片”稍一轉(zhuǎn)動，就會脫扣，起到了“4兩撥千斤”的作用。熱脫扣靠的是雙金屬片，當(dāng)電流過流時，雙金屬片發(fā)熱彎曲，左端頂?shù)芥i片，完成脫扣。電磁脫扣靠的是電磁鐵，當(dāng)線圈流經(jīng)超大（短路）電流時，內(nèi)部動靜磁塊吸合，動磁塊推動“頂桿”頂?shù)健版i片”右端，完成脫扣。圖15和圖16分別是雙金屬片和電磁鐵組件的細節(jié)。

 

▲圖15、雙金屬片

 

▲圖16、電磁鐵組件

8、熱觸發(fā)微調(diào)機構(gòu)
這個組件把“軛鐵”、“雙金屬片”、“連接軟銅片”、“接線端”及“連接導(dǎo)線”（圖中已剪去）焊接在一起，如圖所示，上、下兩部分被固定在底盒的槽內(nèi)，無法活動，但中間部分未被卡死，是可以稍微活動的。當(dāng)調(diào)節(jié)螺釘時，雙金屬片可跟隨上下位移，相當(dāng)于調(diào)節(jié)了熱觸發(fā)的間距，也即調(diào)節(jié)的過流脫扣電流。中下部分連接靠“軟銅片”，但軛鐵是一個整體，下側(cè)微量調(diào)節(jié)依靠的是金屬形變，可觀察到形變處開了一個大窗，減少了剛性。

 

▲圖17、調(diào)節(jié)機構(gòu)

四、滅弧系統(tǒng)

1、 結(jié)構(gòu)
滅弧系統(tǒng)包括觸點區(qū)域、引導(dǎo)區(qū)域及滅弧柵區(qū)域。

 

▲圖18、滅弧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1) 觸點區(qū)域包括動觸桿及觸頭、靜觸桿及觸頭。觸點通斷大電流，是易損部件。
2) 引導(dǎo)區(qū)域是從觸點處到滅弧柵之間的空間，由上下兩組導(dǎo)磁鐵片及絕緣隔離片組成，形成一個電弧轉(zhuǎn)移通道。
3) 滅弧柵組件：由9片相互絕緣、片間距約為1.8mm的帶有凹口的鋼片用絕緣框組裝而成，框背后開有通氣孔。

 

▲圖19 滅弧室結(jié)構(gòu)及原理示意圖

2、 電弧的害處
斷路器分?jǐn)啻箅娏鲿r，動靜觸點間會產(chǎn)生溫度極高、發(fā)出強光的電弧。電弧有兩個害處，一是引起高溫?zé)龎挠|點等零件；二是它本身也是電流，電弧不熄相當(dāng)于電流不斷，而斷路器需要非�？焖俚亟K止所有電流，通常要求機構(gòu)跳閘后30－150毫秒之間熄滅電弧。


3、 柵片滅弧原理
小型斷路器通常采用“金屬柵片滅弧法”，其基本原理是利用金屬柵片產(chǎn)生的感應(yīng)磁場形成電磁動力（磁吹弧力），將電弧吸入滅弧室，然后分割成若干小段，利用交流電的“過零”及電弧的“近陰極效應(yīng)”達到快速熄滅電弧的目的。另外滅弧柵還有降溫、散熱、通風(fēng)等功能。

移動電弧的電磁力分析：電弧本質(zhì)上是一團被電離的氣體，受力時易發(fā)生移動。同時它也是一段電流，既可以產(chǎn)生磁場，也可受到電磁力作用。斷路器觸點右邊設(shè)置了上下2塊鐵片，滅弧柵組件中有9片鐵片，當(dāng)電弧產(chǎn)生時，強大的電弧電流產(chǎn)生磁場，將鐵片磁化（有研究表明可多產(chǎn)生約39%的磁場）。這個磁場力反過來又對電弧產(chǎn)生安培力，將電弧往鐵片方向拉（另一邊看來是吹），電弧迅速移入滅弧柵組件。不用擔(dān)心會吹過頭，過頭了還會吹回來的。

電弧在滅弧室被截成多段小電弧，然后冷卻、熄滅。根據(jù)電弧的“近陰極效應(yīng)”，電弧放電時，近陰極一端吸引、積累了大量正離子，當(dāng)交流電過零反向后，陰極變陽極，正離子區(qū)域可以形成約150V－250V左右的反向電場，這個電場能抵消起弧的外電場，從而阻斷電弧電流。滅弧室設(shè)計成9隔，電弧引入后被截成10段，每段都有一個陰極，串聯(lián)起來就有1500V以上的反壓，當(dāng)外電場低于此值，電弧就會熄滅。


斷路器中還有許多值得分析的設(shè)計，比如連接固定件與活動件的多股軟銅線，由多達3000多股細銅絲纏繞而成，每股細如頭發(fā)。連接采用了超聲波焊接技術(shù)，整齊而牢靠。還有本款斷路器中，連接電磁線圈與雙金屬片的導(dǎo)線，分成2根，分別焊接到雙金屬片的左端和右端，采用了分流設(shè)計。此外，斷路器內(nèi)部熱量處理、氣流通道、軛鐵中間段開雙縫、電磁鐵動塊對觸點桿的脫扣拉力等設(shè)計，以及其他更深更妙的設(shè)計，筆者還看不太懂，留待高人現(xiàn)身指點。