在五十铃700P车起动继电器上应用磁吹灭弧

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本文对2011年的700P载货汽车用起动继电器的结构和原理进行分析， 对该起动继电器的磁吹灭弧装置进行计算、 验证。 该磁吹灭弧装置首次在汽车电器领域应用， 开拓了国产起动继电器的设计思路。

汽车的起动继电器用于接通和断开起动机上电磁开关电路。起动机电磁开关的主体是电感线圈，在通电时会产生5~10倍冲击电流， 在断电时会产生上百伏的反向电动势，冲击电流和反向电动势均产生电弧，电弧的强弱由电流的大小和反向电动势的高低决定。电弧的烧蚀易造成起动继电器触点烧结。 起动继电器触点一旦烧结， 会造成起动机电磁开关无法及时断电，起动机长时间通电后烧毁，因此，起动继电器触点直接影响汽车起动回路的电路安全。在以往的设计和品质提升中，起动继电器触点材料是研究的核心，为解决触点易被电弧烧蚀问题，现在通行的做法是触点材料选用耐热性能、导电性能较好的AgCdO、 AgSnOlnO 等 ， 甚至选用纯银、纯金，不仅成本较高，效果也一般。起动继电器触点易被电弧烧蚀一直是困扰业界的问题。

700P车是由日本五十铃自动车株式会社于2008年全球上市的最新一代轻型载货汽车，并且2011年出产的700P车起动继电器比2008年的增加了磁吹灭弧装置，利用永磁铁的磁力将电弧拉长、冷却，电弧被冷却而熄灭，保护触点不被电弧烧蚀，从根本上解决起动继电器触点易被电弧烧蚀的问题，提高了起动继电器的可靠性。

1 结构和原理
1.1 磁吹灭弧原理分析
磁吹灭弧就是利用磁力将电弧拉长、 冷却， 电弧被冷却而熄灭， 保护触点不被电弧烧蚀。 该技术目前主要用于高电压、 大电流的通断产生的电弧熄灭，广泛应用于工业、航空等领域，在汽车上首次应用。该技术分交流磁吹灭弧、直流磁吹灭弧，根据磁力来源分电磁线圈型和永磁铁型等。 700P轻型载货汽车起动继电器采用的是永磁铁直流磁吹灭弧装置。下面介绍直流电弧的熄灭原理。

对直流电路的分断可等效为图1。 回路的微分方程式： E=Ldihdt+RiA+Uh，式中Uh为电弧电压。

直流电弧灭 弧原理见图2。 电弧静态伏安特性曲线与线路负载特性曲线有 两 个 交 点1 和 2。在这两点上dih/dt=0，Ih不随时间变化，电弧处于燃烧状态。但是在点1， 若有某种原因引起Ih稍大于I1，则电路工作状态将背离点l进入点1和点2之间的区域， Ih将继续增大至I2。 反之， 当Ih稍小于I1时， 则电路工作状态也将背离点1进入点l以左的区域， Ih将继续减小直到电弧熄灭。 而点2则完全不同， 无论Ih稍大于还是稍小于I2， Ih都会自动返回到点2。 可见， 点2才是真正的电弧燃烧的稳定点。

我们的目的在于熄灭电弧， 即希望电弧稳定的燃烧点2不存在。 可从两个方面采取措施： 一是增大负载电阻R； 二是提高电弧静态伏安特性 ， 使之与线路的伏安特性曲线不相交。 这样， 电弧将熄灭。 因负载电阻R是由用电器确定的， 显然增加电阻R是不可取的， 只有采取措施提高电弧伏安特性。采用外加磁场磁吹灭弧是提高电弧伏安特性的诸多方法之一。

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</p>1.2 700P车起动电路原理分析
700P车起动电路原理如图3所示。 点火开关闭合后接通起动继电器线圈电路， 起动继电器线圈通电后产生电磁力将起动继电器触点吸合， 该触点吸合后接通起动机电磁开关线圈电路， 起动机电磁开关线圈通电后产生电磁力将电磁开关触点吸合， 从而接通起动机电枢的主电路， 起动机旋转拖动发动机飞轮旋转至发动机点火， 完成起动过程 。 该电路是典型的汽车起动控制电路，被广泛应用于各种车型。

1.3 700P车起动继电器结构分析


700P车起动继电器照片如图4所示， 结构如图5所示，包括永磁铁、动触点、静触点、塑料壳体、电工铁、衔铁、簧片、 L形的轭铁、电磁线圈、铁心、塑 料 磁 钢 槽。静触点固定安装于塑料壳体上，与静触点对应的动触点固定安装于簧片的一端， 衔铁的上端连接着L形的轭铁的一侧， L形的轭铁的另一侧中部连接着铁心， 电磁线圈跨绕在铁心上。 簧片的中部贴设在衔铁外侧， 簧片的另一端连接着L形的轭铁。 动触点和静触点的同一侧面外侧的塑料壳体上固定安装有一块条状的电工铁， 电工铁两侧的塑料壳体上分别对应安装有塑料磁钢槽。 两侧对应的塑料磁钢槽内设有永磁铁， 永磁铁的底部位于电工铁顶面上，永磁铁通过磁力吸附在电工铁上。永磁铁距动触点和静触点同一侧面中心的距离为5 mm。

当钥匙转到起动档接通起动控制电路，电流经过电磁线圈，电磁线圈产生磁场，在该磁场的作用下，衔铁吸向铁心极面，从而带动动触点向静触点运动，使触点闭合；当起动完毕钥匙回到行车档时，起动控制电路断开，电磁线圈上无电流，电磁线圈产生的磁场消失，这时簧片机械反力大于电磁吸力，衔铁回到初始状态，触点断开；在触点断开产生电弧时，永磁铁的磁力将电弧拉长、冷却，降低电弧产生的温度，从而使电弧自熄灭，达到消弧目的，解决因电弧而烧蚀触点的问题。

2 验证
2.1 理论计算验证
电弧在磁场中受到磁场力的作用。 磁场由两部分产生：一是导电回路产生的磁场，二是永磁铁产生的磁场。 700P车起动继电器磁吹灭弧装置结构见图6。

通过对导电回路产生的磁场计算和永磁回路产生的磁场计算，导电回路产生的磁场远小于永磁铁产生的磁场，可以忽略不计，只考虑永磁铁产生的磁场。 下面详细描述该起动继电器灭弧系统的计算。

根据1.1节中直流电弧的熄灭原理， 只要电弧伏安特性曲线位于回路负载特性曲线之上即可灭弧。回路负载特性为U=Ue-IhR-Ldihdt， 电弧伏安特性为Uh=f（Ih图4 700P车起动继电器照片）， 求解步骤如下。

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将上面的计算过程进行编程计算，结果见表1。

注： Ih为开断电流； UR为线路负载电压； Uh为电弧电压。

依据表1数据， 以Ih为 横 坐 标、 UR为 纵 坐标， 绘制出电弧伏安特性曲线1； 以 Ih为 横 坐标、 UR为纵坐标， 绘制出回路负载特性曲线2，见图7。 从图7可知电弧伏安特性曲线1 完全位于回路负载特性曲线2之上， 说明能够灭弧。

2.2 试验验证
将该起动继电器进行试验室检测， 检测数据见表2。

由表2可知， 该起动继电器的耐久性达到了50万次， 可保证在车辆整个生命周期内该继电器触点都不会烧蚀， 远远超过现行起动继电器的使用寿命， 从而证明了磁吹灭弧装置是十分有效的。

3 结束语
五十铃700P载货汽车起动继电器采用磁吹灭弧装置，解决了触点易被电弧烧蚀问题，是磁吹灭弧装置在汽车电器领域的首次应用，开拓了国产起动继电器设计开发思路，引领了汽车起动继电器技术发展方向。
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