双金属元件的设计优化

双金属是一种复合材料，由两层或多层不同温度膨胀系数的金属合金材料结合而成。具有热敏感性，随着温度的变化而产生不同的弯曲挠度。

双金属作为测试、温度调节与温度补偿的元件，已被广泛地应用在低压电器、电流峰值表、煤气控制阀、火警报警器、恒温控制器、电熨斗、热水器、厨房电器等设备中，已成为一种国民经济和日常生活中不可或缺的元器件。

双金属在低压电器中主要用于低压断路器、热继电器、电动机保护器等产品的热脱扣元件。由于微电子技术的发展和智能电器的出现，电子脱扣器取代了一部分热脱扣元件的功能，但双金属片元件在低压电器中，尤其是中、小电流等级的低压电器中仍在大量使用。由于结构简单、成本较低、制造方便、加工工艺简单、不受电磁干扰影响、动作特性稳定等优势，目前双金属元件仍是电子式脱扣装置无法完全替代的。

1.双金属元件的结构

（1）双金属元件的形式。平直形或弯成U形的条片，如图5-12所示，主要用于直线运动。

碟形圆片，如图5-13所示，在作用力大时用于精密的直线微小运动。

平螺旋形元件和直螺旋形元件，如图5-14所示，用于旋转运动。

图5-12 平直形双金属元件

图5-13 碟形双金属圆片

其他各种形状的成形元件：用于特殊用途。在断路器、热继电器所使用的双金属元件基本上是矩形截面的条形双金属。

图5-14 螺旋形双金属元件

a）平螺旋形 b）直螺旋形

（2）双金属元件的加热方式。双金属片在低压电器中应用主要是通过电流加热使其弯曲变形，当电流超过规定值时，双金属元件产生推力使脱扣机构动作，达到过电流保护目的。在低压电器中电流加热双金属片的方式主要有以下三种。

1）直接加热。直接加热是电流直接通过双金属片，利用其电阻损耗发热。改变双金属片尺寸或材料，可改变电阻大小，从而反映所要感知的电流大小。这种方式在小型断路器中使用较多。直接加热方式如图5-15所示。

2）间接加热。间接加热时电流不通过双金属片，而是利用加热元件加热。为了改善双金属片与加热元件间的热耦合，可将加热元件绕在外包绝缘层（例如，玻纤绝缘套管）的双金属片上，也可将加热元件直接与双金属片固定在一起，如图5-16所示。

3）复式加热。复式加热是电流不仅通过双金属片本身，同时通过加热元件来加热。根据结构不同，有时需要在双金属片外包绝缘层（例如，玻纤绝缘套管）。这种形式通常适用于1～2A及以下的小电流等级的热脱扣元件，复式加热方式如图5-17所示。

图5-15 直接加热方式

图5-16 间接加热方式

图5-17 复式加热方式

2.双金属元件的设计计算

低压电器大部分是采用一端固定的长条矩形截面双金属片，如图5-18所示，因此，双金属片的设计计算是以这种形式为基础。

图5-18 一端固定的双金属元件

在图5-18中，双金属片受热发生弯曲变形，当变形受到阻挡物（例：脱扣杆）阻挡时，产生对阻挡物的推力F，还有双金属片受热变形时，产生内应力σ，这两个参数决定了热脱扣元件性能的优劣。在设计计算时，图5-18中的参数应符合下列要求：S应大于双金属片与脱扣杆间距和脱扣行程；F应大于脱扣力；σ_max应小于等于材料的最大允许应力[σ]。

（1）一端固定的双金属片的挠度S由如下公式计算。

式中 δ——双金属片的厚度（mm）；

L——双金属片的有效长度（mm）。

τ=θ-θ₀

τ——双金属片的温升（℃）；

K——比弯曲，可从双金属片材料手册中查到。

（2）一端固定的双金属片的推力F由如下公式计算（变形开始就受到阻挡）。

式中 δ——双金属片的厚度（mm）；

b——双金属片的宽度（mm）；

L——双金属片的有效长度（mm）。

τ=θ-θ₀（℃）

J——双金属片截面惯性矩。

K——比弯曲。

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E——弹性模数（N/mm²），E也可从材料手册中查到。

（3）在热脱扣器中，双金属往往并不是一开始就受到阻挡，如图5-19所示，而是经过一定的动作行程（图5-19中的S₁）后才受到阻挡，相应于受到阻挡后这段挠度S₂（=S-S₁）对阻挡物的推力计算如下式所示。

图5-19 受阻挡的双金属元件

式中 S₁——双金属片开始受到阻挡时的挠度（mm）。

（4）金属片的内应力计算。内应力计算的目的是确定双金属片受热弯曲时，内应力的分布情况，检验应力在允许的范围内，从而确定双金属片的允许使用温度。最大计算应力σ_max如下式所示：

式中 σ_max——双金属片最大应力（N/mm²）；

α₁、α₂——分别为主动层和被动层的线胀系数；

E——弹性模数（N/mm²）；

θ、θ₀——分别是双金属片的工作温度和初始温度。

（5）双金属片的最大允许使用温度θ_max。

式中 [σ]——双金属片最大允许应力（N/mm²）；

α₁、α₂——分别为主动层和被动层的线胀系数；

E——弹性模数（N/mm²）；

θ_max——双金属片最大允许使用温度。

在热双金属元件设计时，双金属片的工作温度不能超过最大允许使用温度，超过最大允许使用温度会使双金属片产生永久变形，影响脱扣特性的稳定性。

（6）双金属片的尺寸计算。在热脱扣元件设计时，往往先给定双金属片的动作行程S和推力F，由此计算双金属片的尺寸L（长度）和δ（厚度）。

设S为自由挠度，S₂为产生推力的挠度（见图5-19），计算系数x（产生推力行程占整个行程的比例）的计算公式如下：

式中 S——自由挠度（mm）；

S₂——产生推力的挠度（脱扣行程）（mm）；

x——计算系数。

由此可得出双金属片的厚度δ和长度L，分别如下：

由上式可以看出，当选定合适的参数后，不同的x值可求出相应的双金属片的厚度和长度。在设计时，可根据计算的厚度选用相近的标准厚度。有时长度受到尺寸限制可以先确定长度，但长度减少会引起推力的减小。为增加推力，可采用改变其他参数的方法来修正，如增加双金属片的宽度b，或采用叠片方式弥补推力的不足。

3.影响双金属元件稳定性和一致性的因素

（1）双金属片的制造质量。其影响因素主要包括：材料熔炼质量和成分的均匀性、一致性；材料轧制的质量，厚度公差大小。

（2）双金属片选型

1）根据脱扣器额定等级选用不同弯曲灵敏度的双金属。例如：5J20110（5J11）等双金属，比弯曲K较高，适合于做小电流脱扣器；5J1480比弯曲K相对较低，适用于做大电流等级的脱扣器；R型电阻系列双金属材料，适合于较大额定电流等级及直热式脱扣器。

2）低压电器常用的双金属片允许使用温度范围为-70～200℃、线性温度范围为-20～150℃，选用时应注意实际使用温度，不能超过规定值。

（3）双金属元件的冲制工艺。

1）冲片前，双金属材料带材应校直，确保冲片的平直度，如要压弯，避免过小的弯曲半径。

2）一般情况下，应沿着材料的轧制方向冲片，确保双金属元件的灵敏度。

3）双金属片冲压四周无毛刺，必要时应增加去毛刺工艺。

（4）消除内应力热处理（稳定处理）。

1）双金属元件经冲压加工后，存在较大的内应力，影响双金属元件的稳定性和灵敏度，因而必须进行消除应力处理；

2）消除内应力一般采用低温热处理的方法，温度、保温时间、处理次数是热处理的三个要素；

3）处理温度为热元件在工作中可能遇到的最高温度再增加50℃，一般约为250～300℃，在双金属材料手册中一般也推荐热处理温度。例如：保温时间1～2h，加热和冷却应缓慢进行；热稳定处理应在真空或保护气氛状态下进行；需要时，可进行多次热处理。

（5）双金属片元件点焊。双金属片与连接板、加热电阻元件、软连接等零部件的焊接工艺对稳定性有极大的影响。焊接不好影响双金属片的固定和导电性能，甚至损坏双金属片的结构。因此，应制定合理的焊接工艺规程，增加必需的工艺装备，确保点焊工艺的牢固性、一致性和稳定性。

（6）组合部件的时效处理。

1）经焊接和装配加工，组装成为热脱扣器部件后，又可能产生了新的应力，若不消除也会影响元件的稳定性。必要时，应进行稳定处理。该阶段的稳定处理方法一般称为“时效处理”（高-低温循环处理）。

2）“时效处理”方法：首先放在低温（-40～-20℃）的环境中，保温1.5～2h，然后在室温恢复0.5h左右，接着再放入高温环境中（元件最高工作温度，约为160～200℃左右）保温1.5～2h，再在室温冷却0.5h左右，这样为一个周期。共连续进行4～5个时效周期。元件在进行加热或冷却过程中，相互不受碰撞和挤压，应能让热双金属元件在时效处理过程中，充分地自由弯曲，以消除应力。

（7）装配调整时避免双金属元件再承受过大机械外力。在装配时，热双金属元件经过一系列的加工装配后，在调试前，必须进行元件的工作端零位调整、装配等工序。在此过程中，为了避免再出现新的机械应力，要求在调整过程中不能直接施力于热双金属元件上，而应该用专用工具调整支架或其他连接件来调整其初始位置、脱扣行程等，避免双金属元件承受大的机械外力。