减少继电器线圈断线和短路的问题剖析

第 1期 2011年 2月 机 电 元 件 ELECTR0M ECHANICAL C0MP0NENTS Vol 31 No．1 Feb．2011 减少继 电器线圈断线和短路的问剖析 江 琦 王 健 李俊旺 (洪都无线 电厂 ，江西 南昌，330003) 摘要 ：继 电保护装置用 中间继 电器的 电压线 圈，尤其是 细线线 圈的断线或短路 问题 一直是 继电 器制 造业及 使用部门颇感棘手的难题。文章针对细线线圈易断线或短路这一缺陷，进行 了一系列从技术到工艺的改进工作 的 。 关键词：继电器；线圈；断线；短路；线性检测 Doi：10．3969／j．issn． 1000—6133．2011．O1．008 中图分类号：TM58 文献标识码：A 文章编号：1000—61 33(2011)0l一0037—04 前 言 长期以来，继电保护装置中使用的中间继电器 电压线圈(尤其是高电压继电器线圈)的断线或短 路问题一直是继电器制造业及使用部门颇感棘手的 难题。线圈是继电器的一个重要部件，它的性能好 坏直接影响到继电器的质量，随着继电器的功能模 块化和体积小型化，对继电器线圈的要求越来越高。 因此，必须尽可能地减少继电器细线线圈的断线和 短路，以提高产品的可靠性和寿命。 以我厂生产的 JHC一4F、JHC一5F为例 ，这两种 继电器是为了满足出口市场对超小型继电器的需求 而专门设计的高耐压、高绝缘的超小型直流电磁继 电器。这两种继电器的体积小，质量轻，可以满足电 力系统继电保护装置、通信及工业 自动化装置等领 域的需要。对于线圈绕线工序来说，在狭小的空问 内要容纳电性能符合要求的线圈并且要保证线圈的 工作可靠性，是一个严峻的问题。 1 问题的产生 超小型继电器的线圈设计必须服从于继电器小 收稿 日期 ：2010—7—9 型化设计原则，不能使线圈体积成为制约继电器小 型化的瓶颈。超小型继电器用的线径最细的达 0．02mm，一般以 0．04ram的漆包线居多。根据继 电器装配和检验部门的统计情况反映，由于各种原 因造成线圈断线和短路而导致继电器报废的占继电 器总废品率的 1／5。造成线圈断线和短路有多种原 因，而线性不良等因素是造成线圈断线的主要原因， 占全部断线数量的72％，见图1。 线性不良 毛毡沾尘 周转损耗 同 1 QC监 测图 圆 2 线性检测 在线圈绕线的生产过程中，选购漆包线是头道 工序。工厂的采购部门根据技术条件的要求，考虑 市场价格因素，选择了三种漆包线。为了叙述方便， 我们将国内A厂家生产的称为 A线，国内 B厂家生 产的称为 B线，国内 c厂家生产的称为 c线。 从外观看，这三种 0．04mm线径的漆包线没有 38 机 电 元 件 2011 差别 ，色泽也差异不大。对进厂 的各批次成品卷线 进行抽样，每种线各取 8卷进行称重，其单卷质量称 量结果如表 1所示。从表中可以看出 B线卷重比 最优。 表 1 单卷称量重量表 最轻质量／g 最重质量／g 平均质量／g A线 718 18O4 1247 B线 80o 33o0 1458 C线 475 20OHD 134O 继电器线圈在绕制后，线与线之间不断叠加，在 加电状态下，~'tdJu电压与自身电动势通常很大，这 样，就要求线与线之间的绝缘和耐压性能较高。分 别从三种线中各取四组漆包线，在线上施加高压，进 行绝缘漆层击穿试验，以绝缘层漏电流对应的极限 耐压值。其结果如图 2所示。C线的耐压值在 400V到640V之间，B线则在 390V到410V之间，A 线在270V到360V之间。试验数据表明，c的平均 耐压值最高，但一致性较差；A线的耐压值较低；B 线的耐压值在前两者之间，显示出较好的一致性。 (置甲) B线 c线 线^ I lI II I IV 图2 极限耐压实验结果 此外，导线的电阻率也是继电器线圈的一项重要指 标。我们又对这三种漆包线的电阻率进行测量。测 量结果见表2。从中我们可以看出，A、C两种线电 阻率相差不大，B线电阻率小表明其线材的纯度比 较高，由于纯度高，线材的韧性也相应较好，这是它 的一项优点，但是同时 B线在绕制时，需要更多的 线圈圈数，才能达到所需的安匝值，这样线圈的体积 就会增大，而线圈的设计空间在产品设计时是有所 限制。但在允许的阻值偏差内还是可以有效控制。 表 2 电阻率比较表 l A线 B线 l C线 电阻率( m)f 14．54 l3．4 I l4．68 测量绕制以后各线圈的电阻，其电阻分布见表 3。相比而言，B线的电阻值分布区较窄，电阻值的 一 致性较好。 在检验了这三种漆包线的静态物理性能以后， 还检验了在动态延展的情况下各种线材的延伸性 能。延伸性能是指在同一个水平高度，相同条件下， 对三种线加实施一定的重量，直到其断线为止，得到 各自的延伸极限值。结果见表 4。漆包线断裂以 后，技术人员分别将线的断头处在显微镜下放大，观 察其断头及漆层变化。A线断头的漆层模糊，断头 伸长短。这表明在承重状态下，金属线的延展性不 好，没有显示出应有的拉伸强度，而且漆层不致密， 在拉长时漆层就已经破裂。B线漆层清楚，断头处 伸长较长。这表明该线延展性比较好，漆层强度也 较高，只在金属线断裂时漆层才被破坏。C线在显 微镜下断层处漆层清晰完整，仲长也较长。C线的 表面也较好，漆层也较致密。 表3 各线电阻分布表 电阻一致性(8个双线圈间)n A线 482／483 483／491 476／492 478／496 477／490 486／519 479／514 483／491 B线 452，4￡ 453／457 455／459 455／459 452／456 452／456 454／458 452／456 C线 473／482 473／483 472／，485 468／480 474／485 478／482 476／481 47 ，488 第 1期 江琦等：减少继电器线圈断线和短路的问题剖析 39 表 4 承重极限值比较表 承重极限(3次平均)g A线 23．2 B线 34．6 C线 29 最后，我们将这三种线经过绕线机后，再放在显 微镜下进行观察。A线的漆层表面粗糙，凹坑多，这 表明经过绕线机的拉伸与摩擦以后，线的表面已经 遭到伤害，线表面属性已发生了变化。B线的表面 还是很光滑，有少量凹坑存在。c线的漆层也遭破 坏，凹坑数量介于前两者之间。漆包线经过绕线机 的拉抻与绕制，其表面的漆层与线材的结合度应具 有一定的强度，以免在以后使用中漆包线的绝缘强 度下降，造成匝间短路。 当然，除了漆包线材质本身的原因外，绕线过程 中绕线机构件及操作人员的不当失误也是造成线材 质量变化的重要因素。操作人员片面违反操作工 艺，在操作中不注意绞头弧度冗余的留置，还有些可 能是由于外部的局限性导致线的伸展幅度不够等， 从而形成损失。 3 改进 线性检测的环节里，我们发现以 B线为代表的 漆包线能满足线圈绕制工艺的基本要求，特别是其 表面强度及绝缘强度方面有比较大的优势，极大地 减少了线圈断线和短路的问题。B线由于电阻率小 而产生的外形问题，可根据电阻值的范围，适当调整 以满足装配的要求。针对绕线过程中线材表面的漆 层破损现象，我们分析可能是由绕线机上的线夹毛 毡造成的。当漆包线经过毛毡时由于高速摩擦，毛 毡会产生一定的静电，这种静电会吸咐沾染空气中 的微小尘埃。当毛毡使用时间过长时，尘埃会不断 积累，颗粒也不断增大，残留下来的杂质和灰层会呈 类似于细沙的砂纸，以至于在高速拉动中损伤线材 的表面。针对这种情况，我们制定了更为严格的工 艺，并且将检查毛毡表面作为日常检查行为，以 减少灰尘沾染另部件的影响。 绕线工艺对线 的影响也是不容忽视的 ，当绕线 机运行的速度过快时，会对漆包线有拉伤，严格按照 工艺要求，按照如图3所示分布曲线的要求来完成， 线径细转速高，线径粗则转速低，操作参照见下图 3 所示。严禁只图速度不求质量的行为，并且要求线 夹对线的张力一定要控制到刚好，太紧或者太松都 对绕线的质量产生影响，为此我们也专门对操作工 进行了技术方面的培训。直至目前操作工已经很好 地掌握。 U·1‘) 口．1j O．1 O O．】65 、 U 5f | O．21 4 l t ＼ ●’，f " - -L I。～ 。75口 I r I l I l1．{¨ J J I J I J I I I 图 3 线径转 速曲线图 对于部件在周转过程中的伤害，增加了专用线 圈周转盒，要求细线径线圈在周转中不能互相堆积， 应该尽量保持水平放置在周转盒中，避免针脚相互 伤害线圈体，以免最终伤到漆层。我们还专门针对 绞头处断线的情况对操作人员加强了质量培训并且 对工艺进行了严格地监管，改进了绞头工艺，要求在 做绞头时不拉紧，有弧度，要有松动的余地。在抽线 与针脚之间的过渡线必须也要有弧度，使张力有缓 冲余地。值得一提的是经过与继电器装配部门的协 调，将线架的结构进行了一些后期修整，更有利于漆 包线的伸展，从而也减少了断线的可能。 在整个生产环节中，环境问题同样是一个不可 忽视的环节。据初步实验监测，如果空气含 0．02％ 的二氧化硫，则线材表面会有明显而严重腐蚀，进而 对继电器质量造成很大的隐患；如果空气中的粉尘 量超过7mg／L，线材经绕线设备后的明显划痕将显 著增多。故而我们在强调工艺纪律，强化工艺卫生 的同时，在更衣间中加装了吸尘装置，并在生产车间 中增加了单向净化换气设备，从而大大地提高了线 圈的品质，进而为继电器质量的提高提供了保障。 4 ,,2a-结 ”千里之行，始于足下”，在继电器产品生产过 ¨ ¨ ¨ ¨ ¨ ¨ 绕 线 机 转 速 机 电 元 件 2011拄 程中，仍需要操作工有正确的质量意识和优良的操 作习惯，。据统计，我们在改进工艺之前所有报废中 线圈报废率是3％ 一5％，改进工艺后用 A线的报废 率为0．5％ 一1％；改进工艺用 C线的报废率为 0． 5％(试生产)；改进工艺用 B线的报废率为 0．2％ (试生产)。由此，从线圈断线和短路的多层因素， 来采取不同的措施，减少继电器线圈断线和短路的 问题将会达到一个最佳的效果。如此达到优良的继 电器产品品质，必定得到广大国内外用户的好评。 参考文献 ： [1] 詹善琼．继电器技术基础[M]．北京：电子工业出版社 ， 1984． [2] 方鸿发．低压电器[M]．北京 ：机械工业出版社，1982． [3] 张冠生．电器理论基础[M]北京：机械工业出版社， 】992 (上接 36页) 当考虑生产成本时，只有当钯的价格为 7欧 克时，Ni／Ni—P／Au—c0镀层方法在成本上才与 Ni／Pd—Ni／Au—Co表面的成本相当。在 目前 的贵金属价格下，镀有2～3 m Ni／0．81xm Au—Co 的标准镀层的制造成本将会更高。 图 8．Ni／Ni—P／Au—Co、Ni／Au—Co和 Ni／Pd—Ni／ Au—Co接触器件制造成本的对比 当然，交叉点可能会受到各种不同因素影响而 发生相应的移动。它们是生产线转移或新生产线 和更为昂贵的镍 一磷电解液保养工作(使得交叉点 沿着更高的钯价格上升方向移动)的投资成本。通 过生产线的优化配置，使得交叉点沿着钯价格下降 的方向移动。 5 总结 从本文可以看出，采用 Ni／Pd—Ni／Au—c0电解液， 可以提供一种满足通信工程用连接器严格标准要 求的镀层。经过250次插拔和在4种污染环境气体 中暴露 l0天之后，所测得的连接器电阻增幅并没 有超过允许范围。 在成本方面，本文所推荐的替代方法明显优于 最常用的标准方法(即在镍底层上薄镀1 la,m左右的 金)。与第二种常见的钯 一镍标准方法相比，不可 能为相对成本作出明确说明：此时钯的价格低于 6 欧元／克，这样，工艺成本稍高一点的镍 一磷沉积电 镀使得通过减少贵金属使用量来降低成本的目标 难以实现。不过，在过去三年中，钯的价格已经翻 了几番，所以它可能在极短的几周内颠覆这一结 论。此外，那些对使用钯及其合金作为镀层材料持 保留意见的网络制造商中仍有许多连接器的最终 用户。 最后，还有一个方面尚未提及：本研究只涉及 接触力较低且对其可靠性要求极高的较为敏感的 连接器。不过，如今还有许多在镍底镀层上采用0． 21．zm～0．8txm的薄镀金以及可靠性和寿命要求较 低的其它应用领域。例如，只有几次插拔寿命和高 接触力的直接印刷电路板用连接器以及用于移动 电话和其它消费类电子产品的接触件。推广应用 镍／镍 一磷／金 一钯镀层方法即可在这一领域将其 制造成本大幅降低 。