Глава VI
БИМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
§ 6. 1. Назначение и конструкция биметаллических элементов
Биметаллический элемент представляет собой жесткое соединение двух металлических пластин, материалы которых имеют разные коэффициенты линейного расширения. Если такую пластину нагреть, то вследствие разного линейного расширения составляющих металлов она изогнется в сторону материала, имеющего меньший коэффициент линейного расширения. Очевидно, изгиб будет тем больше, чем больше разность коэффициентов линейного расширения; поэтому материалы подбираются таким образом, чтобы у одного из них коэффициент линейного расширения был минимальным, близким к нулю — пассивный материал, а у второго — максимальным — активный материал.
Биметаллические элементы применяются в регуляторах и реле, контролирующих температуру внешней среды, а также в аппаратах защиты, в которых биметалл нагревается под действием тока. Поскольку время нагрева зависит от величины тока, то ампер-секундная характеристика биметаллического элемента получается обратно зависимой (гиперболической): при увеличении тока уменьшается время нагрева, при котором пластина изогнется на определенный угол. Так как изгиб биметаллической пластины происходит довольно медленно, то контакты с целью улучшения их условий работы связаны обычно с пластиной через механизм, осуществляющий мгновенное размыкание. Биметаллический элемент чаще всего выполняется в форме прямой или U-образной пластины.
§ 6. 2. Материалы биметаллических элементов
Требования к материалам биметаллических элементов определяются условиями их работы. Основные требования следующие:
- большая разность коэффициентов линейного расширения активной и пассивной составляющих биметалла, позволяющая получить значительный изгиб, обеспечивающий надежную работу;
- линейность зависимости удлинения активной и пассивной составляющих от температуры, т. е. постоянство коэффициента линейного расширения. Несоблюдение этого требования приводит к разным прогибам биметаллической пластины при одной и той же величине превышения температуры, но при разных абсолютных температурах. Необходимо заметить, что коэффициент линейного расширения при высоких температурах изменяется, вследствие чего допустимая температура биметаллического элемента обычно определяется интервалом температур, в которых коэффициент линейного расширения постоянен:
- жаростойкость — способность противостоять высокий температуре без оплавлений, интенсивного окисления и особенно без потери упругих свойств, так как в противном случае биметаллический элемент Не сможет развить силы, достаточной для переключения контактов.
В качестве материала пассивной составляющей биметаллического элемента наибольшее распространение нашли железо-никелевые сплавы с большим содержанием никеля. Особенно распространен железо-никелевый сплав, называемый инваром, со следующим химическим составом: Ni=36,1 %, Fe=63,l%, Mn=0,4%, Сu=0,4%. Некоторые данные железо-никелевых сплавов приведены в табл. 6.1.
Таблица 6.1
Как видно из табл. 6.1, инвар имеет наименьшую величину коэффициента линейного расширения, чем и объясняется его широкое применение. Однако эта небольшая величина существенно увеличивается с увеличением нагрева, вследствие чего рекомендуемая рабочая температура инвара ограничивается сравнительно небольшим значением.
В качестве материала активной составляющей биметаллического элемента применяются самые разнообразные металлы, обладающие достаточно большим коэффициентом линейного расширения. Наиболее распространенные биметаллы и их свойства приведены в табл. 6.2.
Из приведенных в табл. 6.2 биметаллов наибольшее распространение получили пары инвар — латунь и инвар — хромистая сталь. Первый биметалл обладает большой электропроводностью и способен пропускать большие токи, второй — хорошими механическими качествами и может развивать при изгибе значительные усилия.
Таблица 6.2
* Удельное сопротивление определено для биметалла при одинаковой толщине пассивной и активной частей.
Рис. 6.1. К расчету прогиба и усилия биметаллического элемента
