溫州聖普電氣有限公司、浙江天正電氣股份有限公司、杭州泰姆電氣有限公司、浙江永繼電氣有限公司、許繼電氣股份有限公司的研究人員趙明、趙科達等，在2019年第1期《電氣技術》雜誌上撰文，通過對電能表外置斷路器重合閘部分結構的分解，敘述了小型重合閘結構傳動部分的設計思路和實例，供設計人員參考。
遠程自動重合閘斷路器最早應用於無人值守的偏遠用電場所，如通信基站、軌道交通等。各電網公司由人工抄表、上門收費、上門維護等，其工作需要配備大量的人員、車輛。通過採用費控電能表與費控斷路器，可減少人員與車輛的開支，且能提高運行的效率。
隨著“打造智能電網”概念的提出，遠程自動重合閘便延伸到電網計量箱專用重合閘斷路器——費控電能表外置斷路器。與智能電錶一同形成“智能電網”中的“智能終端”，使智能概念落到實地。
費控電能表外置斷路器在小型斷路器的基礎上，通過增加機械傳動模塊和智能控制部分來實現有費有電，欠費停電的基本功能。各電網公司對產品的外形寬度有嚴格的要求，決定了電機不能採用直接傳動的放置方式，而需要較為複雜的機構來實現動力的傳動和轉換。
1 電能表外置斷路器的機構組成
其機構由原動部分、執行部分、傳動部分和控制部分4個部分組成。
通常採用電動機作為機構動力的來源即原動部分。在設計時，根據已知的空間尺寸、輸出轉矩和轉速，選擇合適的電動機參數。執行部分處於傳動路線的終端，完成預期的合閘和分閘動作。按電網規範要求，遠程自動合閘部件應採用內軸傳動方式的全封閉結構，執行部分通常為帶內軸的小型斷路器操作手柄。
傳動部分在原動部分和執行部分間，傳遞和轉換動力。通常是齒輪組合，根據需要選擇合適的傳動比，這部分是設計的重點。控制部分其作用是控制機械部分，使其能實現或終止各種預定功能，主要通過電子線路板實現。本文主要介紹傳動部分的設計。
2 機構傳動部分中的轉換部分和變速部分
受到空間的限制，電能表外置斷路器的原動部分（電動機主軸）和執行部分（手柄內軸）的軸線通常是非平行的。因此，在機構中必須包含傳遞交錯軸運動的轉換部分。同時在有限的空間內為了輸出合適的轉矩和轉速，又必須包含傳遞平行軸運動的變速部分。
2.1 轉換部分和變速部分功能的實現
為了實現上述的功能，通常採用齒輪機構組合。齒輪機構可以傳遞空間任意兩軸間的運動和力，且傳動準確、平穩、機械效率高、使用壽命長。根據齒輪在傳動時的相對運動是平面運動還是空間運動，可以將齒輪機構分為平面齒輪機構和空間齒輪機構。在平面齒輪機構中，傳遞平行軸運動的外齧合齒輪機構有直齒、斜齒和人字齒等。在空間齒輪機構中，傳遞交錯軸運動的外齧合齒輪機構有渦輪蝸桿和圓錐齒輪等結構。
對於齒輪結構的設計思路，首先要計算出傳動比範圍，再根據空間尺寸，選擇合適的模數m、齒數z和中心距。
2.2 變速部分齒輪的設計（略）
變速部分功能的實現，首先要考慮到的是傳遞到執行部分的轉矩大小。其次，要考慮到的是合閘與分閘的速度。受到空間限制，電動機的體積不可能無限大，也因此功率不能做的很大，同時考慮到傳動中的磨損，低操作力的斷路器本體對於變速部分功能的實現有益。目前常見的兩種斷路器結構中，某金屬件結構的操作力相對較輕。
2.3 轉換部分齒輪的設計（略）
轉換部分的功能實現通常通過渦輪蝸桿機構來實現。
2.4 轉換部分和變速部分設計的實例
圖1為某企業一種蝸輪蝸桿結構，電動機初始輸出轉速為25000r/min，初始轉矩為60g•cm。經計算，輸出轉速和轉矩經過1級蝸輪蝸桿和3級柱齒輪減速、增力後分別為50r/min和30kg•cm。蝸輪、蝸桿結構利用效率較低，通常為30%～40%，但可以獲得更高的轉速比，以彌補利用效率上的不足。
按照上述輸出轉速和轉矩，採用最低30%的利用效率來計算，最終到達傳動部分的轉速約為20r/min，轉矩約為8kg•cm，完全可以帶動合閘力最大合閘力約為50N的三相斷路器，並且合閘時間會在1s左右。
圖1 某型號的渦輪蝸桿傳動部分
圖2為某企業一種圓錐齒輪結構。電動機初始輸出轉速為24000r/min，初始轉矩為25g•cm。經計算，輸出轉速和轉矩經過4級齒輪箱減速，增力後分別為60r/min和10kg•cm。相比於蝸輪蝸桿，這種圓錐齒輪結構利用效率更高，通常可以達到70%～80%。
按照上述輸出轉速和轉矩，採用最低70%的利用效率來計算，最終到達傳動部分的轉速約為42r/min，轉矩約為7kg•cm，也完全可以帶動合閘力最大合閘力約為50N的三相斷路器、並且合閘時間小於1s。
圖2 某型號的錐齒傳動部分
3 電能表外置斷路器分合閘的實現
電能表外置斷路器的分閘和合閘的操作件轉動方向是相反的。一次完整的分合閘操作，必然包含了一次執行元件的順時針轉動和逆時針轉動。在有限的空間內，期望通過一套結構件實現這些功 能[9-10]。在實際設計的產品實例中，通常通過以下兩種思路去實現。
1）通過控制電動機的轉向。假設合閘時，電動機轉向為順時針，在合閘動作完成後，控制機構通過內部聯動裝置將電動機逆時針退回到初始位置。分閘時，電動機繼續逆時針帶動齒輪凸臺撥動斷路器分閘聯動軸，以達到分閘斷路器的目的。
2）通過有意設計的間歇齒輪結構和脫扣裝置來實現。即主動齒輪與從動齒輪非全齒齧合，而是根據結構需要，分別取主動齒輪與從動齒輪的部分齒牙。合閘時，主動齒輪在電動機的帶動下旋轉齧合從動齒輪，帶動斷路器合閘。合閘完成後，主動齒輪繼續旋轉，直至與從動齒輪脫齒為止。分閘時，電動機會繼續朝同一方向帶動主動齒輪旋轉，使主動齒輪凸臺撥動斷路器分閘聯動軸，以達到分閘斷路器的目的。
結論
電能表外置斷路器的機構的設計主要是傳動部分的設計，可靠性好、功耗低、成本低是設計的目標。通過靈活的使用齒輪組結構和優化齒輪組參數，可獲得最合理的設計方案。
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