微型斷路器中的磁性形狀記憶合金

塑造未來

磁性形狀記憶合金（MSMA）是一類智慧材料，有望成為各種感測器和執行器的基礎材料。微型斷路器（MCB）是一種利用 MSMA 的磁效能、熱效能和物理特性進行工作的常見產品。

“智慧材料”沒有嚴格的定義。然而，研究此類材料及其應用的世界性團體確實將其模糊定義為無需修改材料本身即可用於驅動、感測和能量收集的材料。

最簡單且最廣泛使用的智慧材料是那些具有壓電特性的材料。在這種材料中，施加的力會產生電壓，反之亦然。熱形狀記憶合金（SMA）構成另一類成熟的智慧材料。SMA（如鎳鈦合金）具有兩種不同的晶體結構，這些結構與溫度相關。在環境溫度下，材料處於“冷”晶體結構。SMA 的“熱”晶體結構可以透過數千次的溫度迴圈來訓練。當材料隨後發生機械變形，然後被加熱到晶體內部結構重新定向的轉變溫度以上時，材料會“記住”其經過訓練的形狀，然後變形 02。標準材料的轉變溫度約為 60 °C。

對於工業 SMA 執行器，標準設計是一根簡單的線纜，該線纜可以拉伸，然後在受熱後回縮。如果使用的橫截面較大，這種結構變化可能會產生很大的作用力。通常，復位不是如 03 顯示的那樣透過重力實現，而是透過復位彈簧。最直接的主動控制是讓電流透過線纜進行加熱。

對熱場和磁場起反應的智慧材料與 SMA 類似的是磁性形狀記憶合金（MSMA），由鎳、錳和鎵組成。這類智慧材料在暴露於磁場時會顯示出顯性效應，也與SMA 一樣會對溫度產生反應。當施加垂直磁場時，材料會伸長，從而產生力和運動。觸發這種物理響應需要約 0。4 T 的磁通密度。在大約 1 T 時達到完全伸長，具體取決於負載。更強的磁場不會產生更大的效應，但也不會損壞材料，這在某些應用是一個優勢。通常使用軸向外力來使元件復位。

MSMA 效能特徵可分為三類：

力：取決於元件橫截面積。

衝程：取決於元件長度。

一般應力、應變和其他特性：取決於元件及其合金成分。

與熱 SMA 一樣，對溫度的響應是基於馬氏體和奧氏體結構之間的相變（即體心立方和麵心立方晶體排列之間）引起的晶體結構變化 04。通常，熱驅動提供的力比磁驅動提供的力高 20 倍左右，而衝程則相當或略小。

製造 MSMA 具有挑戰性，因為鑄造所需的單晶錠是一個複雜的過程。在這種鑄錠中，摺疊的極化磁性晶體結構將在凝固過程中逐漸形成。MSMA 元件被稱為“棒”，是從鑄錠中以有利的方向切割而成。當施加外部磁場時，正是這些棒中摺疊的磁極化晶體結構使其變形。

MSMA 同時具備的熱效能和磁效能使其非常適合需要熱響應和磁響應的應用，例如家用微型斷路器（MCB）。

MCB

MCB 是一種保護裝置，可在發生短路或熱過載時斷開電路 05a。熱過載比短路發生得更頻繁，但 MCB 對短路的響應（1 毫秒）必須比熱過載（幾秒）快很多。在傳統 MCB 中，會分別安裝執行器來實現短路和熱過載跳閘功能，通常相應為雙金屬片和螺線管 05b。本文所述任務的目的是要用一個 MSMA 執行器替換這兩個執行器。有關 MSMA 執行器的這種雙重用途的資訊，可參閱 2004 年的 ABB 專利申請［1］。

以一個 MSMA 執行器取代兩個傳統執行器

MSMA 技術的另一優勢是，用一個以鐵芯環繞的簡單直導體，即可實現所需的跳閘磁場。這種磁性設計本質上更適合標稱電流更高的 MCB，其中傳統螺線管的傳導損耗更為明顯。

在將 MSMA 的線性運動轉換為柱塞的線性機械運動的機制中，選擇了平行佈置。雖然這種設定需要一個額外來鍵合，並且慣性稍大，但其結構緊湊，可提供消除電弧重燃所需的衝程。

在迭代步驟中，開發了最終的技術演示器，該演示器由空心直導體組成，其中集成了柱塞和復位彈簧。單間隙鐵芯環繞在導體的外周，MSMA 元件置於鐵芯的氣隙中。為了調整 MSMA 元件應變以符合 MCB的要求，可使用槓桿臂 06 – 07。

如果可以在所需的跳閘電流下，向 MSMA施加足夠高的磁場強度（H），則可確保在出現短路電流時 MCB 快速啟動。因此，執行器幾何最佳化的主要目標是使 MSMA 上的 H場最大化，同時保持在 MCB 外殼定義的幾何空間約束範圍內。

電損耗

MSMA/MCB 佈置的一個關鍵效能指標是額定電流下的總（銅和磁芯）損耗。與任何其他電氣裝置一樣，其主要設計目標是在保持所需功能的同時，將此類損耗降至最低。另一方面，熱過載跳閘需要由 MCB中的損耗產生一些熱量。所採取的方法是，首先關注短路跳閘並設計一個損耗盡可能低的執行器，然後才考慮熱跳閘並相應地調整熱預算（如透過隔熱）。

採用 MSMA 技術的主要優勢之一是可以消除雙金屬片熱源。此外，線圈能效將大幅提高，因為它僅由一個直銅導體而不是線圈組成。因此，電損耗可減少約 75% 07。

根據 IEC 608981 標準，在 63 A 標稱電流下對 MCB 本身進行溫升測試。發現MSMAMCB 下端子的溫度比傳統 MCB 低約 45%。因此，可以得出結論，MCB 內部的總體溫度和接觸表面本身的溫度也比傳統 MCB 低得多，因此可在適當散熱的情況下實現更高的標稱電流。

磁跳閘

一些 MSMA MCB 已準備好適應高速攝像頭監控，以實現移動觸點跟蹤。研究人員觀察到其開啟時間與傳統 MCB 相當，但回程較小，這可以降低電弧重燃的風險。

MCB 柱塞在毫米範圍內短距離飛行後，會加速並撞擊拍杆。對不同柱塞質量的影響進行研究發現，不同相位角下的柱塞運動存在明顯差異。同時，重複性很高。但由於慣性增加，柱塞質量越大，衝擊力越大，致動時間會延長。在這方面，還有進一步最佳化的空間。

熱跳閘

研究人員探索了使用具有不同熱轉變溫度MSMA 棒的熱跳閘。如今的最高轉變溫度約為 60 °C。最初，MCB 是以手動開啟從而施加電流的。MCB 會於 2。55 倍標稱電流（160 A）下在 40 秒後跳閘，從而滿足環境溫度下的跳閘要求。溫升測試表明，需要轉變溫度為 85 °C 的材料來保證 +55 °C 時的功能。

進一步的重要觀察發現，第一次磁跳閘效能在熱轉變後有所下降。研究人員正在對此現象進行更深入的探索。

產品五年內上市

目前，MSMA 技術尚未在任何商業產品中實施，因此既沒有成熟的生產過程，也沒有質量過程。所以這裡不討論成本方面的問題。然而，MSMA 技術的可行性預測使得其開發活動的繼續勢在必行。MSMA 在 MCB 等應用中的技術適用性已經確定［2 – 4］。但仍然需要做一些工作來促進執行器機械的生產實用性，如開發具有高轉變溫度（85 °C）的材料，以及進行綜合最佳化。MSMA 技術在使用壽命、長期穩定性等方面的進一步表徵也需要研究，熱轉變後第一次執行不佳的不同原因也是如此。

也就是說，對於 MCB 而言，將磁驅動和熱驅動整合到一個 MSMA 單元中可提高效能、降低不同執行器及其相關獨立調整過程的成本、減少零件數量、簡化結構、消除潛在熱點，並顯著提高 MCB 的能效。預計第一批具備 MSMA 出色磁效能、熱效能和物理效能的產品將在五年內上市。

01 MSMA 可用於各種應用

02 MSMA 加熱後會變成經訓練的形狀。

03 驅動裝置。

04 晶體結構的轉變產生了SMA 和 MSMA 特性。

05 MCB 可用於多種電氣應用。

05a 典型 MCB。

05b 在標準電氣裝置中，主電流始終經過 MCB從一個端子通往另一個端子。

06 技術示例分解圖。

07 硬體示例。

07a 早期執行器原型。

07b 另一種原型（銀立方體），顯示裝置尺寸。