張 杰
(貴州航天電器股份有限公司,貴州貴陽(yáng) 550009)
當(dāng)有電流流過(guò)繼電器觸點(diǎn)時(shí),電流線在接觸面附近發(fā)生收縮,由于自身磁場(chǎng)與電流的作用,平行于接觸面的電流線分量具有電磁力,因而在觸點(diǎn)間會(huì)出現(xiàn)相互排斥的電動(dòng)斥力[1]。這是一種電流自身磁場(chǎng)作用下的電動(dòng)力。它的存在會(huì)減小觸點(diǎn)的有效接觸力,延長(zhǎng)觸點(diǎn)閉合過(guò)程的回跳時(shí)間,使觸點(diǎn)易于產(chǎn)生熔焊,特別是大功率繼電器更是如此。
首先簡(jiǎn)單介紹了繼電器觸點(diǎn)材料的一些情況,然后建立繼電器觸點(diǎn)間電動(dòng)斥力的研究模型,通過(guò)該模型對(duì)AgW觸點(diǎn)間的電動(dòng)斥力進(jìn)行分析研究,得出電動(dòng)斥力與W含量的關(guān)系曲線。
一般地,用作繼電器觸點(diǎn)的材料[2]有3類(lèi),即純金屬材料、合金材料和復(fù)合材料。
純金屬觸點(diǎn)材料常見(jiàn)的有Al、Cu等。Al是較好的導(dǎo)電材料,但由于它不耐弧、在空氣中易氧化生成不導(dǎo)電的絕緣薄膜,不是很好的觸點(diǎn)材料。Cu的導(dǎo)電與導(dǎo)熱性比Al好,硬度、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)比Al高,是應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)電材料。但它在空氣中也易氧化生成不導(dǎo)電的絕緣薄膜,故限制了其作為觸點(diǎn)材料的進(jìn)一步發(fā)展。
Ag合金:AgAu合金耐腐蝕,但易硫化;PdAg合金與AgAu合金類(lèi)似,但其電阻率大、電阻溫度系數(shù)小。該類(lèi)合金價(jià)格較貴。
Au合金:AuNi合金隨Ni含量的增加電阻率增大,有較好的抗熔焊和橋接轉(zhuǎn)移能力,但在電弧作用下易氧化、使接觸電阻增大。AuPt合金在溫度升高時(shí)不易氧化。AuAg Pd合金硬度高,不易氧化,但易于形成橋接轉(zhuǎn)移。該類(lèi)合金價(jià)格很貴。
AgCdO:AgCdO是廣泛應(yīng)用于低壓電器的觸點(diǎn)材料,它具有以下特性:在電弧的作用下CdO分解,從固態(tài)升華到氣態(tài),產(chǎn)生劇烈的蒸發(fā),體積會(huì)增大好幾個(gè)數(shù)量級(jí),起著吹弧作用,且清潔觸點(diǎn)表面。但Cd及CdO蒸氣有毒,對(duì)人體健康有影響,因而AgCdO觸點(diǎn)材料必將會(huì)被逐漸淘汰。
AgW:該材料的性能與AgCdO類(lèi)似。隨著W含量的增加,抗電弧磨損和抗熔焊能力增強(qiáng),但導(dǎo)電性能有所下降。當(dāng)W含量在50%~80%時(shí)材料性能最佳,常用作大電流繼電器觸點(diǎn)的電接觸材料,主要用于重負(fù)載且開(kāi)閉不頻繁的場(chǎng)合。
為了計(jì)算繼電器觸點(diǎn)間的電動(dòng)斥力,采用圖1所示的接觸導(dǎo)體模型。為了便于問(wèn)題的處理,作以下假設(shè)[3]:
圖1 電流-電位場(chǎng)
(a)導(dǎo)體為非磁性材料;
(b)導(dǎo)體周?chē)鸀榭諝猓?/p>
(c)接觸面內(nèi)全部導(dǎo)電斑點(diǎn)集中在中心形成一個(gè)大的導(dǎo)電斑點(diǎn);
(d)該導(dǎo)電斑點(diǎn)是一個(gè)超導(dǎo)小球,為一個(gè)等位體。
在假定條件下,觸點(diǎn)間收縮區(qū)中的等位面變成一系列與超導(dǎo)小球同心的圓球面,電流線則為一系列通過(guò)超導(dǎo)小球中心的輻射狀直線。
在圖1中,dr處導(dǎo)體元dα的磁場(chǎng)強(qiáng)度為:
設(shè)流過(guò)導(dǎo)體元dα的電流為dI,則dr環(huán)所受的電動(dòng)力為:
式中,μ0為空氣的磁導(dǎo)率。
將dF分解成平行于視在接觸面的分量dFp和垂直于視在接觸面的分量dFd。由于電流線為對(duì)稱(chēng)分布,平行分量互相抵消,剩下垂直分量,為:
而dI=Isinαdα,故
所以,觸點(diǎn)間的電動(dòng)斥力為:
式中,A為導(dǎo)體截面半徑,a為接觸斑點(diǎn)半徑。
式(5)表明,觸點(diǎn)間的電動(dòng)斥力只與觸點(diǎn)的最大導(dǎo)電截面和最小導(dǎo)電截面有關(guān),與電流在收縮區(qū)內(nèi)的過(guò)渡情況無(wú)關(guān)。
接觸斑點(diǎn)半徑由赫茲公式導(dǎo)出:
式中,F(xiàn)為觸點(diǎn)的接觸壓力,R為觸點(diǎn)的球面半徑,E為彈性模量,ν為泊松比。
本研究討論的是AgW觸點(diǎn)間的電動(dòng)斥力,故只處理AgW觸點(diǎn)材料的接觸斑點(diǎn)。在AgW觸點(diǎn)材料中,W含量不同,其彈性模量和泊松比也發(fā)生變化。在不知道W材料具體含量的情況下,假定它符合混合物規(guī)律[5],即
彈性模量為:
泊松比為:
式中,c為W的含量。
計(jì)算時(shí),采用圖2所示典型的大功率繼電器觸點(diǎn)模型。在該模型中,觸點(diǎn)的接觸方式采用點(diǎn)接觸形式,取觸點(diǎn)壓力為2.5 N,觸點(diǎn)球面半徑20 mm,導(dǎo)體截面半徑3.5 mm,流過(guò)觸點(diǎn)的電流為100 A,Ag的彈性模量7.58×1010Pa、泊松比0.39,W的彈性模量34.45×1010Pa、泊松比0.284。將以上值代入式(5),得觸點(diǎn)間的電動(dòng)斥力與W的含量的關(guān)系曲線,如圖3所示。
圖2 典型的觸點(diǎn)模型
圖3 AgW觸點(diǎn)間的電動(dòng)斥力與W含量的關(guān)系
由圖3看出,隨著W含量的增加,AgW觸點(diǎn)間的電動(dòng)斥力變大,但該力只分布在(3.7×10-3~4.1×10-3)N,與大功率繼電器觸點(diǎn)間的接觸壓力(2.5 N)相比要小得多,幾乎可以忽略不計(jì)。
實(shí)際上,繼電器觸點(diǎn)不管是點(diǎn)接觸,還是線接觸、面接觸,其導(dǎo)電斑點(diǎn)往往有多個(gè),故式(5)的使用受到限制。但是,式(5)作為估算觸點(diǎn)間電動(dòng)斥力的上限值,特別是點(diǎn)接觸形式下的上限值,仍然是有用的。
在大功率繼電器中,有時(shí)為了減小觸點(diǎn)間的電動(dòng)斥力,可以采用多觸點(diǎn)并聯(lián)結(jié)構(gòu),電動(dòng)斥力由每個(gè)觸點(diǎn)平均分?jǐn)?。也可以將觸點(diǎn)固定連接在由高彈性材料制成的連接零件上,且使電動(dòng)斥力的方向與彈性零件由于形變產(chǎn)生彈力的方向相反,從而起到克服電動(dòng)斥力的作用。
(1)對(duì)兩相或多相機(jī)械混合的金屬?gòu)?fù)合材料,在不清楚其具體的物理參數(shù)(如彈性模量、泊松比等)的情況下,可以按混合物規(guī)律進(jìn)行求解;
(2)分析計(jì)算表明,AgW觸點(diǎn)材料隨著W含量的增加,AgW觸點(diǎn)間的電動(dòng)斥力變大;
(3)AgW觸點(diǎn)間的電動(dòng)力總的來(lái)說(shuō)不大,與接觸壓力相比可以忽略不計(jì);
(4)觸點(diǎn)間的接觸斑點(diǎn)往往不是一個(gè),故計(jì)算結(jié)果對(duì)估算觸點(diǎn)間的電動(dòng)斥力上限值有指導(dǎo)意義;
(5)當(dāng)需要克服觸點(diǎn)間的電動(dòng)斥力時(shí),可以采用多觸點(diǎn)并聯(lián)結(jié)構(gòu),或?qū)⒂|點(diǎn)固定連接在由高彈性材料制成的連接零件上。