張 杰

（貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽(yáng) 550009）

引言

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。

1 觸點(diǎn)材料簡(jiǎn)介

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。

1.1 純金屬材料

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。

1.2 合金材料

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。

1.3 復(fù)合材料

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。

2 觸點(diǎn)間電動(dòng)斥力的理論計(jì)算

2.1 模型的建立

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。

2.2 電動(dòng)斥力的推導(dǎo)

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。

2.3 AgW觸點(diǎn)材料接觸斑點(diǎn)半徑的處理

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。

2.4 AgW觸點(diǎn)間接觸力的計(jì)算

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。

3 結(jié)論

（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。