基于AgW觸點材料的大功率繼電器觸點間的電動斥力

張 杰

（貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽 550009）

引言

當(dāng)有電流流過繼電器觸點時，電流線在接觸面附近發(fā)生收縮，由于自身磁場與電流的作用，平行于接觸面的電流線分量具有電磁力，因而在觸點間會出現(xiàn)相互排斥的電動斥力[1]。這是一種電流自身磁場作用下的電動力。它的存在會減小觸點的有效接觸力，延長觸點閉合過程的回跳時間，使觸點易于產(chǎn)生熔焊，特別是大功率繼電器更是如此。

首先簡單介紹了繼電器觸點材料的一些情況，然后建立繼電器觸點間電動斥力的研究模型，通過該模型對AgW觸點間的電動斥力進(jìn)行分析研究，得出電動斥力與W含量的關(guān)系曲線。

1 觸點材料簡介

一般地，用作繼電器觸點的材料[2]有3類，即純金屬材料、合金材料和復(fù)合材料。

1.1 純金屬材料

純金屬觸點材料常見的有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，不是很好的觸點材料。Cu的導(dǎo)電與導(dǎo)熱性比Al好，硬度、熔點、沸點比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合金類似，但其電阻率大、電阻溫度系數(shù)小。該類合金價格較貴。

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。該類合金價格很貴。

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)，體積會增大好幾個數(shù)量級，起著吹弧作用，且清潔觸點表面。但Cd及CdO蒸氣有毒，對人體健康有影響，因而AgCdO觸點材料必將會被逐漸淘汰。

AgW：該材料的性能與AgCdO類似。隨著W含量的增加，抗電弧磨損和抗熔焊能力增強，但導(dǎo)電性能有所下降。當(dāng)W含量在50%～80%時材料性能最佳，常用作大電流繼電器觸點的電接觸材料，主要用于重負(fù)載且開閉不頻繁的場合。

2 觸點間電動斥力的理論計算

2.1 模型的建立

為了計算繼電器觸點間的電動斥力，采用圖1所示的接觸導(dǎo)體模型。為了便于問題的處理，作以下假設(shè)[3]：

圖1 電流-電位場

(a)導(dǎo)體為非磁性材料；

(b)導(dǎo)體周圍為空氣；

(c)接觸面內(nèi)全部導(dǎo)電斑點集中在中心形成一個大的導(dǎo)電斑點；

(d)該導(dǎo)電斑點是一個超導(dǎo)小球，為一個等位體。

在假定條件下，觸點間收縮區(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超導(dǎo)小球中心的輻射狀直線。

2.2 電動斥力的推導(dǎo)

在圖1中，dr處導(dǎo)體元dα的磁場強度為：

設(shè)流過導(dǎo)體元dα的電流為dI，則dr環(huán)所受的電動力為：

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。由于電流線為對稱分布，平行分量互相抵消，剩下垂直分量，為：

而dI=Isinαdα，故

所以，觸點間的電動斥力為：

式中，A為導(dǎo)體截面半徑，a為接觸斑點半徑。

式（5）表明，觸點間的電動斥力只與觸點的最大導(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)的過渡情況無關(guān)。

接觸斑點半徑由赫茲公式導(dǎo)出：

式中，F(xiàn)為觸點的接觸壓力，R為觸點的球面半徑，E為彈性模量，ν為泊松比。

2.3 AgW觸點材料接觸斑點半徑的處理

本研究討論的是AgW觸點間的電動斥力，故只處理AgW觸點材料的接觸斑點。在AgW觸點材料中，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觸點間接觸力的計算

計算時，采用圖2所示典型的大功率繼電器觸點模型。在該模型中，觸點的接觸方式采用點接觸形式，取觸點壓力為2.5 N，觸點球面半徑20 mm，導(dǎo)體截面半徑3.5 mm，流過觸點的電流為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），得觸點間的電動斥力與W的含量的關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖2 典型的觸點模型

圖3 AgW觸點間的電動斥力與W含量的關(guān)系

由圖3看出，隨著W含量的增加，AgW觸點間的電動斥力變大，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間的接觸壓力（2.5 N）相比要小得多，幾乎可以忽略不計。

實際上，繼電器觸點不管是點接觸，還是線接觸、面接觸，其導(dǎo)電斑點往往有多個，故式（5）的使用受到限制。但是，式（5）作為估算觸點間電動斥力的上限值，特別是點接觸形式下的上限值，仍然是有用的。

在大功率繼電器中，有時為了減小觸點間的電動斥力，可以采用多觸點并聯(lián)結(jié)構(gòu)，電動斥力由每個觸點平均分?jǐn)?。也可以將觸點固定連接在由高彈性材料制成的連接零件上，且使電動斥力的方向與彈性零件由于形變產(chǎn)生彈力的方向相反，從而起到克服電動斥力的作用。

3 結(jié)論

（1）對兩相或多相機械混合的金屬復(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）分析計算表明，AgW觸點材料隨著W含量的增加，AgW觸點間的電動斥力變大；

（3）AgW觸點間的電動力總的來說不大，與接觸壓力相比可以忽略不計；

（4）觸點間的接觸斑點往往不是一個，故計算結(jié)果對估算觸點間的電動斥力上限值有指導(dǎo)意義；

（5）當(dāng)需要克服觸點間的電動斥力時，可以采用多觸點并聯(lián)結(jié)構(gòu)，或?qū)⒂|點固定連接在由高彈性材料制成的連接零件上。