郭琳

摘 要： 汽車電器數(shù)量和電氣負荷逐漸增大，繼電器安全壽命的相關研究愈顯重要。其中電觸頭材料的侵蝕率是理解和評估繼電器性能和壽命的一個基本參數(shù)，研究在汽車14 V直流電源網(wǎng)下汽車繼電器觸頭的侵蝕率。為了提高銀觸頭耐腐蝕性和避免產(chǎn)生焊接，使用復合材料，設計了一維仿真模型計算觸頭材料的侵蝕率，并與實驗結(jié)果做對比。該研究對提高汽車繼電器電接觸材料的安全壽命有重要意義。

關鍵詞： 汽車繼電器； 銀觸頭； 侵蝕率； 材料相變； 安全壽命

中圖分類號： TN06?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）15?0120?03

Determination and study for erosion rate of automotive relay silver?based contact

GUO Lin1， 2

（1. Shangluo University， Shangluo 726000， China； 2. School of Electrical Engineering， Xian Jiaotong University， Xian 710049， China）

Abstract： Since the number of automotive electrical equipment and electrical load has been increased gradually， the study on relay safe life becomes more important. The erosion rate of electrical contact material is a basic parameter to evaluate the relay performance and its life time. The erosion rate of automotive relay contact under 14 V DC power supply is studied. To improve the erosion resistance of the silver contact and avoid generating welding， the one?dimensional simulation model was designed to calculate erosion rate of the contact material by using composite materials. The simulation results are compared with experimental results. This study has great significance to improve safe life of automotive relay contact material.

Keywords： automotive relay； silver contact； erosion rate； material phase change； safe life

0 引 言

繼電器是汽車電器中的常用開關控制裝置，是保障汽車安全、連續(xù)行駛的重要基礎電器元件。隨著安全性和舒適性的提高，汽車上繼電器的數(shù)目和電能需求日益增多[1]，對繼電器的技術指標和安全壽命提出了更高的要求。由于貴金屬在所有導電材料中化學穩(wěn)定性最好，同時具有良好的導電、導熱和力學性能，目前研制出來成規(guī)模生產(chǎn)的有4個系列：金基、銀基、鈀基和鉑基電接觸材料[2]。銀基電接觸材料有幾十種，可分為4個系列：Ag?C，Ag?MeO，Ag?Ni和Ag?WC系列，其中，Ag?MeO系在中低壓電器用電接觸材料中應用最廣泛[3]。

觸頭陽極與陰極的侵蝕率作為一個基本參數(shù)，用來測量斷路裝置的壽命。侵蝕率常見測量方法是通過電極測試前后的質(zhì)量來確定觸頭質(zhì)量變化。考慮到陽極與陰極之間的質(zhì)量轉(zhuǎn)移，實驗測試在14 V，40 A直流電下純銀觸頭的侵蝕率，然后借助于一維模型擴展到復合材料AgMeO。

1 實驗過程

1.1 測試設備和步驟

采用的實驗裝置是一個經(jīng)過改造和工業(yè)開關、繼電器類似的條件下完成觸頭開斷動作，它主要由電子模塊和步進電機組成。用數(shù)字示波器來讀取和存儲開斷期間的電弧電壓和電弧電流。此外，使用一個并行晶閘管確保電弧持續(xù)時間，這個組件在電弧產(chǎn)生后能夠在既定時間開啟并停止電弧放電，如圖1所示。

圖1 電弧形成電路簡圖

1.2 銀觸頭的侵蝕

實驗中檢測到多種弧長（1～2 000 μm），要求考慮不同區(qū)域的材料轉(zhuǎn)移[4]。在電弧持續(xù)過程中，電弧熄滅和電流過零的狀態(tài)下，陽極和陰極質(zhì)量變化由微測重量決定，并且測量次數(shù)平均超過3次。圖2顯示了不同弧長作用下銀觸頭的陰、陽極質(zhì)量變化。

圖2 不同弧長作用下銀觸頭的質(zhì)量轉(zhuǎn)化

2 理論分析與實驗結(jié)果

2.1 理論分析

電極表面吸收的熱通量主要分為陽極熱通量和陰極熱通量。對于陽極而言，熱量主要通過電子傳送，而對于陰極，金屬離子蒸發(fā)電離，將熱量向電極表面?zhèn)鬟f。陽極斑點收集電子列，JD Cobine和EE Burger早就給出了電極中陽極表面的熱通量等式，等離子體鞘層轉(zhuǎn)移到陰極表面的熱通量[Pion]可以表示為[5]：

[Pion=（1-s）×（Vc+Vi-?）×Jc] （1）

式中：[Vc]指的是陰極電壓降；[Vi]指電離能；[Jc]指陰極總電流密度；[s]表示產(chǎn)生電子通量的部分電流。

另外，電極和電弧交界表面上，會接收到熱通量，在電極材料上因熱量傳導、熔化、氣化而耗散。為了得到材料的“固體?液體?氣體”相變情況和每一個觸頭的溫度變化，用觸頭熱流通量對時間求導得到熱焓量。圖3描述了所用軸柱的幾何結(jié)構(gòu)，[Oz]為電極軸，當[t=0]的時候，熱流作用于[z=0]為圓心、[ra]為半徑的圓上。

圖3 作用于圓柱狀電極的熱通量

Rossignol描述了有關一維仿真的數(shù)值計算方法[6]。在3D軸對稱仿真模型中，能量沿著[Oz]和[Or]兩個方向傳輸。當[t=0時，]室溫下每一個點的特定熱焓為[H0，]然后隨著從圓面開始傳輸能量，[H]即為相繼得到的特定液化焓值和特定的汽化焓值，這樣得到液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的轉(zhuǎn)化時間，觸頭侵蝕率就可以表達為氣體體積量。然而，這種定義方法需要與實驗結(jié)果進行比較。研究范圍限于坐標[z=zm]和[r=rm，]這些表面的定義要求其坐標符合[H=H0]的條件。

2.2 實驗結(jié)果和討論

圖2顯示了在分離初期（幾微米）觸頭的侵蝕和材料轉(zhuǎn)換。通過顯微鏡觀測到的結(jié)果如圖4所示，1.7 μm的電弧作用于陽極、陰極斑點表面，得到直徑為109 μm的陽極侵蝕區(qū)域，91 μm的陰極侵蝕區(qū)域，對于這種觸頭分離值，不能僅考慮單一陰極斑點，應該考慮多斑點分布。表面上的差異是，所有陰極斑點侵蝕區(qū)域半徑不同，通過幾何分析，每1 A有40個發(fā)射斑點。對于分離距離較大的觸頭，理論上只考慮從40 A的侵蝕斑點開始計算。

圖4 陰極侵蝕區(qū)域圖

為了計算2.1部分定義的參數(shù)，根據(jù)圖2中顯示的實驗結(jié)果，陽極侵蝕量和陰極侵蝕量相同。當陽極斑點表面區(qū)域沒有在觸頭分離時變化，陽極參數(shù)可以由此假設推導出來，然后計算得出侵蝕量值。

3 AgMeO材料的應用

3.1 仿真

無論使用哪種加工過程，在銀基體中傳播的氧化物顆粒都是很小的幾微米，因為它們很小，或者和陰極弧根表面的尺寸相似，或者比陽極斑點區(qū)域小很多[7]。在本研究中，一維仿真就可以用來比較ZnO和CdO對銀的作用。首先，氧化物和銀的演變過程相似，當僅考慮氣化過程時，圖5從氣化速度和熱流密度兩個因素顯示了它們相同的動態(tài)。仿真結(jié)果展示了銀的獲取來自兩種氧化物，此外，和Ag，ZnO相比，CdO顯示了很小的熱流阻抗。

3.2 實驗結(jié)果比較

純銀材料和AgCdO，AgZnO的對比實驗結(jié)果如圖6所示。從圖5和圖6的實驗結(jié)果可以看到，在轉(zhuǎn)移材料的數(shù)量上和Ag，AgCdO相比，AgZnO表現(xiàn)出更低的轉(zhuǎn)移速率。

圖5 Ag，CdO和ZnO的氣化速度

圖6 不同弧長下材料的轉(zhuǎn)移變化

4 結(jié) 語

在14 V DC和40 A環(huán)境下，通過對Ag觸頭進行一維仿真，得到材料轉(zhuǎn)移及侵蝕率和實驗結(jié)果一致性很高。為了提高材料抗熔焊性能，把如今因環(huán)境要求被禁止的金屬氧化物ZnO和CdO添加到電極觸頭的Ag基體中。本文的一維仿真計算得到ZnO和CdO的氣化速度，可以作為分析復合材料AgMeO性能的重要因素。

參考文獻

[1] 溥存繼，謝明，杜文佳，等.貴金屬基電接觸材料的研究進展[J].材料導報，2014（7）：22?25.

[2] 馬榮駿.銀基電接觸材料研究與應用的進展[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金，2008（4）：28?36.

[3] 李震彪，黃良，吳細秀，等.42 V汽車繼電器觸點電弧特性[J].低壓電器，2007（15）：1?4.

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[5] 王道泳，馬錦秀，李毅人，等.等離子體中熱陰極鞘層的結(jié)構(gòu)[J].物理學報，2009（12）：8432?8439.

[6] ROSSIGNOL J， ABBAOUI M， CLAIN S. Numerical modelling of thermal ablation phenomena due to a cathodic spot [J]. Journal of Physics D： Applied Physics， 2000， 33（16）： 2079?2086.

[7] 榮命哲，王其平.銀金屬氧化物（AgMeO）觸頭材料表面動力學特性的研究[J].中國電機工程學報，1993（6）：29?34.