王燕兵　賴雅麗

摘 要：繼電器是車輛電器控制的重要控制元器件，其工作環(huán)境是瞬間大電流通過周期性閉合的觸點，由于接觸觸點間接觸電阻在閉合瞬間大電流的作用下產(chǎn)生焦耳熱，導(dǎo)致觸點極易發(fā)生熔焊的可能，嚴(yán)重影響繼電器的使用性能，危害行車安全，據(jù)統(tǒng)計觸點部分的故障率占到繼電器故障率的90%以上。揭示汽車?yán)^電器觸點瞬態(tài)接觸傳熱特性，對改善繼電器觸點觸點熔焊故障具有重要的現(xiàn)實意。本文采用分型接觸理論建立接觸電阻模型，綜合考慮觸點間接觸力、接觸面積及材料的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等，建立了繼電器觸點閉合瞬間大電流作用下的有限元模型，模擬計算觸點間的瞬態(tài)熱場分布，為改善繼電器觸頭熔焊現(xiàn)象提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：繼電器 接觸電阻 瞬態(tài)接觸 傳熱特性

Numerical Simulation Analysis of Transient Contact Heat Transfer Characteristics of Automobile Relay Contacts

Wang Yanbing Lai Yali

Abstract：Relay is an important control component for vehicle electrical control. Its working environment is that instantaneous high current passes through periodically closed contacts. The contact resistance between the contacts generates Joule heat under the action of the instantaneous high current closing， resulting in contacts. The possibility of welding is extremely prone to seriously affect the performance of the relay and endanger driving safety. According to statistics， the failure rate of the contact part accounts for more than 90% of the failure rate of the relay. Revealing the transient contact heat transfer characteristics of automotive relay contacts has important practical significance for improving the welding failure of relay contacts. This paper adopts the sub-type contact theory to establish a contact resistance model， comprehensively considers the contact force between the contacts， the contact area， the specific heat capacity and thermal conductivity of the material， etc.， establishes a finite element model under the action of a large current when the relay contacts are closed， and simulates the calculation of the contacts. The transient thermal field distribution provides theoretical support for improving the welding phenomenon of relay contacts.

Key words：relay， contact resistance， transient contact， heat transfer characteristics

繼電器廣泛應(yīng)用于大電流電器控制系統(tǒng)中。熱設(shè)計是密封繼電器中觸點接觸參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，穩(wěn)定的接觸條件是降低觸點接觸面產(chǎn)熱導(dǎo)致熔焊故障的關(guān)鍵，觸點吸和分?jǐn)噙M程中應(yīng)盡量減少接觸面間產(chǎn)熱，使觸點表面材料熔焊降低[1-2]。本文基于傳熱理論建立了觸點電熱耦合作用的數(shù)學(xué)模型著重分析繼電器觸點傳熱特性及溫度場分布的影響規(guī)律，為觸點間工藝改進提供理論支撐。

1 繼電器觸點電熱耦合數(shù)學(xué)模型

進程進程中繼電器觸點傳熱特性受材料性能、觸點間的接觸電阻、接觸行為等因素的影響。本文在深入分析觸點間的界面接觸電阻數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)理論進一步探究觸點間的電熱耦合作用。

圖1所示為繼電器觸點間接觸行為示意圖。為了建立吸和分?jǐn)噙^程電熱耦合模型明晰觸點間傳熱機制，作如下假設(shè)：①觸點材料各向同性;②忽略材料的氧化燒蝕作用;③忽略觸點本體電阻生熱。

利用焊接熱源的非線性瞬態(tài)熱傳數(shù)學(xué)模型描述繼電器觸點間傳熱，其方程為：

（1）

式中：Q-熱源;λ-導(dǎo)熱系數(shù)，w/（m·℃）;ρ-密度，kg/m3;C-比熱，J/（kg·℃）。

觸點間接觸形成的熱源Q，可由式（2）計算：

（2）

式中：I-電流，A;Rc-接觸電阻，Ω;Aa-觸點間接觸面積，m2;εf-觸點間接觸間隙，m;σ-電導(dǎo)率，Ω-1·m-1。

采用Hertz理論對觸點間接觸面積計算，見式（3）：

（3）

式中：F-電極夾持力N;R-半徑，m;ν-泊松比;E-彈性模量MPa;L-觸點間接觸長度，m。

觸點間的接觸電阻Rc，由文獻[3]提出的公式（4）計算：

（4）

式中：D-表面分形維數(shù);G為表面輪廓的形貌系數(shù);Г-伽馬函數(shù);m-放大倍數(shù)。

將式（2）、（3）、（4）代入公式（1）中，即可獲得觸點間分?jǐn)噙^程中溫度場分布。

由于上述建模過程中，部分相關(guān)參數(shù)如：λ、C、ν、E、D、G等需要通過實驗測量獲得導(dǎo)致模型數(shù)值計算存在困難。為此，本文利用模擬仿真和實驗驗證的方法，對分?jǐn)噙^程中觸點間的傳熱及溫度場分布規(guī)律進行分析研究。

2 仿真實驗與分析

2.1 有限元模型的建立及邊界設(shè)置

本文采用comsol有限元軟件對觸點間分?jǐn)噙M程中的電熱耦合作用進行分析計算，模型如圖2所示。觸點間采用細分網(wǎng)格的方法對接觸區(qū)域進行重點分析，采用表面阻抗的方法對接觸電阻進行設(shè)置。模型中，繼電器觸點尺寸根據(jù)實際參數(shù)設(shè)計，仿真計算選用材料的主要物理參數(shù)，如熱擴散系數(shù)、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)等，具體數(shù)據(jù)參見文獻[4]。

2.2 仿真結(jié)果分析

繼電器觸點電場分布是耦合了導(dǎo)電和材料變形的復(fù)雜非線性過程，且根據(jù)文獻[4]吸和分?jǐn)鄷r間僅為10μs、瞬時性強，觸點材料的相關(guān)物理性能參數(shù)均為隨溫度變化的特點，單純依靠理論計算或試驗的方法很難對繼電器觸點熔焊現(xiàn)象進行全面由深入的分析研究。本文采用comsol有限元計算方法綜合考慮如材料的熱物理性隨溫度變化、接觸電阻隨溫度變化及多物理場耦合等對觸點電場分布的影響。

由仿真結(jié)果可知：圖3橫截面電荷密度分布均、圖4橫截面電流密度分布，說明：電流密度沿接觸截面徑向的分布并不是一個固定值，也就是說是非均勻分布，整體呈現(xiàn)由中心向邊緣逐漸遞增的趨勢，而且在接觸的外邊緣區(qū)域相對較大，形成環(huán)狀較高電流密度分布，進而導(dǎo)致焦耳熱也將是環(huán)形熱源。

由仿真結(jié)果可知：接觸初始時除接面外溫升影響不大;在接觸面間短時間內(nèi)由于接觸電阻在電流的作用下產(chǎn)生的焦耳熱不斷溫升;接觸區(qū)域溫升與空間電荷密度分布云圖一致，同時由于接觸面間的接觸熱阻的存在導(dǎo)致熱量聚集在接觸面之間導(dǎo)致觸頭接觸面間材料達到熔點產(chǎn)生熔焊故障。

3 結(jié)論

本文在綜合分析觸點間接觸電阻形成機理的基礎(chǔ)上，提出觸點分?jǐn)噙M程中瞬態(tài)熱場的機-電-熱-固間耦合分析仿真方法，建立了觸點間分?jǐn)噙M程中接觸電阻產(chǎn)熱瞬態(tài)熱場數(shù)值模型。對工況電壓12V下觸點間熱場分布進行模擬求解得到了接觸面間接觸電阻產(chǎn)熱的接觸 面溫度場分布，揭示了觸點間材料熔焊機理，為進一步研究微觀接觸面間材料粘連導(dǎo)致熱場變化等問題提供理論支撐。

基金項目：貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究《汽車電磁繼電器觸點瞬態(tài)接觸行為及傳熱特性研究》

參考文獻：

[1]張鄭濱. 汽車?yán)^電器的發(fā)熱及散熱仿真技術(shù)研究[D].廈門理工學(xué)院，2020.

[2]呂樹遠.基于宏觀參數(shù)和微觀參數(shù)相關(guān)性分析的鐵路繼電器觸點性能研究[J].電器與能效管理技術(shù)，2020（04）：7-10+29.

[3]R.N. Raoelison，A. Fuentes.Modeling and numerical simulation of the resistance spot welding of zinc coated steel sheets using rounded tip electrode：Analysis of required conditions. Applied Mathematical Modelling，2014，2505-2521

[4]杜揚.微型繼電器觸點材料熔焊失效現(xiàn)象的實驗研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2019.