第六章电接触理论.ppt

电器学,任万滨办公室：电机楼20027联系电话：86412976mail：renwanbin,第六章电接触理论,6.1概述,1、电接触的定义：电导体间的接触处。常常是信号或电能传送的主要障碍。,2、电接触的结构类型固定接触：螺栓连接或铆接。滚动和滑动接触：电机的滑环与电刷；可分、合接触：触头或触点；,3、电接触的要求：长期通过额定电流，温升不超标且保持稳定；短时通过短路电流，不发生熔焊或松弛；可分合接触在开断过程中，触头材料损失小；可分合接触在闭合过程中，不发生熔焊，损伤、变形。,第六章电接触理论,6.1概述,4、电接触理论的研究内容：接触电阻的计算电接触稳态热效应电接触暂态热效应触头间的电弧现象触头电磨损电接触材料的研制,5、电接触学科的形成与发展：德国人R.Holm1941年写成电接触技术物理，表示该学科已经有了一个雏形。IEEEHolmConferenceonElectricalContactsInternationalConferenceonElectricalContacts,第六章电接触理论,6.2电接触内表面的物理图景,一、平面的凸凹不平（加工工艺的影响）,抛光：起伏小,磨光：起伏大；局部密集小起伏,车光：起伏大；相对均匀,玻璃表面,第六章电接触理论,6.2电接触内表面的物理图景,二、实际接触的描述,表面接触面As,轮廓面An,支承接触面At,真正接触面Aw：斑点,第六章电接触理论,6.3接触电阻的理论和计算,一、接触电阻的产生,Holm对于接触电阻的解释,接触电阻的组成：收缩电阻+膜电阻,第六章电接触理论,6.3接触电阻的理论和计算,二、收缩电阻的物理模型（椭圆模型）,假定：（1）接触面导电斑点为圆形，半径为a，且a为常数。（2）斑点a之间有足够大间距，以致斑点间电流-电位场互不干扰。（3）接触元件中，收缩区完全对称。,恒定电场与介质中静电场的相似关系,-导电媒质中的电导、电导率-介质中相同场的电容、介电常数,第六章电接触理论,6.3接触电阻的理论和计算,二、收缩电阻的物理模型,孤立斑点a总收缩电阻的理论公式为,-接触元件材料的电阻率-导电斑点的半径,物理意义：收缩电阻的本质就是金属电阻，大小与材料电阻率成正比，与导电斑点的直径成正比。多斑点情况下的计算：并联关系,第六章电接触理论,6.3接触电阻的理论和计算,二、收缩电阻的物理模型（球形模型）,半径为bu的微小接触球等效接触斑点,半径为r，厚度为dr的半球电阻值为,整个半球壳的电阻为,收缩电阻应为,第六章电接触理论,6.3接触电阻的理论和计算,三、膜电阻,电流在金属导体中是通过自由电子的定向运动传导的。电子松散地结合在晶体内部，仅需相当小的电场就能使其运动。,在接触部位，参与载流的电子必须从一个导体中逸出而进入另一个导体中去。,导体表面的微观组织和表面膜的厚度对此影响巨大。,第六章电接触理论,6.3接触电阻的理论和计算,三、膜电阻,氧化膜的形成：在金属纯净的表面上，通过吸附首先形成氧分子的单分子层（物理吸附）。由于氧电子的亲和力，氧分子的单分子层经短时间后分解成原子，与此同时，又俘获到从金属晶格中逸出的两个电子（化学吸附），氧原子电离成负的氧原子，而金属正离子却留在晶格中。经过这种电荷交换，就在金属表面产生107V/cm数量级的电场，其结果是使金属离子脱离金属晶格并与氧离子结合成金属氧化物。,第六章电接触理论,6.3接触电阻的理论和计算,三、膜电阻（利与弊）,绝缘膜：电阻率大，厚度较厚。氧化膜、硫化膜、聚合物膜、颜色昏暗,表面膜生长的影响因素,导电膜：电阻率低，厚度较薄。机理为隧道效应，又称吸附膜。,材料的种类金：不易氧化，但分子亲和力大，易冷焊；银：不易氧化，易硫化，铜：氧化暗膜,第六章电接触理论,6.3接触电阻的理论和计算,三、膜电阻,时间因素与温度因素,其他情况：铜、铝和不锈钢、钨、有机膜和水膜,第六章电接触理论,6.3接触电阻的理论和计算,三、膜电阻,膜电阻的计算公式,-膜的隧道电阻率（面电阻率）,膜的熔解与机械破坏,临界电压A类熔解B类熔解,第六章电接触理论,6.3接触电阻的理论和计算,四、接触电阻的计算公式,形式1,难点：n和ap的确定,形式2,-弹性模量,-球的半径,弹性变形,塑性变形,实际情况,-0.3，1,第六章电接触理论,6.3接触电阻的理论和计算,四、接触电阻的计算公式,-接触力,-接触材料电阻率和硬度的函数,-接触形式点接触0.5；线接触0.7；面接触1,第六章电接触理论,6.3接触电阻的理论和计算,四、接触电阻的计算公式,接触电阻和接触力关系的实验取对数后力和接触电阻之间的直线关系；直线的截距可求得K值，斜率可求得m值；电阻率和硬度大，表面氧化，曲线越高；可解决两类问题已知接触力，确定接触电阻；已知接触电阻，确定接触力,6.4j-q理论和接触电压,一、研究的目的,确定导电斑点的最高温升及收缩区的温升分布,斑点尺寸小，分布内表面，使得测量困难,6.4j-q理论和接触电压,二、对称收缩区的j-q理论,几点假定：接触内表面斑点间相距很远，之间的电位场和温度场不影响；接触元件材料相同，且为均质；忽略热电效应（帕尔帖效应）；两收缩区对称，元件间没有传热。,6.4j-q理论和接触电压,二、对称收缩区的j-q理论,导电斑点电位j=0，q=qm等位面收缩区外j=1/2Uj，q=q0等位面取半椭球壳，内层j，q，外层j+dj,q+dq,发热量,传入量,传出量,6.4j-q理论和接触电压,二、对称收缩区的j-q理论,建立热平衡方程,恒等式,高阶无穷小,6.4j-q理论和接触电压,三、j-q关系的应用,热导率和电阻率的确定,魏德曼弗朗兹定律：自由电子对热导率的贡献和对电导率的贡献之比满足,-罗伦兹系数,因此,6.4j-q理论和接触电压,三、j-q关系的应用,收缩区内沿热流方向的温度分布,接触元件收缩电阻,斑点a到j收缩电阻,6.4j-q理论和接触电压,四、焦耳热对收缩电阻的影响,-0时的冷态收缩电阻,-收缩电阻温度系数,五、非对称接触材料收缩区特性,帕尔帖（Peltier）效应：两种不同的金属相互接触，当电流流过接触处时，电子在电场的影响下将释放（或吸取）能量，表现为在接触处放热（或吸热）。塞贝克（Seebeck）效应：假定在两种不同金属导体接触的回路中，加热导体两端部接触处，使其保持不同的温度，则在此导体回路中会产生一定的热电势。,6.4j-q理论和接触电压,六、清洁对称接触的R-U特性,清洁交叉铜棒的R-U特性,试验条件：改变电流I，测量接触电压Uj和电流I，可以得到接触电阻Rj与接触电压Uj之间的关系。解释说明：ab段：电流增加，温度升高，收缩电阻增大；bc段：达到材料的软化点，接触面积增大，接触电阻显著减小；cd段：曲线上升规律同ab段；de段：达到材料的熔化点，斑点处熔为一体；ef段：减小电流，电阻减小。规律与ab段相同。,6.5接触导体温度温升分布与接触点最高温升计算,分析目的：分析收缩区外沿导体轴向的温度分布，导出计算斑点a实有的温度公式。传热机理分析与建模：可等效为一维场问题；,接触导体系统温度分布的模型,-x=0处的导体温升,无限远处的导体温升,为确定，建立热平衡方程,得,6.5接触导体温度温升分布与接触点最高温升计算,根据叠加原理，接触内表面斑点a的最高温升为斑点超温与收缩区边界之和。,6.6电接触的机械效应,6.6电接触的机械效应,一、“干触头”的冷焊,1、定义：未通电的闭合触头在室温下出现的粘结现象。,2、共价约束3-8eV和金属约束0.2-2eV3、硬金属W与软金属Cu、Ag的冷焊差别4、金属的汽化热与硬度的正比例关系5、冷焊触头的分断面6、润滑条件对于冷焊的影响7、对于电器触头的利与弊：开关触头和导线连接,6.6电接触的机械效应,二、滑动接触的摩擦和磨损,1、两种典型的微观凸丘接触,2、与磨损相关的因素,6.6电接触的机械效应,三、触头闭合时的撞击产生的机械磨损,1、研究意义,2、机理分析,3、措施：水膜；润滑剂；气吹；真空,6.6电接触的机械效应,四、触头闭合过程的振动分析,1、研究意义熔焊烧蚀，减少消除,2、机理分析,3、无危险振动：触头第一次碰撞后反跳的最大距离限制到小于触头的变形距离，即,6.6电接触的机械效应,四、触头闭合过程的振动分析,触头振动弹开距离与时间的关系,触头振动过程典型示波图,6.6电接触的机械效应,四、触头闭合过程的振动分析,触头振动弹开距离与时间的关系,触头振动过程典型示波图,6.6电接触的机械效应,四、触头闭合过程的振动分析,触头碰撞前后的能量平衡为,-塑性变形消耗的能量,如果令,-触头材料的弹性系数。0，1取值,-触头材料的恢复系数,6.6电接触的机械效应,四、触头闭合过程的振动分析,第一次反跳最大距离的确定？,-弹簧储存的能量,当时，对应的时间为,将代入整理,6.6电接触的机械效应,四、触头闭合过程的振动分析,相关因素：,6.7触头间的电动斥力和静电吸力,一、触头间的电动斥力,1、假定：接触面只有一个接触斑点；导电斑点是一个超导小球；,触头间电动斥力图解,假定的电流-电位场,6.7触头间的电动斥力和静电吸力,一、触头间的电动斥力,2、分析求解令导电斑点超导小球的半径为b；圆柱形接触导体的截面半径为B；取距中心夹角为a处的一个无限薄的锥形导体元da，则距离中心r处的无限小段dr的电动力,假定的电流-电位场,式中,分解为平行和垂直接触面两个分量,6.7触头间的电动斥力和静电吸力,一、触头间的电动斥力,3、结论触头间的电动斥力与触头的最大导电截面和最小导电截面有关，而与电流收缩区内过渡的情况无关；大功率电器为减小电动斥力，常采用多触头并联结构。,二、静电斥力等电位面间形成电容，充电后会产生静电斥力。,交叉棒接触横截面图,交叉棒接触平面接触,6.8触头熔焊与焊接力,一、熔焊,1、定义：金属通过熔融而焊接的现象。,6.8触头熔焊与焊接力,二、静熔焊与短路电流的关系,铜触头熔化电流与通电时间的关系,触头上加以压力，当通过的电流达到一定值时，触头的接触电阻下降，接触表面开始出现熔化痕迹，此时的电流称为开始熔化电流。由图可见，通电时间1s时，时间越长，Irh越小，通电时间1s后，Irh几乎不随通电时间的增长而减小。,触头的热稳定问题可按稳态处理j-q理论也适用,6.8触头熔焊与焊接力,三、动熔焊过程,a预击穿产生电弧,b接触并开始反跳,c接触面分离产生电弧,d重新闭合,e闭合后焊接在一起,6.8触头熔焊与焊接力,四、触头焊接力,1、定义焊接力=熔焊面积抗拉刚度2、熔焊面积与电阻率和熔点的关系3、焊接力的随机性性质4、真空中的熔焊与膜电阻的优点5、措施,采用电阻率小，抗拉强度小和熔点高的材料在材料中加入少量其他元素，使熔焊处最后的凝固面变成强度较低的脆性材料。减小触头振动,6.9触头的质量转移和磨损,一、电磨损,根据试验结果发现，电流只要超过I00时，就会出现不同的电磨损现象。,电弧磨损,金属桥磨损,电流大于最小生弧电流I0,+,6.9触头的质量转移和磨损,二、金属桥磨损,1、负电阻性质，类似电弧。,2、贵金属难生成（mm），普通金属易生成（mm）。,3、温度分布不对称，由此决定了材料转移方向。,金属桥的形成与断开,6.9触头的质量转移和磨损,二、金属桥磨损,4、措施,6.9触头的质量转移和磨损,三、电弧磨损,1、I00II0，UU0阳极电弧，短弧发生机理：放电时触头间隙极短，从阴极发射出来的大量电子很少碰到气体分子直接打入阳极，由阳极蒸发的金属蒸汽落在阴极表面上凝结，材料由阳极转移至阴极。,2、II0，UU0阴极电弧发生机理：电弧拉长，阳极斑点直径大于阴极斑点直径，散热条件得到改善，阴极气化速度比阳极高，材料由阴极转移至阳极。,6.9触头的质量转移和磨损,三、电弧磨损,3、II0，U很高火花放电，阴极磨损,4、II0，UU0阴极电弧增强，发生机理：阳极压降增大，大量电子高速打入阳极使阳极气化速度增高，合成效应使阳极磨损。,5、II0，UU0喷溅发生发生机理：电弧两极斑点的电流密度大，温度高，弧根处附近的触头材料大量气化，熔化的金属被强烈的气流和电动力吹离触头。,6.9触头的质量转移和磨损,触头不同磨损形式的划分,6.10触头材料简介,6.10触头材料简介,一、纯金属材料,1、银Ag,1.1物理性能参数,6.10触头材料简介,一、纯金属材料,1、银Ag,1.2化学性能及应用不宜氧化，易硫化，生成浅褐色至黑色的硫化银；易加工，适用于各种焊接覆层方法；电导率最高，价格最便宜的贵金属；银镀层可用于端子连接器、接插件接点、光电开关和结构元件，以及高频开关和结构元件。整体或覆层的银触头铆钉可用于继电器、辅助电流开关和电器开关。缺点：易硫化、硬度低、易冷熔焊，材料有转移倾向。,6.10触头材料简介,一、纯金属材料,2、金Au,2.1物理性能参数,6.10触头材料简介,一、纯金属材料,2、金Au（Karat含金量的百分率；净重1K=0.2g）,2.2化学性能及应用化学性质稳定，不氧化，接触电阻稳定；价格贵，易产生冷焊、变形和磨损；纯金很软，一般用于触头镀层。,3、铜Cu,导电导热性能好；硬度和强度大，熔点高，价格低；易氧化，较少做触头材料。,6.10触头材料简介,一、纯金属材料,4、铂Pt,导电导热性较差，化学性能稳定，接触电阻稳定；价格贵，易产生金属桥；易生成有机膜。,5、钨W