接触电阻的产生机理及其避免措施

1 机电工程系 毕业 设计说明书 课题 : 接触电阻的产生机理 及其避免措施 2 目 录 摘要 5 关键词 5 引言 5 第一章 接触器 6 6 7 8 9 第二章 接触电阻 10 10 中电阻 10 层电阻 10 11 14 14 14 15 15 15 15 结束语 16 总结 18 附录一：参考文献表 19 致谢 20 3 摘要 采用 逻辑分析法，举例法，等研究方法对接触电阻的产生和接触电阻的避免措施进行研究。结果表明：接触电阻的产生 与接触形式，接触压力，表面光洁度，温度，接触材料，使用电压电流等有关。 就接触形式而言点 接触时接触的点多 则接触电阻 大。面接触则 相反。 接触电阻 随接触压力的增大而减少。接触表面越光洁电阻接越小。温度同接触电阻成反比。触点的的材料选取是电阻率越小越好一般都是使用铜。 关键词 接触电阻 接触器 电流 电压 引言 目前接触器之类的器件使用非常的广泛。人们在使用时也很容易忽视接触电阻的存在以及它的危害。 在理想情况下，触点闭合使 其接触 电阻为零，触点断开使 其接触电阻为无穷大，在 的 闭合 过程中接触电阻瞬时由无穷 大变为零，在断开过程中接触电阻就是由零变为无穷大。但实际上在 状态 闭合 时耦合触点间有 接触电阻存在，若电阻太大，就可能导致被控制电路压降过大或电路不通，在断开状态时要求触点间有一定的绝缘电阻 存在。若绝缘电阻不足就可能导致击穿放电，致使被控电路导通。在闭合 过程 中有触点弹跳现象，破坏触点的可靠闭合 。在断开过程中可能产生电弧破坏触点 。 所以应尽量避免接触电阻 。 4 第一章 接触器 途和 结构 接触器是一种自动化的控制电器。接触器主要用于频繁接通或分断交、直流电路，具有控制容量大，可远距离操作，配合继电器可以 实现定时操作，联锁控制，各种定量控制和失压及欠压保护，广泛应用于自动控制电路，其主要控制对象是电动机，也可用于控制其它电力负载，如电热器、照明、电焊机、电容器组 等。 接触器按被控电流的种类可分为交流接触器和直流接触器。这里主要介绍常用的交流接触器。交流接触器又可分为电磁式和真空式两种。 电磁式交流接触器的结构和工作原理 结构： 接触器主要由电磁系统、触点系统、灭弧系统及其它部分组成。 电磁系统：电磁系统包括电磁线圈和铁心，是接触器的重要组成部分，依靠它带动触点的闭合与断开。 触点系统：触点是接触器的执行部分，包括主触点和辅助触点。主触点的作用是接通和分断主回路，控制较大的电流，而辅助触点是在控制回路中，以满足各种控制方式的要求。 灭弧系统：灭弧装置用来保证触点断开电路时，产生的电弧可靠的熄灭，减少电弧对触点的损伤。为了迅速熄灭断开时的电弧，通常接触器都装有灭弧装置，一般采用半封式纵缝陶土灭弧罩，并配有强磁吹弧回路。 其它部分：有绝缘外壳、弹簧、短路环、传动机构等。 5 触器实物图 图（ 1） 6 流接触器的工作原理 交流接触器广泛用作电力的开断和控制电路。 交流接触器利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。 主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。 交流接触器的接点，由银钨合金制成，具有良好的导电性和耐高温烧蚀性。 交流接触器的动作动力来源于交流电磁铁，电磁铁由两个“山”字形的幼硅钢片叠成，其中一个固定，在上面套上线圈，工作电压有多种供选择。为了使磁力稳定，铁芯的吸合面，加上短路环。交 流接触器在失电后，依靠弹簧复位。 另一 半是活动铁芯，构造和固定铁芯一样，用以带动主接点和辅助接点的开断 。 20 安培以上的接触器加有灭弧罩，利 用断开电路时产生的电磁力，快速拉断电弧，以保护接点。 交流接触器 作为一个整体，外形和性能也在不断提高，但是功能始终不变。无论技术的发展到什么程度，普通的交流接触器还是有其重要的地位。 7 流接触器的工作 原理图 4 532126 2421 22 232725 9 8761015171312111416图（ 2） 交流接触器的工作原理如图 （ 2） 所示。当交流接触器电磁系统中的线圈 6、7间通入交流电流以后，铁心 8被磁化，产生大于反力弹簧 10弹力的电磁力，将钎铁 9吸合。一方面，带动了动合主触点 1、 2、 3的闭合，接通主电路；另一方面，动断辅助（在 4和 5处）首先断开，接着，动合辅助触点（在 4和 5处）闭合。当线圈断电或外加电压太低时，在反力弹簧 10的作用下衔铁 释放，动 合主触点断开，切断主电路；动合辅助触点首先断开，接着，动断触点恢复闭合。图中， 111 8 第二章 接触电阻 触电阻的产生 接触，对导体件呈现的电阻成为接触电阻。 一般要求接触电阻在 10 以下。 有的开关则要求在 100下。有些电路对接触电阻的变化很敏感。 应该指出， 开关的接触电阻是在开关在若干次的接触中的所允许的接触电阻的最大值。 作用原理 ： 在显微镜下观察连接器接触件的表面，尽管镀金层十分光滑，则仍能观察到5米的凸起部分 。会看到插合的一对接触件的接触，并不 是 整个接触面的接触，而是散布在接触面上一些点的接触。实际接触面必然小于理论接触面。根据表面光滑程度及接触压力大小，两者差距有的可达几千倍。实际接触面可分为两部分；一是真正金属与金属直接接触部分。即金属间无过渡电阻的接触微点，亦称接触斑点，它是由接触压力或热作用破坏界面膜后形成的。部分约占实际接触面积的 5二是通过接触界面污染薄膜后相互接触的部分。因为任何金属都有返回原氧化物状态的倾向。实际上，在大气中不存在真正洁净的金属表面，即使很洁净的金属表面，一旦暴露在大气中 ，便会很快生成几微米的初期氧化膜层。例如铜只要 2钟，镍约 30 分钟，铝仅需 2钟，其表面便可形成厚度约 2微米的氧化膜层。即使特别稳定的贵金属金，由于它的表面能较高，其表面也会形成一层有机气体吸附膜。此外，大气中的尘埃等也会在接触件表面形成沉积膜。因而，从微观分析任何接触面都是一个污染面。 综上所述，真正接触电阻应由以下几部分组成； 中电阻 电流通过实际接触面时，由于电流线收缩（或称集中）显示出来的电阻。将其称为集中电阻或收缩电阻。 层电阻 由于接触 表面膜层及其他污染物所构成的膜层电阻。从接触表面状态分析；表面污染膜可分为较坚实的薄膜层和较松散的杂质污染层。故确切地说，也可把 9 膜层电阻称为界面电阻。 体电阻 实际测量电连接器接触件的接触电阻时，都是在接点引出端进行的，故实际测得的接触电阻还包含接触表面以外接触件和引出导线本身的导体电阻。导体电 阻主要取决于金属材料本身的导电性能，它与周围环境温度的关系可用温度系数来表征。 为便于区分，将集中电阻加上膜层电阻称为真实接触电阻。而将实际测得包含有导体电阻的称为总接触电阻。 在实际测 量接触电阻时，常使用按开尔文电桥四端子法原理 设计的接触电阻测试仪（毫欧计），其专用夹具夹在被测接触件 两端，故实际测量的总接触电阻由下式表示： R= 中： 集中电阻； 膜层电阻； 导体电阻。 接触电阻检验目的是确定电流流经接触件的接触表面的电触点时产生的电阻。如果有大电流通过高阻触点时，就可能产生过分的能量消耗，并使触点产生危险的过热现象。在很多应用中要求接触电阻低且稳定，以使触点上的电压降 到不致影响电路状况的精度。 测量接触电阻除 用毫欧计外 ,也可用伏 安培 在连接微弱信号电路中，设定的 条件对接触电阻检测结果有一定影响。因为接触表面会附有氧化层，油污或其他污染物，两接触件表面会产生膜层电阻。由于膜层为不良导体，随膜层厚度增加，接触电阻会迅速增大。膜层在高的接触压力下会机械击穿，或在高电压、大电流下会发生电击穿。但对某些小型连接器设计的接触压力很小，工作电流电压仅为 层电阻不易被击穿，接触电阻增大可能影响电信号的传输。 在 子设备用机电元件基本试验规程及测量方法” 中的接触 电阻测试方法之一，“接触电阻 规定，为防止接触件上膜层被击穿，测试回路交流或直流的开路峰值电压应不大于 20流或直流的测试中电流应不大于 100 在 连接器试验方法” 中规定有“低电平接触电阻” 和“接触电阻” 两种试验方法。其中低电平接触电阻试验方法基本内容与上述 0 中的接触电阻 的是评定接触件在加上不改变物理的接触表面或不改变可能存在的不导电氧化薄膜的电压和电流条件下的接触电阻特性。所加开路试验电压不超过 20验电流应限制在 100这一电平下的性能足以表现在低电平电激励下的接触界面的性能。而接触电阻试验方法目的是测量通过规定电流的一对插合接触件两端或接触件与测量规之间的电阻。 通常采用这一试验方法施加的规 定电流要比前一种试验方法大得多。如国 标 圆形快速分离耐环境电连接器总规范”中规定；测量时电流为 1A，接触对串联后，测量每对接触对的电压降，取其平均值换算成接触电阻值。 影响因素 主要受接触件材料、正压力、表面状态、使用电压和电流等因素影响。 接触件材料 电连接器技术条件对不同材质制作的同规格插配接触件，规定了不同的接触电阻考核指标。如小圆形快速分离耐环境电连接器总规范 定，直径为 1合金 5铁合金 15 正压力 接触件 的正压力是指彼此接触的表面产生并垂直于接触表面的力。随正压力增加，接触微点数量及面积也逐渐增加，同时接触微点从弹性变形过渡到塑性变形。由于集中电阻逐渐减小，而使接触电阻降低。接触正压力主要取决于接触件的几何形状和材料性能。 表面状态 接触件表面一是由于尘埃、松香、油污等在接点表面机械附着沉积形成的较松散的表膜，这层表膜由于带有微粒物质极易嵌藏在接触表面的微观凹坑处，使接触面积缩小，接触电阻增大，且极不稳定。二是由于物理吸附及化学吸附所形成的污染膜，对金属表面主要是化学吸附，它是在物理吸附后伴随电子迁 移而产生的。故对一些高可靠性要求的产品，如航天用电连接器必须要有洁净的装配生产环境条件，完善的清洗工艺及必要的结构密封措施，使用单位必须要有良好的贮存和使用操作环境条件。 11 使用电压 使用电压达到最大 值，会使接触件膜层被击穿，而使接触电阻迅速下降。但由于热效应加速了膜层附近区域的化学反应，对膜层有一定的修复作用。于是阻值呈现非线性。在 最大 值电压附近，电压降的微小波动会引起电流可能二十倍或几十倍范围内变化。使接触电阻发生很大变化，不了解这种非线 性 ，就会在测试和使用接触件时产生错误。 电流 当 电流超过一定值时，接触件界面微小点处通电后产生的焦耳热 作用而使金属软化或熔化，会对集中电阻产生影响，随之降低接触电阻。 问题研讨 低电平接触电阻检验 考虑到接触件膜层在高接触压力下会发生机械击穿或在高电压、大电流下会发生电击穿。对某些小体积的连接器设计的接触压力相当小，使用场合仅为 ，膜层电阻不易被击穿，可能影响电信号的传 输。国标 连接器试验方法中规定了两种试验方法。即低电平接触电阻试验方法和接触电阻试验方法。其中低电平接触电阻试验目的是评定接触件在加上不能改变物理的接触表面或不改变可能存在的不导电氧化簿膜的电压和电流条件下的接触电阻特性。所加开路试验电压不超过 20试验电流应限制在 100这一电平下的性能足以满足以表现在低电平电激励下的接触界面的性能。而接触电阻试验目的是测量通过规定电流的一对插合接触件两端或接触件与测量规之间的电阻 ,而此规定电流要比前者大得多，通常规定为 1A。 单孔分离力检验 为确保接触件插合接触可靠，保持稳定的正压力是关键。正压力是接触压力的一种直接指标，明显影响接触电阻。但鉴于接触件插合状态的正压力很难测量，故一般用测量插合状态的 接触件由静止变为运动的单孔分离力来表征插针与插孔正在接触。通常电连接器技术条件规定的分离力要求是用实验方法确定的，其理论值可用下式表达。 F= 式中 为摩擦系数。 12 由于分离力受正压力和摩擦系数两者制约。故决不能认为分离力大，就正压力大接触可靠。现在随着接触件制作精度和表面镀层质 量的提高，将分离力控制在一个恰当的水平上即可保证接触可靠。实践 发现，单孔分离力过小，在受振动冲击载荷时有可能造成信号瞬断。用测单孔分离力评定接触可靠性比测接触电阻有效。因为在实际检 验中接触电阻件很少出现不合格，单孔分离力偏低超差的插孔，测量接触电阻往往仍合格。 响接触电阻的因素 接触电阻由两部分组成，即收缩电阻和表面膜电阻。收缩电阻是电流在流经电接触区域时，从原来截面较大的导体突然转入截面很小的接触点，电流发生剧烈收缩现象，此现象所呈现的附加电阻称为收缩电阻。表面膜电阻为在电接触的接触面上，由于污染而覆盖着一层导电性很差的物质，这就是接触电阻的另一部分 膜电阻。很多现场勘查人员对插片、插座烧毁的痕迹习惯归结为接触不良、接触电阻过大所致，其实导致接触电阻增 大有很多原因。 接触电阻的形式可分为三类：点接触、线接触和面接触。接触形式对收缩电阻的影响主要表现在接触点的数目上。一般情况下，面接触的接触点数最大而最小；点接触则最小，最大；线接触则介于两者之间。接触形式对膜电阻的影响主要是看每一个接触点所承受的压力。一般情况下，在对触头外加压力相同的情况下，点接触形式最小，单位面积承受压力最大，容易破坏表面膜，所以有可能使减到最小；反之，面接触的就最小，对的破坏力最小，值有可能最大。在实际情况中，需要综合 以上两个因素，对接触电阻的大小进行具体的分析判断。 接触压力对收缩电阻值和表面膜电阻值的影响最大，的增加使接触点的有效接触面积增大，即接触点数增加，从而使减小。当加大超过一定值时，可使触头表面的气体分子层吸附膜减少到个；当超过材料的屈服压强时，产生塑性变形，表面膜被压碎出现裂缝，从而增加了接触面积，这就使收缩电阻因表面膜电阻的减小而下降，和同时减小，从而 13 使接触电阻大大下降。相反，当接触不到位、接触触头失去了弹性变形等原因使接触压力下降时，接触面 积减小，收缩电阻增大，表面膜电阻受的破坏作用减弱或不受其影响，从而使表面膜电阻增大。同时因增大，使接触面积减小，从而使增大，二者的综合作用使接触电阻整体上升。 表面的光洁度 接触表面的光洁度对接触电阻有一定的影响，这主要表现在接触点数的不同。接触表面可以是粗加工、精加工，甚至是采用机械或电化学抛光。不同的加工形式直接影响接触点数的多少，并最终影响接触电阻的大小。 阻在长期工作中的稳定性 电阻接触在长期工作中要受到腐蚀作用： 化学腐蚀。电接触的长期允许温 度一般都很低，虽然接触面的金属不与周围介质接触，但周围介质中的氧会从接触点周围逐渐侵入，并与金属起化学作用，形成金属氧化物，从而使实际接触面积减小，使增加，接触点温度上升。温度越高，氧分子的活动力越强，可以更深地侵入到金属内部，这种腐蚀作用变得更为严重； 电化学腐蚀。不同的金属构成电接触时，能够发生这种腐蚀。它使负极金属溶解到电解液中，造成负电极金属的腐蚀。 当接触点温度升高时，金属的电阻率就会有所增大，但材料的硬度有所降低，从而使接触点的有效面积增大。前者使增大，后者使减小，结 果是两者互为补偿，故接触电阻变化甚微。但是，发热使接触面上生成氧化层薄膜，增加了接触电阻，这种接触电阻可成百成千倍地增大。其氧化速度与触头表面温度有关，当发热温度超过某一临界温度时，这个过程就会加速进行，这就限制了接触面的极限允许温度。否则，则将使接触电阻剧增，会引起恶性循环。另外，当发热温度超过一定值时，弹簧接触部分的弹性元件会被退火，使压力降低，也会使接触电阻增加，恶性循环加剧，最后会导致连接状态遭到破坏。 构成电接触的金属材料的性质，直接影响接触电阻的大小，比如：电阻率、材料 的布氏硬度、材料的化学性质、材料的金属化合物的机械强度等。 14 以我国普遍使用的铜为例，铜有良好的导电和导热性能，其强度和硬度都比较高，熔点也较高，易于加工。因此铜线接头在接触良好的情况下，温度低于无接头部位的温度；但在高温下，其在大气或变压器油中也能氧化，生成氧化铜 ，其导电性很差，氧化膜厚度随着时间和温度的增加而不断地增加，接触电阻也成倍地增加，有时甚至使用闭合电路出现断路现象。因此铜不适合于做非频繁操作电器的触头材料，对于频繁操作的接触器，电流大于时，氧化膜在开闭时产生电弧的高温作用下分解，可采用 铜触头。从整体减小接触电阻的角度看，可在铜上镀银、镶银或锡，后两者的优点是及值小，氧化膜机械强度很低，因此铜件上采取此措施可减小。 触电阻 的避免 接触电阻在断开过程中可能产生电弧破坏触点可靠断开。导致被控制电路压降过大或电路不通因此我们应尽量避免接触电阻的产生。 就上述接触电阻是分为多个反面产生的而言，其避免措施也应该分多个方面。 材料 综合经济 和可靠性来说铜合金比较适合。 如果是银的话自身的电阻虽小但不经济不太现实。 压力 接触件的正压力是指彼此接触的表面产 生并垂直于接触表面的力。随正压力增加，接触微点数量及面积也逐渐增加，同时接触微点从弹性变形过渡到塑性变形。 由于集中电阻逐渐减小，而使接触电阻降低。 表面状态 在空 气中触点表面会被氧化形成膜电阻，触点