第六章电接触理论

1、电 器 学,任万滨办公室：电机楼20027 联系电话：86412976email：,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

2、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 。 ieee holm conference on electrical contacts international conference on electrical contacts,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

3、、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

4、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，

5、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

6、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

7、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,6.4 j-q理论和接触电压,一

8、、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,6.4 j-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。,6.4 j-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,6.4 j-q理论和接触电压,二、 对称收缩区的j-q 理论,建立热平

9、衡方程,恒等式,高阶无穷小,6.4 j-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,6.4 j-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,6.4 j-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（s

10、eebeck）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。,6.4 j-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

11、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0.2-2ev 3、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

12、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

13、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

14、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

15、。,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

16、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

17、、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

18、 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、i i0，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