第六章電接觸理論

1、電 器 學,任萬濱辦公室：電機樓20027 聯(lián)系電話：86412976email：,第六章 電接觸理論,6.1 概述,1、電接觸的定義：電導體間的接觸處。常常是信號或電能傳送的主要障礙。,2、電接觸的結(jié)構(gòu)類型 固定接觸：螺栓連接或鉚接。 滾動和滑動接觸：電機的滑環(huán)與電刷； 可分、合接觸：觸頭或觸點；,3、電接觸的要求： 長期通過額定電流，溫升不超標且保持穩(wěn)定； 短時通過短路電流，不發(fā)生熔焊或松弛； 可分合接觸在開斷過程中，觸頭材料損失??； 可分合接觸在閉合過程中，不發(fā)生熔焊，損傷、變形。,第六章 電接觸理論,6.1 概述,4、電接觸理論的研究內(nèi)容： 接觸電阻的計算 電

2、接觸穩(wěn)態(tài)熱效應 電接觸暫態(tài)熱效應 觸頭間的電弧現(xiàn)象 觸頭電磨損 電接觸材料的研制,5、電接觸學科的形成與發(fā)展： 德國人r.holm1941年寫成電接觸技術物理，表示該學科已經(jīng)有了一個雛形 。 ieee holm conference on electrical contacts international conference on electrical contacts,第六章 電接觸理論,6.2 電接觸內(nèi)表面的物理圖景,一、平面的凸凹不平（加工工藝的影響）,拋光：起伏小,磨光：起伏大； 局部密集小起伏,車光：起伏大；相對均勻,玻璃表面,第六章 電接觸理論,6.2 電接觸內(nèi)表面的物理圖景,二

3、、實際接觸的描述,表面接觸面as,輪廓面an,支承接觸面at,真正接觸面aw：斑點,第六章 電接觸理論,6.3 接觸電阻的理論和計算,一、接觸電阻的產(chǎn)生,holm對于接觸電阻的解釋,接觸電阻的組成：收縮電阻+膜電阻,第六章 電接觸理論,6.3 接觸電阻的理論和計算,二、收縮電阻的物理模型（橢圓模型）,假定： （1）接觸面導電斑點為圓形，半徑為a， 且a為常數(shù)。 （2）斑點a之間有足夠大間距，以致斑 點間電流-電位場互不干擾。 （3）接觸元件中，收縮區(qū)完全對稱。,恒定電場與介質(zhì)中靜電場的相似關系,-導電媒質(zhì)中的電導、電導率 -介質(zhì)中相同場的電容、介電常數(shù),第六章 電接觸理論,6.3 接觸電阻的理

4、論和計算,二、收縮電阻的物理模型,孤立斑點a總收縮電阻的理論公式為,-接觸元件材料的電阻率 -導電斑點的半徑,物理意義：收縮電阻的本質(zhì)就是金屬電阻，大小與材料電阻率成正比，與導電斑點的直徑成正比。 多斑點情況下的計算：并聯(lián)關系,第六章 電接觸理論,6.3 接觸電阻的理論和計算,二、收縮電阻的物理模型（球形模型）,半徑為bu的微小接觸球等效接觸斑點,半徑為r，厚度為dr的半球電阻值為,整個半球殼的電阻為,收縮電阻應為,第六章 電接觸理論,6.3 接觸電阻的理論和計算,三、膜電阻,電流在金屬導體中是通過自由電子的定向運動傳導的。電子松散地結(jié)合在晶體內(nèi)部，僅需相當小的電場就能使其運動。,在接觸部位，

5、參與載流的電子必須從一個導體中逸出而進入另一個導體中去。,導體表面的微觀組織和表面膜的厚度對此影響巨大。,第六章 電接觸理論,6.3 接觸電阻的理論和計算,三、膜電阻,氧化膜的形成：在金屬純凈的表面上，通過吸附首先形成氧分子的單分子層（物理吸附）。由于氧電子的親和力，氧分子的單分子層經(jīng)短時間后分解成原子，與此同時，又俘獲到從金屬晶格中逸出的兩個電子（化學吸附），氧原子電離成負的氧原子，而金屬正離子卻留在晶格中。經(jīng)過這種電荷交換，就在金屬表面產(chǎn)生107v/cm數(shù)量級的電場，其結(jié)果是使金屬離子脫離金屬晶格并與氧離子結(jié)合成金屬氧化物。,第六章 電接觸理論,6.3 接觸電阻的理論和計算,三、膜電阻（利

6、與弊）,絕緣膜：電阻率大，厚度較厚。 氧化膜、硫化膜、聚合物膜、顏色昏暗,表面膜生長的影響因素,導電膜：電阻率低，厚度較薄。 機理為隧道效應，又稱吸附膜。,材料的種類 金：不易氧化，但分子親和力大，易冷焊； 銀：不易氧化，易硫化， 銅：氧化暗膜,第六章 電接觸理論,6.3 接觸電阻的理論和計算,三、膜電阻,時間因素與溫度因素,其他情況：銅、鋁和不銹鋼、鎢、有機膜和水膜,第六章 電接觸理論,6.3 接觸電阻的理論和計算,三、膜電阻,膜電阻的計算公式,-膜的隧道電阻率（面電阻率）,膜的熔解與 機械破壞,臨界電壓 a類熔解 b類熔解,第六章 電接觸理論,6.3 接觸電阻的理論和計算,四、接觸電阻的計

7、算公式,形式1,難點：n和ap的確定,形式2,-彈性模量,-球的半徑,彈性變形,塑性變形,實際情況,-0.3，1,第六章 電接觸理論,6.3 接觸電阻的理論和計算,四、接觸電阻的計算公式,-接觸力,-接觸材料電阻率和硬度的函數(shù),-接觸形式 點接觸0.5；線 接觸0.7；面接觸1,第六章 電接觸理論,6.3 接觸電阻的理論和計算,四、接觸電阻的計算公式,接觸電阻和接觸力關系的實驗 取對數(shù)后力和接觸電阻之間的直線關系； 直線的截距可求得k值，斜率可求得m值； 電阻率和硬度大，表面氧化，曲線越高； 可解決兩類問題 已知接觸力，確定接觸電阻； 已知接觸電阻，確定接觸力,6.4 j-q理論和接觸電壓,一

8、、研究的目的,確定導電斑點的最高溫升及收縮區(qū)的溫升分布,斑點尺寸小，分布內(nèi)表面，使得測量困難,6.4 j-q理論和接觸電壓,二、 對稱收縮區(qū)的j-q 理論,幾點假定： 接觸內(nèi)表面斑點間相距很遠，之間的電位場和溫度場不影響； 接觸元件材料相同，且為均質(zhì)； 忽略熱電效應（帕爾帖效應）； 兩收縮區(qū)對稱，元件間沒有傳熱。,6.4 j-q理論和接觸電壓,二、 對稱收縮區(qū)的j-q 理論,導電斑點電位j=0，q=qm等位面 收縮區(qū)外j=1/2uj， q=q0等位面 取半橢球殼，內(nèi)層j，q，外層j+dj, q+dq,發(fā)熱量,傳入量,傳出量,6.4 j-q理論和接觸電壓,二、 對稱收縮區(qū)的j-q 理論,建立熱平

9、衡方程,恒等式,高階無窮小,6.4 j-q理論和接觸電壓,三、j-q 關系的應用,熱導率和電阻率的確定,魏德曼弗朗茲定律：自由電子對熱導率的貢獻和對電導率的貢獻之比滿足,-羅倫茲系數(shù),因此,6.4 j-q理論和接觸電壓,三、j-q 關系的應用,收縮區(qū)內(nèi)沿熱流方向的溫度分布,接觸元件收縮電阻,斑點a到j收縮電阻,6.4 j-q理論和接觸電壓,四、焦耳熱對收縮電阻的影響,-0 時的冷態(tài)收縮電阻,-收縮電阻溫度系數(shù),五、非對稱接觸材料收縮區(qū)特性,帕爾帖（peltier）效應：兩種不同的金屬相互接觸，當電流流過接觸處時，電子在電場的影響下將釋放（或吸?。┠芰?，表現(xiàn)為在接觸處放熱（或吸熱）。 塞貝克（s

10、eebeck）效應：假定在兩種不同金屬導體接觸的回路中，加熱導體兩端部接觸處，使其保持不同的溫度，則在此導體回路中會產(chǎn)生一定的熱電勢。,6.4 j-q理論和接觸電壓,六、清潔對稱接觸的r-u 特性,清潔交叉銅棒的r-u特性,試驗條件：改變電流i，測量接觸電壓uj和電流i，可以得到接觸電阻rj與接觸電壓uj之間的關系。 解釋說明： ab段：電流增加，溫度升高，收 縮電阻增大； bc段：達到材料的軟化點，接觸面 積增大，接觸電阻顯著減?。?cd段：曲線上升規(guī)律同ab段； de段：達到材料的熔化點，斑點處 熔為一體； ef段：減小電流，電阻減小。規(guī)律 與ab段相同。,6.5 接觸導體溫度溫升分布與接

11、觸點最高溫升計算,分析目的：分析收縮區(qū)外沿導體軸向的溫度分布，導出計算斑點a實有的溫度公式。 傳熱機理分析與建模： 可等效為一維場問題；,接觸導體系統(tǒng)溫度分布的模型,-x=0處的導體溫升,無限遠處的導體溫升,為確定 ，建立熱平衡方程,得,6.5 接觸導體溫度溫升分布與接觸點最高溫升計算,根據(jù)疊加原理，接觸內(nèi)表面斑點a的最高溫升為斑點超溫與收縮區(qū)邊界之和。,6.6 電接觸的機械效應,6.6 電接觸的機械效應,一、“干觸頭”的冷焊,1、定義：未通電的閉合觸頭在室溫下出現(xiàn)的粘結(jié)現(xiàn)象。,2、共價約束3-8ev和金屬約束0.2-2ev 3、硬金屬w與軟金屬cu、ag的冷焊差別 4、金屬的汽化熱與硬度的正

12、比例關系 5、冷焊觸頭的分斷面 6、潤滑條件對于冷焊的影響 7、對于電器觸頭的利與弊：開關觸頭和導線連接,6.6 電接觸的機械效應,二、滑動接觸的摩擦和磨損,1、兩種典型的微觀凸丘接觸,2、與磨損相關的因素,6.6 電接觸的機械效應,三、觸頭閉合時的撞擊產(chǎn)生的機械磨損,1、研究意義,2、機理分析,3、措施：水膜；潤滑劑；氣吹；真空,6.6 電接觸的機械效應,四、觸頭閉合過程的振動分析,1、研究意義熔焊燒蝕，減少消除,2、機理分析,3、無危險振動：觸頭第一次碰撞后反跳的最大距離限制到小于觸頭的變形距離，即,6.6 電接觸的機械效應,四、觸頭閉合過程的振動分析,觸頭振動彈開距離與時間的關系,觸頭振

13、動過程典型示波圖,6.6 電接觸的機械效應,四、觸頭閉合過程的振動分析,觸頭振動彈開距離與時間的關系,觸頭振動過程典型示波圖,6.6 電接觸的機械效應,四、觸頭閉合過程的振動分析,觸頭碰撞前后的能量平衡為,-塑性變形消耗的能量,如果令,-觸頭材料的彈性系數(shù)。0，1取值,-觸頭材料的恢復系數(shù),6.6 電接觸的機械效應,四、觸頭閉合過程的振動分析,第一次反跳最大距離 的確定？,-彈簧儲存的能量,當 時，對應的時間為,將 代入整理,6.6 電接觸的機械效應,四、觸頭閉合過程的振動分析,相關因素：,6.7 觸頭間的電動斥力和靜電吸力,一、觸頭間的電動斥力,1、假定： 接觸面只有一個接觸斑點； 導電斑點

14、是一個超導小球；,觸頭間電動斥力圖解,假定的電流-電位場,6.7 觸頭間的電動斥力和靜電吸力,一、觸頭間的電動斥力,2、分析求解 令導電斑點超導小球的半徑為b； 圓柱形接觸導體的截面半徑為b； 取距中心夾角為a處的一個無限薄的錐形導體元da，則距離中心r處的無限小段dr的電動力,假定的電流-電位場,式中,分解為平行和垂直接觸面兩個分量,6.7 觸頭間的電動斥力和靜電吸力,一、觸頭間的電動斥力,3、結(jié)論 觸頭間的電動斥力與觸頭的最大導電截面和最小導電截面有關，而與電流收縮區(qū)內(nèi)過渡的情況無關； 大功率電器為減小電動斥力，常采用多觸頭并聯(lián)結(jié)構(gòu)。,二、靜電斥力 等電位面間形成電容，充電后會產(chǎn)生靜電斥力

15、。,交叉棒接觸橫截面圖,交叉棒接觸 平面接觸,6.8 觸頭熔焊與焊接力,一、熔焊,1、定義：金屬通過熔融而焊接的現(xiàn)象。,6.8 觸頭熔焊與焊接力,二、靜熔焊與短路電流的關系,銅觸頭熔化電流與通電時間的關系,觸頭上加以壓力，當通過的電流達到一定值時，觸頭的接觸電阻下降，接觸表面開始出現(xiàn)熔化痕跡，此時的電流稱為開始熔化電流。 由圖可見，通電時間1s時，時間越長，irh越小，通電時間1s后，irh幾乎不隨通電時間的增長而減小。,觸頭的熱穩(wěn)定問題可按穩(wěn)態(tài)處理 j-q理論也適用,6.8 觸頭熔焊與焊接力,三、動熔焊過程,a預擊穿產(chǎn)生電弧,b接觸并開始反跳,c接觸面分離產(chǎn)生電弧,d重新閉合,e閉合后焊接在

16、一起,6.8 觸頭熔焊與焊接力,四、觸頭焊接力,1、定義 焊接力=熔焊面積抗拉剛度 2、熔焊面積與電阻率和熔點的關系 3、焊接力的隨機性性質(zhì) 4、真空中的熔焊與膜電阻的優(yōu)點 5、措施,采用電阻率小，抗拉強度小和熔點高的材料 在材料中加入少量其他元素，使熔焊處最后的凝固面變成強度較低的脆性材料。 減小觸頭振動,6.9 觸頭的質(zhì)量轉(zhuǎn)移和磨損,一、電磨損,根據(jù)試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電流只要超過i00時，就會出現(xiàn)不同的電磨損現(xiàn)象。,電弧磨損,金屬橋磨損,電流大于最小生弧電流i0,+,6.9 觸頭的質(zhì)量轉(zhuǎn)移和磨損,二、金屬橋磨損,1、負電阻性質(zhì)，類似電弧。,2、貴金屬難生成（mm），普通金屬易生成（mm）。,3

17、、溫度分布不對稱，由此決定了材料轉(zhuǎn)移方向。,金屬橋的形成與斷開,6.9 觸頭的質(zhì)量轉(zhuǎn)移和磨損,二、金屬橋磨損,4、措施,6.9 觸頭的質(zhì)量轉(zhuǎn)移和磨損,三、電弧磨損,1、i00ii0，uu0 陽極電弧，短弧 發(fā)生機理：放電時觸頭間隙極短，從陰極發(fā)射出來的大量電子很少碰到氣體分子直接打入陽極，由陽極蒸發(fā)的金屬蒸汽落在陰極表面上凝結(jié)，材料由陽極轉(zhuǎn)移至陰極。,2、ii0，uu0 陰極電弧 發(fā)生機理：電弧拉長，陽極斑點直徑大于陰極斑點直徑，散熱條件得到改善，陰極氣化速度比陽極高，材料由陰極轉(zhuǎn)移至陽極。,6.9 觸頭的質(zhì)量轉(zhuǎn)移和磨損,三、電弧磨損,3、ii0，u很高 火花放電，陰極磨損,4、ii0，uu0

18、 陰極電弧增強， 發(fā)生機理：陽極壓降增大，大量電子高速打入陽極使陽極氣化速度增高，合成效應使陽極磨損。,5、i i0，uu0 噴濺發(fā)生 發(fā)生機理：電弧兩極斑點的電流密度大，溫度高，弧根處附近的觸頭材料大量氣化，熔化的金屬被強烈的氣流和電動力吹離觸頭。,6.9 觸頭的質(zhì)量轉(zhuǎn)移和磨損,觸頭不同磨損形式的劃分,6.10 觸頭材料簡介,6.10 觸頭材料簡介,一、純金屬材料,1、銀ag,1.1 物理性能參數(shù),6.10 觸頭材料簡介,一、純金屬材料,1、銀ag,1.2 化學性能及應用 不宜氧化，易硫化，生成淺褐色至黑色的硫化銀； 易加工，適用于各種焊接覆層方法； 電導率最高，價格最便宜的貴金屬； 銀鍍層可用于端子連接器、接插件接點、光電開關和結(jié)構(gòu)元件，以及高頻開關和結(jié)構(gòu)元件。整體或覆層的銀觸頭鉚釘可用于繼電器、輔助電流開關