常溫和高溫環(huán)境下電磁繼電器觸點(diǎn)侵蝕及失效模式分析

翟國(guó)富王其亞程賢科陳志君

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)軍用電器研究所 哈爾濱 150001 2. 桂林航天電子有限公司 桂林 541002）

常溫和高溫環(huán)境下電磁繼電器觸點(diǎn)侵蝕及失效模式分析

翟國(guó)富1王其亞1程賢科2陳志君2

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)軍用電器研究所 哈爾濱 150001 2. 桂林航天電子有限公司 桂林 541002）

環(huán)境溫度是影響電磁繼電器觸點(diǎn)侵蝕的一個(gè)重要因素。根據(jù)相同負(fù)載不同溫度(常溫+20℃和高溫+125℃)下繼電器10萬次動(dòng)作后的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)觸點(diǎn)的侵蝕情況和測(cè)得的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，解釋兩種環(huán)境溫度下觸點(diǎn)侵蝕不同及導(dǎo)致的測(cè)試結(jié)果差異。同時(shí)建立電磁繼電器的靜、動(dòng)態(tài)特性模型，仿真分析觸點(diǎn)侵蝕不同對(duì)相關(guān)參數(shù)的影響。最后推測(cè)兩種溫度下觸點(diǎn)的不同失效模式并給出應(yīng)采取的預(yù)防和改進(jìn)措施。

電磁繼電器 環(huán)境溫度 失效模式 觸點(diǎn)侵蝕

1 引言

電磁繼電器的失效主要是觸點(diǎn)失效，電弧對(duì)觸點(diǎn)的侵蝕是觸點(diǎn)失效的主要原因。影響觸點(diǎn)電弧的因素很多，如觸點(diǎn)電壓[1-4]、電流[5-6]、環(huán)境溫度[7-8]、分?jǐn)嗨俣萚9]、觸點(diǎn)間隙[10-11]、材料等。其中環(huán)境溫度是影響電弧的一個(gè)重要因素。Witter等人對(duì)汽車?yán)^電器觸點(diǎn)在不同溫度下的侵蝕與觸點(diǎn)激活程度關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)研究。根據(jù)其試驗(yàn)結(jié)果，溫度越高有機(jī)物對(duì)觸點(diǎn)的激活作用越大，觸點(diǎn)的侵蝕程度越小[7-8]。但是觸點(diǎn)激活對(duì)電弧侵蝕的影響一方面使弧根在觸點(diǎn)表面運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致侵蝕減小，另一方面使燃弧時(shí)間增長(zhǎng)，造成侵蝕增大。此外，溫度還會(huì)影響線圈阻值的大小，進(jìn)而影響觸點(diǎn)的分?jǐn)嗨俣燃半娀〉那治g程度。

鑒于環(huán)境溫度對(duì)觸點(diǎn)侵蝕的多方面作用，本文從一批某型號(hào)產(chǎn)品中抽出 20只樣品，根據(jù)其中 10只常溫（+20℃）和10只高溫（+125℃）環(huán)境下直流28V、5A負(fù)載的電磁繼電器10萬次動(dòng)作后的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)電磁繼電器在試驗(yàn)后觸點(diǎn)的侵蝕情況和測(cè)得的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，解釋兩種環(huán)境溫度下觸點(diǎn)侵蝕不同導(dǎo)致的測(cè)試數(shù)據(jù)差異，并建立繼電器靜、動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步分析侵蝕不同對(duì)相關(guān)參數(shù)的影響。在此基礎(chǔ)上推測(cè)兩種溫度下繼電器的不同失效模式并給出相應(yīng)的預(yù)防和改進(jìn)措施。

本文使用的試驗(yàn)樣品是對(duì)原某型號(hào) 1/2晶體罩電磁繼電器進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化后制造的產(chǎn)品。原繼電器在直流28V、5A負(fù)載下僅有2萬次電壽命，通過對(duì)原產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及參數(shù)的優(yōu)化，現(xiàn)該產(chǎn)品在常溫和高溫下均能達(dá)到10萬次電壽命，此外，其耐力學(xué)環(huán)境指標(biāo)也有原來的Ⅳ類，提高到現(xiàn)在的Ⅴ類。

2 常溫和高溫阻性試驗(yàn)后的對(duì)比分析

常溫和高溫壽命試驗(yàn)條件下，由于周圍環(huán)境的不同，繼電器內(nèi)部組件很多物理化學(xué)因素發(fā)生變化，如線圈電阻隨溫度的不同會(huì)增大或減小，簧片在不同溫度下的應(yīng)力發(fā)生變化，有機(jī)物使觸點(diǎn)激活程度不同等等。以上這些因素導(dǎo)致試驗(yàn)后樣品觸點(diǎn)侵蝕情況不同，使試驗(yàn)后的各項(xiàng)參數(shù)測(cè)試結(jié)果也產(chǎn)生一定差異。下面分別從吸合電壓、吸合時(shí)間、釋放電壓、釋放時(shí)間、動(dòng)合超程、靜合壓力及觸點(diǎn)間隙這些方面進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 吸合電壓和吸合時(shí)間的對(duì)比分析

表1列出了常溫和高溫試驗(yàn)后部分靜合觸點(diǎn)的壓力及燒蝕情況。從該表的對(duì)比可以看出，常溫試驗(yàn)后靜合觸點(diǎn)的材料轉(zhuǎn)移在動(dòng)觸點(diǎn)和靜合靜觸點(diǎn)之間，材料的凈損失少，夾在觸點(diǎn)間的材料向動(dòng)合靜觸點(diǎn)方向擠壓動(dòng)觸點(diǎn)，使靜合壓力較大（除去簧片試驗(yàn)后應(yīng)力釋放的因素外，靜合壓力試驗(yàn)后仍能維持試驗(yàn)前0.12N的大?。欢邷卦囼?yàn)后靜合觸點(diǎn)的燒蝕面較大而且較均勻（可能是高溫下有機(jī)物對(duì)觸點(diǎn)的激活作用導(dǎo)致的），轉(zhuǎn)移的材料很大一部分被凈損失掉了，致使動(dòng)簧由于初始形變的原因逐漸向背離動(dòng)合靜觸點(diǎn)方向運(yùn)動(dòng)以與靜合靜觸點(diǎn)接觸，靜合壓力隨之減小（表中測(cè)得的觸點(diǎn)靜合壓力大都減小到試驗(yàn)前的一半），當(dāng)然高溫下靜合壓力減小同時(shí)也與該溫度下簧片的應(yīng)力釋放較大有關(guān)。

表1 常溫和高溫試驗(yàn)后靜合觸點(diǎn)侵蝕情況對(duì)比（上面為動(dòng)觸點(diǎn)，下面為靜合靜觸點(diǎn)）Tab. 1 Comparison of erosion of normally closed (NC) contacts after tests of room and high temperature（The up is movable contact, the down is NC contact）

常溫和高溫試驗(yàn)后靜合觸點(diǎn)侵蝕情況的不同，使試驗(yàn)前后樣品的吸合電壓和吸合時(shí)間也發(fā)生了一些變化。圖1給出了常溫和高溫試驗(yàn)前后吸合電壓和吸合時(shí)間的對(duì)比情況。高溫試驗(yàn)后的吸合電壓都較試驗(yàn)前降低，雖然高溫試驗(yàn)后，銜鐵行程也會(huì)略微增大，但主要是由于靜合壓力在試驗(yàn)后顯著減小，同時(shí)由于高溫下簧片應(yīng)力會(huì)充分釋放使機(jī)械反力減小造成的。常溫試驗(yàn)后的吸合時(shí)間都較試驗(yàn)前長(zhǎng)，其原因是繼電器在動(dòng)作 10萬次后銜鐵行程略微增大（每次銜鐵釋放都會(huì)與止推擋相碰導(dǎo)致的），另一方面是靜合觸點(diǎn)的材料轉(zhuǎn)移“抬高了”動(dòng)觸點(diǎn)，使動(dòng)簧形變加大（即靜合壓力在試驗(yàn)前后并未減少），這兩方面原因使得吸合時(shí)間變長(zhǎng)。

圖1 常溫和高溫試驗(yàn)前后吸合電壓、時(shí)間對(duì)比Fig. 1 Comparison of pickup voltage and time after tests of room and high temperatures

2.2 釋放電壓和釋放時(shí)間的對(duì)比分析

表2為常溫和高溫試驗(yàn)后部分動(dòng)合觸點(diǎn)侵蝕情況對(duì)比。從該表可以看出，常溫試驗(yàn)后動(dòng)合觸點(diǎn)轉(zhuǎn)移的材料堆積在動(dòng)觸點(diǎn)和動(dòng)合靜觸點(diǎn)間，使觸點(diǎn)間隙減小動(dòng)合超程增大；而高溫試驗(yàn)后動(dòng)合觸點(diǎn)間轉(zhuǎn)移的材料（除燒穿觸點(diǎn)外）很大一部分被噴濺到觸點(diǎn)之外，使得觸點(diǎn)間隙并未明顯減小，甚至個(gè)別樣品（如25號(hào)樣品）的觸點(diǎn)間隙有所增大。動(dòng)合觸點(diǎn)材料的凈損失導(dǎo)致高溫試驗(yàn)后樣品動(dòng)合超程減小釋放電壓降低。

樣品在高溫下動(dòng)合靜觸點(diǎn)有燒穿的現(xiàn)象說明，高溫下觸點(diǎn)的侵蝕較常溫下更為嚴(yán)重。觸點(diǎn)被燒穿可能是由于該觸點(diǎn)的超程較小，導(dǎo)致觸點(diǎn)壓力變小，使轉(zhuǎn)移的材料不能通過觸點(diǎn)閉合時(shí)的摩擦和擠壓較均勻地分布在觸點(diǎn)表面（即使高溫下有機(jī)物對(duì)觸點(diǎn)有較強(qiáng)的激活作用），電弧始終在材料轉(zhuǎn)移引起的很小“凸起”處燃燒（燒穿的觸點(diǎn)堆積物都呈很尖的“山峰”狀），最終導(dǎo)致動(dòng)合靜觸點(diǎn)燒穿。

表2 常溫和高溫試驗(yàn)后動(dòng)合觸點(diǎn)侵蝕情況對(duì)比（上面為動(dòng)合靜觸點(diǎn)，下面為動(dòng)觸點(diǎn)）Tab. 2 Comparison of erosion of normally opened （NO） contacts after tests of room and high temperatures（The up is NO contact, the down is movable contact）

圖 2是常溫和高溫試驗(yàn)前后釋放電壓和釋放時(shí)間的對(duì)比曲線。從對(duì)比曲線可以看出，常溫試驗(yàn)后釋放電壓升高釋放時(shí)間普遍縮短，高溫試驗(yàn)后釋放電壓降低釋放時(shí)間普遍變長(zhǎng)。釋放電壓和釋放時(shí)間在常溫和高溫試驗(yàn)后發(fā)生不同變化的原因是兩種條件下動(dòng)合觸點(diǎn)材料凈損失的不同。常溫試驗(yàn)后，動(dòng)合超程普遍增大，而高溫試驗(yàn)后動(dòng)合超程則普遍減小。動(dòng)合超程的大小直接影響到釋放電壓的高低和釋放時(shí)間的長(zhǎng)短。

圖2 常溫和高溫試驗(yàn)前后釋放電壓、時(shí)間對(duì)比Fig. 2 Comparison of release voltage and time after tests of room and high temperatures

3 理論分析常溫和高溫下繼電器的相關(guān)參數(shù)變化

通過建立電磁繼電器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模型，分析不同溫度下觸點(diǎn)侵蝕不同導(dǎo)致的繼電器相關(guān)參數(shù)變化。圖3為所研究的電磁繼電器結(jié)構(gòu)示意圖，該繼電器常溫下線圈電阻為 980?，額定電壓為直流28V。

3.1 數(shù)學(xué)模型建立及求解

繼電器在不同電壓下的靜態(tài)吸力矩特性通過三維有限元軟件FLUX3D求解。動(dòng)態(tài)過程的計(jì)算通過求解繼電器動(dòng)態(tài)特性的狀態(tài)方程組（式（1））完成。

圖3 電磁繼電器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Sketch map of electromagnetic relay’s structure

式中 t——時(shí)間；

ψ，U，R，i——線圈磁鏈、電壓、電阻和電流；

α，ω——銜鐵角位移、角速度;

Mx，Mf，J——銜鐵受到的吸力矩、銜鐵受到的反

力矩和銜鐵系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

ψ0——吸合過程初始時(shí)刻的線圈磁鏈；

α0，ω0——初始時(shí)刻的銜鐵角位移和角速度。

反力矩函數(shù)Mf（α）的具體表達(dá)形式如式（2）和式（3）所示。

式中 δ1，δ2，δ3，δ4——銜鐵在空程、動(dòng)斷超程、自由行程和動(dòng)合超程階段的旋轉(zhuǎn)角度；

Finti_r_s——返簧初始預(yù)壓力；lf，la，lr_a，L——返簧力矩、銜鐵端部至其轉(zhuǎn)軸距離、推動(dòng)器端部至銜鐵轉(zhuǎn)軸的距離和推動(dòng)器端部至銜鐵轉(zhuǎn)軸的水平距離；

kf——返簧剛度；C0，C1，Cm，Ck——與推動(dòng)器接觸處的動(dòng)簧柔度、靜合觸點(diǎn)處的動(dòng)簧柔度、推動(dòng)器接觸處與靜合觸點(diǎn)處的動(dòng)簧互柔度和靜合靜簧柔度；Cm′，Ck′——?jiǎng)雍嫌|點(diǎn)處的動(dòng)簧柔度、推動(dòng)器接觸處與動(dòng)合觸點(diǎn)處的動(dòng)簧互柔度和動(dòng)合靜簧柔度。

方程組（1）中，線圈電流i和吸力矩Mx為線圈磁鏈ψ 和銜鐵位移α的二元函數(shù)（不考慮鐵心渦流）。因此，在求解該方程組時(shí)，先通過三維有限元軟件FLUX3D計(jì)算電磁系統(tǒng)在不同線圈電流不同銜鐵位移下的ψ 和α，然后采用4階Runge-Kutta方法迭代求解，迭代過程中的i和Mx根據(jù)已計(jì)算的不同電流不同銜鐵位移下的ψ 和α 插值得到。

3.2 線圈電阻變化對(duì)銜鐵運(yùn)動(dòng)速度的影響

線圈在常溫（+20℃）下的阻值為980?，根據(jù)銅材料電阻隨溫度變化關(guān)系式，高溫（+125℃）下的線圈電阻為1386?。圖4為這兩種阻值下計(jì)算得到的吸力矩和銜鐵轉(zhuǎn)速曲線。從對(duì)比曲線可以看出，在銜鐵的整個(gè)行程中，高溫下的吸力矩和銜鐵轉(zhuǎn)速明顯小于常溫下的吸力矩和銜鐵轉(zhuǎn)速。在靜合觸點(diǎn)分?jǐn)嗵帲叵裸曡F的轉(zhuǎn)速為 7693°/s，高溫下的轉(zhuǎn)速僅為5236°/s，下降了約30%。因此高溫下，觸點(diǎn)的燃弧時(shí)間更長(zhǎng)，電弧侵蝕更嚴(yán)重。

圖4 不同溫度下吸力矩和銜鐵轉(zhuǎn)速的比較（銜鐵行程8.5°，返簧預(yù)壓力0.08N，靜合壓力0.12N，觸點(diǎn)間隙0.25mm，動(dòng)合超程0.05mm）Fig. 4 Comparison of attraction torque and angular velocity with different temperatures

3.3 靜合觸點(diǎn)侵蝕與空載、吸合電壓關(guān)系分析

通過上文分析，常溫試驗(yàn)條件下，靜合觸點(diǎn)侵蝕以材料轉(zhuǎn)移為主，靜合壓力基本保持不變，觸點(diǎn)間隙減??；高溫下，靜合觸點(diǎn)以凈損失為主，靜合壓力減小，觸點(diǎn)間隙基本不變。

圖 5a為計(jì)算得到的靜合壓力不變觸點(diǎn)間隙由0.27mm減小到0.17mm時(shí)機(jī)械反力矩與靜態(tài)吸力矩的關(guān)系曲線。由該曲線關(guān)系可以看出，觸點(diǎn)間隙為0.27mm時(shí)，繼電器的空載、吸合電壓分別為11.8V和15.0V。當(dāng)觸點(diǎn)間隙減小為0.17mm時(shí)，空載和吸合電壓基本相同，都為 11.8V。觸點(diǎn)間隙的減小降低了吸合電壓，繼電器基本能一步吸合到底，與試驗(yàn)后測(cè)試現(xiàn)象一致。

圖5b為高溫試驗(yàn)后靜合壓力減小對(duì)空載、吸合電壓影響的關(guān)系曲線。靜合壓力（0.12N）減小前空載、吸合電壓分別為 11.8V和 15.0V，當(dāng)該壓力減小為0.06N時(shí)，繼電器在11.8V下一步就能吸合到底，也與高溫試驗(yàn)后繼電器基本一步吸合到底的現(xiàn)象一致。

圖5 靜合觸點(diǎn)侵蝕對(duì)空載、吸合電壓影響Fig. 5 Influence of erosion of NC contacts to unloaded and pickup voltages

3.4 動(dòng)合觸點(diǎn)侵蝕對(duì)釋放電壓、時(shí)間及速度的影響

根據(jù)上文分析，常溫試驗(yàn)條件下，動(dòng)合觸點(diǎn)侵蝕以材料轉(zhuǎn)移為主，動(dòng)合超程增大，觸點(diǎn)間隙減??；高溫下，動(dòng)合觸點(diǎn)以材料凈損失為主，動(dòng)合超程減小，觸點(diǎn)間隙基本不變。

圖6為不同動(dòng)合超程下的反力矩與吸力矩的關(guān)系曲線。從圖中曲線可以看出，動(dòng)合超程為0.07mm時(shí)，繼電器的釋放電壓約為 6.0V，當(dāng)超程減小為0.04mm時(shí)，釋放電壓降為 5.2V，與常溫試驗(yàn)后釋放電壓升高，高溫試驗(yàn)后釋放電壓降低的測(cè)試現(xiàn)象一致。

圖6 動(dòng)合超程對(duì)釋放電壓的影響（銜鐵行程8.3°返簧預(yù)壓力0.06N，靜合壓力0.12N，觸點(diǎn)間隙0.27mm）Fig. 6 Influence of over travel of NO contacts to release voltage

圖7為動(dòng)合超程與釋放時(shí)間、動(dòng)合觸點(diǎn)分?jǐn)嗨俣鹊年P(guān)系曲線。由圖中曲線可以看出，釋放時(shí)間隨動(dòng)合超程增大幾乎呈線性減小，動(dòng)合觸點(diǎn)分?jǐn)嗨俣葎t隨動(dòng)合超程增大幾乎呈線性增大。因此，常溫下動(dòng)合觸點(diǎn)分?jǐn)嗨俣雀哂诟邷叵碌姆謹(jǐn)嗨俣?，高溫下?dòng)合觸點(diǎn)的電弧侵蝕更嚴(yán)重。

圖7 動(dòng)合超程與釋放時(shí)間及釋放分?jǐn)嗨俣鹊年P(guān)系曲線（銜鐵行程8.3°返簧預(yù)壓力0.06N，靜合壓力0.12N，觸點(diǎn)間隙0.27mm）Fig. 7 Relationship curves of NO contacts’ over travel, release time and release velocity

4 結(jié)論

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果和理論分析，可以得出：

（1）常溫下電弧對(duì)觸點(diǎn)（不論是靜合觸點(diǎn)還是動(dòng)合觸點(diǎn)）的侵蝕以材料轉(zhuǎn)移為主，而高溫下以凈損失為主，且高溫下電弧對(duì)觸點(diǎn)的侵蝕更嚴(yán)重。

（2）常溫和高溫下觸點(diǎn)失效的機(jī)理不同，常溫下觸點(diǎn)失效是由轉(zhuǎn)移的材料在觸點(diǎn)間堆積引起，高溫下觸點(diǎn)失效則是由觸點(diǎn)材料轉(zhuǎn)移過多導(dǎo)致的無動(dòng)合超程和無靜合壓力引起。

（3）延長(zhǎng)常溫下觸點(diǎn)的壽命以增大觸點(diǎn)間隙為主，延長(zhǎng)高溫下觸點(diǎn)壽命則要以適當(dāng)增大動(dòng)合超程和靜合壓力為主。

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Contact Erosion and Failure Mode Analysis of Electromagnetic Relay Under the Circumstance of Room and High Temperatures

Zhai Guofu1Wang Qiya1Cheng Xianke2Chen Zhijun2
（1. Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China 2. Guilin Aerospace Technologies Co. Ltd Guilin 541002 China）

Ambient temperature is an important factor influencing contact erosion of electromagnetic relay. In this paper, based on results of 1×105cycle operations with the same load under different temperatures (room temperature: +20℃, high temperature: +125℃), the erosion of contacts and the data of tests are analyzed, and the reasons of different contact erosions and different results of tests under the two ambient temperatures are given. Then, the static and dynamic model of electromagnetic relay is built; some parameters under the influence of different contact erosions are calculated and analyzed. Finally, the different failure modes of contacts are predicted under the two ambient temperatures, and some measures of prevention and improvement are given.

Electromagnetic relay, ambient temperature, failure mode, contact erosion

TM506

翟國(guó)富 男，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娖骺煽啃栽O(shè)計(jì)與測(cè)試技術(shù)。

民用航天科研預(yù)先研究資助項(xiàng)目（B1220062302）。

2009-06-09 改稿日期2009-09-07

王其亞 男，1982年生，博士研究生，主要研究方向?yàn)殡姶爬^電器綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。