常溫和高溫環(huán)境下電磁繼電器觸點侵蝕及失效模式分析

翟國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侵蝕及失效模式分析

翟國富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侵蝕的一個重要因素。根據(jù)相同負載不同溫度(常溫+20℃和高溫+125℃)下繼電器10萬次動作后的對比試驗結(jié)果，對觸點的侵蝕情況和測得的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，解釋兩種環(huán)境溫度下觸點侵蝕不同及導(dǎo)致的測試結(jié)果差異。同時建立電磁繼電器的靜、動態(tài)特性模型，仿真分析觸點侵蝕不同對相關(guān)參數(shù)的影響。最后推測兩種溫度下觸點的不同失效模式并給出應(yīng)采取的預(yù)防和改進措施。

電磁繼電器 環(huán)境溫度 失效模式 觸點侵蝕

1 引言

電磁繼電器的失效主要是觸點失效，電弧對觸點的侵蝕是觸點失效的主要原因。影響觸點電弧的因素很多，如觸點電壓[1-4]、電流[5-6]、環(huán)境溫度[7-8]、分斷速度[9]、觸點間隙[10-11]、材料等。其中環(huán)境溫度是影響電弧的一個重要因素。Witter等人對汽車繼電器觸點在不同溫度下的侵蝕與觸點激活程度關(guān)系進行了相關(guān)研究。根據(jù)其試驗結(jié)果，溫度越高有機物對觸點的激活作用越大，觸點的侵蝕程度越小[7-8]。但是觸點激活對電弧侵蝕的影響一方面使弧根在觸點表面運動導(dǎo)致侵蝕減小，另一方面使燃弧時間增長，造成侵蝕增大。此外，溫度還會影響線圈阻值的大小，進而影響觸點的分斷速度及電弧的侵蝕程度。

鑒于環(huán)境溫度對觸點侵蝕的多方面作用，本文從一批某型號產(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負載的電磁繼電器10萬次動作后的對比試驗結(jié)果，對電磁繼電器在試驗后觸點的侵蝕情況和測得的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，解釋兩種環(huán)境溫度下觸點侵蝕不同導(dǎo)致的測試數(shù)據(jù)差異，并建立繼電器靜、動態(tài)特性數(shù)學(xué)模型，進一步分析侵蝕不同對相關(guān)參數(shù)的影響。在此基礎(chǔ)上推測兩種溫度下繼電器的不同失效模式并給出相應(yīng)的預(yù)防和改進措施。

本文使用的試驗樣品是對原某型號 1/2晶體罩電磁繼電器進行設(shè)計優(yōu)化后制造的產(chǎn)品。原繼電器在直流28V、5A負載下僅有2萬次電壽命，通過對原產(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到10萬次電壽命，此外，其耐力學(xué)環(huán)境指標也有原來的Ⅳ類，提高到現(xiàn)在的Ⅴ類。

2 常溫和高溫阻性試驗后的對比分析

常溫和高溫壽命試驗條件下，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增大或減小，簧片在不同溫度下的應(yīng)力發(fā)生變化，有機物使觸點激活程度不同等等。以上這些因素導(dǎo)致試驗后樣品觸點侵蝕情況不同，使試驗后的各項參數(shù)測試結(jié)果也產(chǎn)生一定差異。下面分別從吸合電壓、吸合時間、釋放電壓、釋放時間、動合超程、靜合壓力及觸點間隙這些方面進行對比分析。

2.1 吸合電壓和吸合時間的對比分析

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

表1 常溫和高溫試驗后靜合觸點侵蝕情況對比（上面為動觸點，下面為靜合靜觸點）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）

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

圖1 常溫和高溫試驗前后吸合電壓、時間對比Fig. 1 Comparison of pickup voltage and time after tests of room and high temperatures

2.2 釋放電壓和釋放時間的對比分析

表2為常溫和高溫試驗后部分動合觸點侵蝕情況對比。從該表可以看出，常溫試驗后動合觸點轉(zhuǎn)移的材料堆積在動觸點和動合靜觸點間，使觸點間隙減小動合超程增大；而高溫試驗后動合觸點間轉(zhuǎn)移的材料（除燒穿觸點外）很大一部分被噴濺到觸點之外，使得觸點間隙并未明顯減小，甚至個別樣品（如25號樣品）的觸點間隙有所增大。動合觸點材料的凈損失導(dǎo)致高溫試驗后樣品動合超程減小釋放電壓降低。

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

表2 常溫和高溫試驗后動合觸點侵蝕情況對比（上面為動合靜觸點，下面為動觸點）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是常溫和高溫試驗前后釋放電壓和釋放時間的對比曲線。從對比曲線可以看出，常溫試驗后釋放電壓升高釋放時間普遍縮短，高溫試驗后釋放電壓降低釋放時間普遍變長。釋放電壓和釋放時間在常溫和高溫試驗后發(fā)生不同變化的原因是兩種條件下動合觸點材料凈損失的不同。常溫試驗后，動合超程普遍增大，而高溫試驗后動合超程則普遍減小。動合超程的大小直接影響到釋放電壓的高低和釋放時間的長短。

圖2 常溫和高溫試驗前后釋放電壓、時間對比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)和動態(tài)模型，分析不同溫度下觸點侵蝕不同導(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。動態(tài)過程的計算通過求解繼電器動態(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)動慣量；

ψ0——吸合過程初始時刻的線圈磁鏈；

α0，ω0——初始時刻的銜鐵角位移和角速度。

反力矩函數(shù)Mf（α）的具體表達形式如式（2）和式（3）所示。

式中 δ1，δ2，δ3，δ4——銜鐵在空程、動斷超程、自由行程和動合超程階段的旋轉(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、推動器端部至銜鐵轉(zhuǎn)軸的距離和推動器端部至銜鐵轉(zhuǎn)軸的水平距離；

kf——返簧剛度；C0，C1，Cm，Ck——與推動器接觸處的動簧柔度、靜合觸點處的動簧柔度、推動器接觸處與靜合觸點處的動簧互柔度和靜合靜簧柔度；Cm′，Ck′——動合觸點處的動簧柔度、推動器接觸處與動合觸點處的動簧互柔度和動合靜簧柔度。

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，先通過三維有限元軟件FLUX3D計算電磁系統(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 線圈電阻變化對銜鐵運動速度的影響

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為這兩種阻值下計算得到的吸力矩和銜鐵轉(zhuǎn)速曲線。從對比曲線可以看出，在銜鐵的整個行程中，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。在靜合觸點分斷處，常溫下銜鐵的轉(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，觸點的燃弧時間更長，電弧侵蝕更嚴重。

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，觸點間隙0.25mm，動合超程0.05mm）Fig. 4 Comparison of attraction torque and angular velocity with different temperatures

3.3 靜合觸點侵蝕與空載、吸合電壓關(guān)系分析

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

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

圖5b為高溫試驗后靜合壓力減小對空載、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，繼電器在11.8V下一步就能吸合到底，也與高溫試驗后繼電器基本一步吸合到底的現(xiàn)象一致。

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

3.4 動合觸點侵蝕對釋放電壓、時間及速度的影響

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

圖6為不同動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，動合超程為0.07mm時，繼電器的釋放電壓約為 6.0V，當(dāng)超程減小為0.04mm時，釋放電壓降為 5.2V，與常溫試驗后釋放電壓升高，高溫試驗后釋放電壓降低的測試現(xiàn)象一致。

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

圖7為動合超程與釋放時間、動合觸點分斷速度的關(guān)系曲線。由圖中曲線可以看出，釋放時間隨動合超程增大幾乎呈線性減小，動合觸點分斷速度則隨動合超程增大幾乎呈線性增大。因此，常溫下動合觸點分斷速度高于高溫下的分斷速度，高溫下動合觸點的電弧侵蝕更嚴重。

圖7 動合超程與釋放時間及釋放分斷速度的關(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

綜合以上試驗結(jié)果和理論分析，可以得出：

（1）常溫下電弧對觸點（不論是靜合觸點還是動合觸點）的侵蝕以材料轉(zhuǎn)移為主，而高溫下以凈損失為主，且高溫下電弧對觸點的侵蝕更嚴重。

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

（3）延長常溫下觸點的壽命以增大觸點間隙為主，延長高溫下觸點壽命則要以適當(dāng)增大動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

翟國富 男，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為電器可靠性設(shè)計與測試技術(shù)。

民用航天科研預(yù)先研究資助項目（B1220062302）。

2009-06-09 改稿日期2009-09-07

王其亞 男，1982年生，博士研究生，主要研究方向為電磁繼電器綜合優(yōu)化設(shè)計技術(shù)。