高溫應力工況下汽車繼電器觸點失效機理的研究＊

王燕兵 ， 賴雅麗

（貴州電子信息職業技術學院，貴州 凱里 556000）

繼電器廣泛應用于大電流電器控制系統中，據統計觸點部分的故障率占到繼電器故障率的90%以上[1-2]。熱設計是密封繼電器中觸點接觸參數優化設計的關鍵參數，穩定的接觸條件是降低觸點接觸面產熱導致熔焊故障的關鍵，觸點吸和分斷進程中應盡量減少接觸面間產熱，使觸點表面材料熔焊降低。本文基于傳熱理論建立了觸點電熱耦合作用的數學模型，著重分析繼電器觸點傳熱特性及溫度場分布的影響規律，揭示汽車繼電器觸點瞬態接觸傳熱特性，對改善繼電器觸點熔焊故障具有重要的現實意義，為觸點間工藝改進提供理論支撐。

1 繼電器觸點電熱耦合數學模型

繼電器觸點吸和傳導大電流工作時，繼電器觸點傳熱特性受材料性能、觸點間的接觸電阻、接觸行為等因素的影響。本文在深入分析觸點間的界面接觸電阻數學模型的基礎上，利用非線性瞬態熱傳導理論進一步探究觸點間的電熱耦合作用。圖1所示為繼電器觸點間接觸行為示意圖。為了建立吸和分斷過程電熱耦合模型明晰觸點間傳熱機制，作如下假設：1）觸點材料各向同性；2）忽略材料的氧化燒蝕作用；3）忽略觸點本體電阻生熱。

圖1 繼電器觸點間接觸

利用焊接熱源的非線性瞬態熱傳數學模型描述繼電器觸點間傳熱，其方程為：

式中：Q-熱源；λ-導熱系數，w/(m·℃)；ρ-密度，kg/m3；c-比熱，J/(kg·℃)。

觸點間接觸形成的熱源Q，可由式（2）計算：

式中：I-電流，A；Rc-接觸電阻，Ω；Aa-觸點間接觸面積，m2；εf-觸點間接觸間隙，m；σ-電導率，Ω-1·m-1。

采用Hertz理論對觸點間接觸面積計算，見式(3)：

式中：F-電極夾持力N；R-半徑，m；ν-泊松比；E-彈性模量MPa；L-觸點間接觸長度，m。

由于上述建模過程中，部分相關參數需要通過實驗測量獲得，導致模型數值計算存在困難。為此，本文利用模擬仿真和實驗驗證的方法，對分斷過程中觸點間的傳熱及溫度場分布規律進行分析研究。

2 仿真實驗與分析

針對繼電器觸點間接觸的電-熱-力耦合，選用傳熱模塊中的焦耳熱、固體傳熱和結構力學中的固體力學，建立瞬態接觸耦合過程，在COMSOL 模型向導中新建一個關于繼電器觸點間接觸傳熱的三維空間維度分析，分別選擇傳熱物理場下的固體傳熱模塊、焦耳熱模塊和結構力學物理場下的固體力學模塊。選用瞬態研究，完成對接觸模型仿真環境的基本設置。

2.1 有限元模型的建立及邊界設置

本文采用COMSOL有限元軟件對觸點間分斷進程中的電熱耦合作用進行分析計算。觸點間采用細分網格的方法對接觸區域進行重點分析，采用表面阻抗的方法對接觸電阻進行設置。模型中，繼電器觸點尺寸根據實際參數設計，仿真計算選用材料的主要物理參數，如熱擴散系數、比熱、導熱系數等，具體數據參見文獻[3]。本文在 COMSOL 接觸對特征設置窗口中選擇罰函數法作為計算方法，對繼電器觸點接觸表面分別添加接觸對，如圖2所示

圖2 接觸對設置

2.2 仿真結果分析

繼電器觸點電場分布是耦合了導電和材料變形的復雜非線性過程，且根據文獻[4]吸和分斷時間僅為10μs、瞬時性強，觸點材料的相關物理性能參數均為隨溫度變化的特點，單純依靠理論計算或試驗的方法很難對繼電器觸點熔焊現象進行全面深入的分析研究。本文采用COMSOL有限元計算方法綜合考慮如材料的熱物理性隨溫度變化、接觸電阻隨溫度變化及多物理場耦合等對觸點電場分布的影響。

圖3 為橫截面電荷密度分布，圖4為橫截面電流密度分布。由仿真結果可知：電流密度沿接觸截面徑向的分布并不是一個固定值，也就是說是非均勻分布，整體呈現由中心向邊緣逐漸遞增的趨勢，而且在接觸的外邊緣區域相對較大，形成環狀較高電流密度分布，進而導致焦耳熱也就是環形熱源。

如圖5、圖6所示，由仿真結果可知：接觸初始時接觸面外溫升影響不大；在接觸面間短時間內由于接觸電阻在電流的作用下產生的焦耳熱不斷溫升；接觸區域溫升與空間電荷密度分布云圖一致，同時由于接觸面間接觸熱阻的存在導致熱量聚集在接觸面之間，進而導致觸頭接觸面間材料達到熔點產生熔焊故障。

圖3 橫截面電荷密度分布

圖4 橫截面電流密度分布

圖5 觸點1μs時溫度分布

圖6 觸點10μs時溫度分布

3 結論

本文在綜合分析觸點間接觸電阻形成機理的基礎上，提出觸點分斷進程中瞬態熱場的機-電-熱-固間耦合分析仿真方法，建立了觸點間分斷進程中接觸電阻產熱瞬態熱場數值模型。對工況電壓12V下觸點間熱場分布進行模擬求解，得到了接觸面間接觸電阻產熱的接觸面溫度場分布，探究了接觸電阻在電流作用下產生的焦耳熱是導致觸頭間金屬熔化的主要原因，為改善繼電器觸頭熔焊現象提供理論支撐。