汽车继电器银基触头侵蚀率的测定与研究
材料的侵蚀率是理解和评估继电器性能和寿命的一个基本参数，研究在汽车14 V直流电源网下汽车继电器触头的侵蚀率。为了提高银触头耐腐蚀性和避免产生焊接，使用复合材料，设计了一维仿真模型计算触头材料的侵蚀率，并与实验结果做对比。该研究对提高汽车继电器电接触材料的安全寿命有重要意义。
关键词： 汽车继电器； 银触头； 侵蚀率； 材料相变； 安全寿命
中图分类号： TN06⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2015）15⁃0120⁃03
Determination and study for erosion rate of automotive relay silver⁃based contact
GUO Lin1， 2
（1. Shangluo University， Shangluo 726000， China； 2. School of Electrical Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China）
Abstract： Since the number of automotive electrical equipment and electrical load has been increased gradually， the study on relay safe life becomes more important. The erosion rate of electrical contact material is a basic parameter to evaluate the relay performance and its life time. The erosion rate of automotive relay contact under 14 V DC power supply is studied. To improve the erosion resistance of the silver contact and avoid generating welding， the one⁃dimensional simulation model was designed to calculate erosion rate of the contact material by using composite materials. The simulation results are compared with experimental results. This study has great significance to improve safe life of automotive relay contact material.
Keywords： automotive relay； silver contact； erosion rate； material phase change； safe life
0 引 言
继电器是汽车电器中的常用开关控制装置，是保障汽车安全、连续行驶的重要基础电器元件。随着安全性和舒适性的提高，汽车上继电器的数目和电能需求日益增多[1]，对继电器的技术指标和安全寿命提出了更高的要求。由于贵金属在所有导电材料中化学稳定性最好，同时具有良好的导电、导热和力学性能，目前研制出来成规模生产的有4个系列：金基、银基、钯基和铂基电接触材料[2]。银基电接触材料有几十种，可分为4个系列：Ag⁃C，Ag⁃MeO，Ag⁃Ni和Ag⁃WC系列，其中，Ag⁃MeO系在中低压电器用电接触材料中应用最广泛[3]。
触头阳极与阴极的侵蚀率作为一个基本参数，用来测量断路装置的寿命。侵蚀率常见测量方法是通过电极测试前后的质量来确定触头质量变化。考虑到阳极与阴极之间的质量转移，实验测试在14 V，40 A直流电下纯银触头的侵蚀率，然后借助于一维模型扩展到复合材料AgMeO。
1 实验过程
1.1 测试设备和步骤
采用的实验装置是一个经过改造和工业开关、继电器类似的条件下完成触头开断动作，它主要由电子模块和步进电机组成。用数字示波器来读取和存储开断期间的电弧电压和电弧电流。此外，使用一个并行晶闸管确保电弧持续时间，这个组件在电弧产生后能够在既定时间开启并停止电弧放电，如图1所示。
图1 电弧形成电路简图
1.2 银触头的侵蚀
实验中检测到多种弧长（1～2 000 μm），要求考虑不同区域的材料转移[4]。在电弧持续过程中，电弧熄灭和电流过零的状态下，阳极和阴极质量变化由微测重量决定，并且测量次数平均超过3次。图2显示了不同弧长作用下银触头的阴、阳极质量变化。
图2 不同弧长作用下银触头的质量转化
2 理论分析与实验结果
2.1 理论分析
电极表面吸收的热通量主要分为阳极热通量和阴极热通量。对于阳极而言，热量主要通过电子传送，而对于阴极，金属离子蒸发电离，将热量向电极表面传递。阳极斑点收集电子列，JD Cobine和EE Burger早就给出了电极中阳极表面的热通量等式，等离子体鞘层转移到阴极表面的热通量[Pion]可以表示为[5]：
[Pion=（1-s）×（Vc+Vi-ϕ）×Jc] （1）
式中：[Vc]指的是阴极电压降；[Vi]指电离能；[Jc]指阴极总电流密度；[s]表示产生电子通量的部分电流。
另外，电极和电弧交界表面上，会接收到热通量，在电极材料上因热量传导、熔化、气化而耗散。为了得到材料的“固体⁃液体⁃气体”相变情况和每一个触头的温度变化，用触头热流通量对时间求导得到热焓量。图3描述了所用轴柱的几何结构，[Oz]为电极轴，当[t=0]的时候，热流作用于[z=0]为圆心、[ra]为半径的圆上。
图3 作用于圆柱状电极的热通量
Rossignol描述了有关一维仿真的数值计算方法[6]。在3D轴对称仿真模型中，能量沿着[Oz]和[Or]两个方向传输。当[t=0时，]室温下每一个点的特定热焓为[H0，]然后随着从圆面开始传输能量，[H]即为相继得到的特定液化焓值和特定的汽化焓值，这样得到液态转化为气态的转化时间，触头侵蚀率就可以表达为气体体积量。然而，这种定义方法需要与实验结果进行比较。研究范围限于坐标[z=zm]和[r=rm，]这些表面的定义要求其坐标符合[H=H0]的条件。
2.2 实验结果和讨论
图2显示了在分离初期（几微米）触头的侵蚀和材料转换。通过显微镜观测到的结果如图4所示，1.7 μm的电弧作用于阳极、阴极斑点表面，得到直径为109 μm的阳极侵蚀区域，91 μm的阴极侵蚀区域，对于这种触头分离值，不能仅考虑单一阴极斑点，应该考虑多斑点分布。表面上的差异是，所有阴极斑点侵蚀区域半径不同，通过几何分析，每1 A有40个发射斑点。对于分离距离较大的触头，理论上只考虑从40 A的侵蚀斑点开始计算。
图4 阴极侵蚀区域图
为了计算2.1部分定义的参数，根据图2中显示的实验结果，阳极侵蚀量和阴极侵蚀量相同。当阳极斑点表面区域没有在触头分离时变化，阳极参数可以由此假设推导出来，然后计算得出侵蚀量值。
3 AgMeO材料的应用
3.1 仿真
无论使用哪种加工过程，在银基体中传播的氧化物颗粒都是很小的几微米，因为它们很小，或者和阴极弧根表面的尺寸相似，或者比阳极斑点区域小很多[7]。在本研究中，一维仿真就可以用来比较ZnO和CdO对银的作用。首先，氧化物和银的演变过程相似，当仅考虑气化过程时，图5从气化速度和热流密度两个因素显示了它们相同的动态。仿真结果展示了银的获取来自两种氧化物，此外，和Ag，ZnO相比，CdO显示了很小的热流阻抗。
3.2 实验结果比较
纯银材料和AgCdO，AgZnO的对比实验结果如图6所示。从图5和图6的实验结果可以看到，在转移材料的数量上和Ag，AgCdO相比，AgZnO表现出更低的转移速率。
图5 Ag，CdO和ZnO的气化速度
图6 不同弧长下材料的转移变化
4 结 语
在14 V DC和40 A环境下，通过对Ag触头进行一维仿真，得到材料转移及侵蚀率和实验结果一致性很高。为了提高材料抗熔焊性能，把如今因环境要求被禁止的金属氧化物ZnO和CdO添加到电极触头的Ag基体中。本文的一维仿真计算得到ZnO和CdO的气化速度，可以作为分析复合材料AgMeO性能的重要因素。
参考文献
[1] 溥存继，谢明，杜文佳，等.贵金属基电接触材料的研究进展[J].材料导报，2014（7）：22⁃25.
[2] 马荣骏.银基电接触材料研究与应用的进展[J].稀有金属与硬质合金，2008（4）：28⁃36.
[3] 李震彪，黄良，吴细秀，等.42 V汽车继电器触点电弧特性[J].低压电器，2007（15）：1⁃4.
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[6] ROSSIGNOL J， ABBAOUI M， CLAIN S. Numerical modelling of thermal ablation phenomena due to a cathodic spot [J]. Journal of Physics D： Applied Physics， 2000， 33（16）： 2079⁃2086.
[7] 荣命哲，王其平.银金属氧化物（AgMeO）触头材料表面动力学特性的研究[J].中国电机工程学报，1993（6）：29⁃34.
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