第六章 电接触理论()

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第六章 电接触理论
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§6-2 电接触内表面的物理图景
电接触
宏观 平坦光滑
微观 凸凹不平
电接触的表面状况与材料、加工方法、工艺有关
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§6-2 电接触内表面的物理图景
电接触的物理过程
视在接触面积（大）
实际接触面积（很小） 接触点压强（很大）
cd
I
Uj
Ta
Rj 曲线上升
d点 熔点
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熔点对应的接触电压称为接触 材料的熔化电压
铜的熔化电压：0.43Ｖ 对应的熔化温度：1083˚C
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§6-4 ψ-θ理论和接触电压
电接触的Ｒj-Uj静特性
清洁交叉铜棒接触的静特性
d点 熔点
de 斑点金属熔为一体
Rj显著减小
直流测量的难点
接触导电斑点尺寸非常小，且分布于接触内表面之中
ψ-θ理论：给出了接触压降与接触点温度的关系
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§6-4 ψ-θ理论和接触电压
在ψ-θ相同的边界条件下，两接触元件收缩区中热流（温 度场）与电流（电位场）完全重合
求解原理：导电（导热）薄层中的能量平衡方程
可分、合接触的工作条件最苛刻，对其要求也最高
闭合状态：局部发热 分断、关合：产生电弧、触头烧蚀、触头材料损失、熔焊
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§6-1 概述
对电接触的要求
长期通过额定电流时，温升不超过国家标准规定的数 值，而且温升长期保持稳定
短时通过短路电流或脉冲电流时，不发生熔焊或松弛
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第六章 电接触理论
§6-1 概述 §6-2 电接触内表面的物理图景 §6-3 接触电阻的理论和计算 §6-4 ψ-θ理论和接触电压 §6-5 触头闭合过程的振动分析 §6-6 触头间的电动斥力 §6-7 触头熔焊与焊接力 §6-8 触头的质量转移和磨损
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第六章 电接触理论
收缩电阻
导电斑点之间没有影响
对孤立导电斑点，总收缩电阻理论公式为
接触元件材料的电阻率
导电斑点的半径
收缩电阻的物理意义：收缩电阻的本质就是金属电阻，其大小 与接触元件材料的电阻率成正比，与导电斑点的直径成反比
n个并联导电斑点的收缩电阻
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n个导电斑点半径的平均值
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§6-3 接触电阻的理论和计算
电器理论基础
Fundamentals of Electrical Apparatus
电气与控制工程学院 王智勇
第六章 电接触理论
本章教学目的与要求：
• 掌握接触电阻的理论和计算，熟悉各种电接触，了解电接 触内表面的物理图景；
• 掌握接触点最高温升的计算，了解触头闭合过程的振动； • 掌握触头间的电动斥力、熔焊与焊接力，熟悉触头材料，
铜
在空气中会由吸附膜发展为氧化暗膜
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§6-3 接触电阻的理论和计算
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
接触电阻（Rj）
对于电接触，最关于的是膜的导电性和是否易于破坏 设电子透过势垒形成的电流密度为J，接触面之间的
电压为U
膜的隧道电阻率（面电阻率）
膜电阻
n个并联导电斑点的膜电阻
绝缘膜的破坏
由电流线收缩而形成的附加电阻称为收缩电阻 若实际接触面之间的薄膜能导电，则当电流通过薄膜时有 另一附加电阻，称膜电阻
接触电阻一般包含三个部分
一个接触元件 的收缩电阻
接触面间的 膜电阻
另一个接触元件 的收缩电阻
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§6-3 接触电阻的理论和计算
接触电阻（Rj）
接触电阻一般包含三个部分
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§6-3 接触电阻的理论和计算
接触电阻（Rj）
电接触处存在的附加电阻 产生接触电阻的原因
视在接触面
导电斑点
电流线收缩
导电膜
电流路径 导电截面 收缩电阻
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膜电阻
接触电阻
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§6-3 接触电阻的理论和计算
接触电阻（Rj）
实质
了解触头质量的转移与磨损； • 通过本章的学习，学生应掌握电器开关中接触电阻所涉及
的因素，电器设计中接触点最高温升的计算，如何降低触 头闭合过程中的振动。
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第六章 电接触理论
本章教学重点与难点：
接触电阻的理论和计算；接触点最高温升的计算；斑点
的温度θm和接触电阻Rj的大小。
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§6-4 ψ-θ理论和接触电压
电接触的Ｒj-Uj静特性
清洁交叉铜棒接触的静特性
ab
I
Uj
Ta
Rj 曲线上升
b点 软化点
软化点对应的接触电压称为接触 材料的软化电压
铜的软化电压：0.12Ｖ 对应的软化温度：180˚C
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§6-4 ψ-θ理论和接触电压
测得θ0，Ｕj即可求得斑点温度θm
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§6-4 ψ-θ理论和接触电压
在ψ，θ相同的边界条件下，两接触元件收缩区中热流
（温度场）与电流（电位场）完全重合 求解原理：导电（导热）薄层中的能量平衡方程
θm： 导电斑点温度 θ0： 收缩区外导体温度 Uj: 接触电压降 λ： 热导率（温度的函数）
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第六章 电接触理论
§6-1 概述 §6-2 电接触内表面的物理图景 §6-3 接触电阻的理论和计算 §6-4 ψ-θ理论和接触电压 §6-5 触头闭合过程的振动分析 §6-6 触头间的电动斥力 §6-7 触头熔焊与焊接力 §6-8 触头的质量转移和磨损
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第六章 电接触理论
可分、合接触在开断过程中，触头材料损失应尽量小
可分、合接触在闭合过程中，接触处不应发生不能断 开的熔焊，且触头表面不应有严重的损伤或变形
主要研究内容
接触电阻 温升 熔焊 触头材料损失
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第六章 电接触理论
§6-1 概述 §6-2 电接触内表面的物理图景 §6-3 接触电阻的理论和计算 §6-4 ψ-θ理论和接触电压 §6-5 触头闭合过程的振动分析 §6-6 触头间的电动斥力 §6-7 触头熔焊与焊接力 §6-8 触头的质量转移和磨损
接触电阻（Rj）
接触电阻一般包含三个部分 表面膜
清洁的金属表面吸附一层气体，其中的氧气或其他活泼气体常 与反应生成表面膜 表面膜的类型
绝缘膜：厚10-8 ~ 10-9 m，如金属表面氧化膜，颜色灰暗，又称为 暗膜 导电膜：厚度极薄、厚度为10-10 m，电子可借“隧道效应”透过 薄膜而导电，又称为吸附膜
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§6-4 ψ-θ理论和接触电压
由于接触电阻的存在，电流通过时，接触处的温度最高
单位体积的发热功率：
电接触区域的散热
接触内表面气隙很小，对流的作用可忽略 空气的热导率很小，热传导可忽略 电接触处绝对温度不高，辐射可忽略 电流收缩区的热量只能通过两接触元件传导出去
关心的问题？
在一定的电流下，斑点的最高温度以及收缩区的温度分布
平衡
实际接触面积 接触点压强
视在接触面积
>>
实际接触面积
>>
导电斑点面积
导电斑点
氧化膜破裂
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第六章 电接触理论
§6-1 概述 §6-2 电接触内表面的物理图景 §6-3 接触电阻的理论和计算 §6-4 ψ-θ理论和接触电压 §6-5 触头闭合过程的振动分析 §6-6 触头间的电动斥力 §6-7 触头熔焊与焊接力 §6-8 触头的质量转移和磨损
8点以后触头反跳距离 小于触头的形变距离， 虽有振动但不再分离
面电阻率：Ω·m2
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§6-3 接触电阻的理论和计算
接触电阻（Rj）
接触电阻一般包含三个部分 表面膜
金
表面无暗膜，只有吸附膜。这种膜极易隧道导电，在电子设备中 大量使用
银
不易氧化，但大气中有臭氧存在时，氧化成Ag2O（易于清除，且 在200˚С时即分解），大量用于触头材料
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§6-4 ψ-θ理论和接触电压
在ψ，θ相同的边界条件下，两接触元件收缩区中热流
（温度场）与电流（电位场）完全重合 求解原理：导电（导热）薄层中的能量平衡方程
θm： 导电斑点温度 θ0： 收缩区外导体温度 Uj: 接触电压降 λ： 热导率（温度的函数）
ρ： 电阻率（温度的函数）
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§6-5 触头闭合过程的振动分析
以第一类触头结构为例
弹簧的作用 施加触头压力 提高刚分速度 减小触头弹跳
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§6-5 触头闭合过程的振动分析
以第一类触头结构为例
碰撞瞬间 触头开始发生变形
弹性 塑性 可恢复 不可恢复
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达到最大变形 动触头开始反弹
达到最大反跳距离 动触头向下运动
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§6-5 触头闭合过程的振动分析
以第一类触头结构为例
动触头运动
碰撞（变形） 消耗能量
反跳
< 反跳力
减小触头弹跳
弹簧压缩 弹簧压力
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§6-5 触头闭合过程的振动分析
触头振动弹开距离与时间的关系
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§6-5 触头闭合过程的振动分析
触头在闭合过程中会产生弹跳（Bounce），称为 触头的机械振动（Vibration） 触头振动的危害
接触电阻周期性地增大，甚至分离产生电弧，使触头 熔焊和烧损
电器中触头结构的分类
动触头装有弹簧，静触头刚性联接
静触头装有弹簧，动触头刚性联接 动、静触头都装有弹簧
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第六章 电接触理论
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§6-1 概述
电接触（Electrical Contact）
电流从一个导体传向另一个导体，导体间的接触处称 为电接触
电接触的类型
固定接触
滚动和滑动接触
可分、合接触
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第六章 电接触理论
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§6-1 概述
电接触的类型
固定接触 滚动和滑动接触 可分、合接触
电接触的Ｒj-Uj静特性
清洁交叉铜棒接触的静特性
b点 软化点
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bc
接触面积 很快扩大
Rj
显著减小
cd
I
Uj
Ta
Rj 曲线上升
材料达到软化点后一段温度范围内机 械强度不再减小，接触斑点不再扩大
第六章 电接触理论
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§6-4 ψ-θ理论和接触电压
电接触的Ｒj-Uj静特性
清洁交叉铜棒接触的静特性
L:洛仑兹（Lorenz）系数，与金属材料的种类和温度都无关， 理论值为
求解原理：导电（导热）薄层中的能量平衡方程
在Tm远大于Ｔ0时：
接触电压是反映斑点温度的主要参量
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§6-4 ψ-θ理论和接触电压
电接触的Ｒj-Uj静特性
直流稳态电流下，改变I ，保持I不变，测量接触电压和电流， 所得到的接触电阻Rj = Uj / I 与接触电压Uj之间的关系 清洁交叉铜棒接触的静特性
电的方法：击穿、熔解
机械的方法：挤压、滚滑、碰撞
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第六章 电接触理论
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§6-3 接触电阻的理论和计算
接触电阻（Rj）
单个导电斑点的接触电阻
n个并联导电斑点的接触电阻
n和ap与接触力F有关
经验公式
点接触 与接触形式有关 线接触
面接触
与材料的电阻率和硬度有关
m增大
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ρ： 电阻率（温度的函数）
测得θ0，Ｕj即可求得斑点温度θm
但λ、ρ的平均值一般很难得到
可利用魏德曼弗朗兹（Wiede-Mann-Franz）定律
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§6-4 ψ-θ理论和接触电压
魏德曼弗朗兹（Wiede-Mann-Franz）定律
任何纯金属材料在理论上λρ与温度T成线性关系
ef 斑点熔化
Rj减小 发热减小 热传导增强 温度降低、凝固
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第六章 电接触理论
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§6-4 ψ-θ理论和接触电压
电接触的Ｒj-Uj静特性
清洁交叉铜棒接触的静特性
b点 软化点
d点 熔点
实用意义
若已知材料的软化电压和熔化电压，就可估计触头不发生熔焊的 最大允许通过的电流
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本章教学基本内容：
概述 电接触内表面的物理图景 接触电阻的理论和计算
ψ-θ理论和接触电压
触头闭合过程的振动分析 触头间的电动斥力 触头熔焊与焊接力 触头的质量转移和磨损
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第六章 电接触理论
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第六章 电接触理论
§6-1 概述 §6-2 电接触内表面的物理图景 §6-3 接触电阻的理论和计算 §6-4 ψ-θ理论和接触电压 §6-5 触头闭合过程的振动分析 §6-6 触头间的电动斥力 §6-7 触头熔焊与焊接力 §6-8 触头的质量转移和磨损