電接觸的熱效應

電接觸的熱效應第一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/21主要內容第一節(jié)引言第二節(jié)電觸點溫度與電壓的關系第三節(jié)

電觸點熱時間常數(shù)第四節(jié)電觸點熱平衡時的溫度第五節(jié)不同材料相接觸時電觸點溫度與電壓的關系第二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/22第一節(jié)引言一、接觸點的溫度升高的原因導體界面接觸處存在接觸電阻，電流通過產(chǎn)生焦耳熱。接觸點區(qū)域小、熱容小。接觸處基本沒有熱輻射和對流，散熱困難?！鷮е陆佑|點局部區(qū)域溫度升高。第三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/23二、過高的接觸點溫升造成的影響促進觸點表面膜層生長，使接觸電阻升高；接觸點附近的有機物封裝材料受熱分解，吸附在接觸點，使接觸電阻升高。接觸表面的金屬軟化或熔化甚至沸騰，造成接點界面熔結，開關觸點不能正常斷開。在滑動接觸界面上，金屬相互轉移，磨損程度嚴重。但金屬軟化或熔化對接觸電阻無影響。增大擴散速度，使基底金屬加速向表面金屬擴散，加快表面非金屬膜層的形成。因此應當控制接觸點的溫度升高。第四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/24三、研究電觸點熱效應的目的目的找出導電斑點及其附近的溫度大小和分布存在問題及解決方法導電斑點在接觸界面之中，尺寸?。ㄎ⒚准墸话惴椒ú荒苤苯訙y量；從理論推導導電斑點溫度與易于測量的接觸電壓U、通過觸點的電流I之間的關系；測量接觸電壓、電流，間接可知導電斑點的溫度。第五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/25第二節(jié)電觸點溫度與電壓的關系一、場的類比關系由物理基礎知識可知，電流和熱流都服從類似的定律。均勻場電路問題傳熱問題R，電阻；ΔU，電位差；I，電流；ρ，電阻率（m）；Rθ，熱阻；ΔT，溫差；Φ，熱流；λ,熱導率，(W/mK)；對比二式第六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/26一、場的類比關系非均勻場只要二者的數(shù)學模型和邊界條件相同，可用無限小量dR、dRθ代替R、Rθ，同樣成立：（4－2）根據(jù)這個場的類比關系式，即可導出電接觸收縮區(qū)中電位與溫度之間的關系，稱為Φ－θ關系。下面引用Holm在假定電接觸收縮區(qū)中電流和熱流路徑相同條件下，用熱阻概念所作的證明。第七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/27二、接觸點溫度與電壓關系的證明Holm提出的熱流和溫度的模型

假定條件滿足“長收縮”情況，多斑點之間的電位場、溫度場互不干擾，只研究一個導電斑點；接觸界面兩側對稱，材料也相同，因此只須考慮單側。由于兩側對稱熱量產(chǎn)生在接觸界面很小區(qū)域內，無熱流通過界面。 由于導體的外表面和外界環(huán)境是絕熱的，因此收縮斑點產(chǎn)生的熱量全部通過導體的熱傳導作用傳遞出去。電流線和熱流線完全一致，等溫線和等電位線一致，但方向相反。第八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/28二、接觸點溫度與電壓關系的證明模型位置電位溫度溫升AeU/2T00AφTθA00Tmaxθmax第九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/29二、接觸點溫度與電壓關系的證明計算一般式在半無限大收縮區(qū)內取兩無限靠近的等位（等溫）面，研究此兩面間薄殼層的熱傳導；兩等位（等溫）面電位：φ，φ＋dφ；兩等位（等溫）面溫度：T，T＋dT；電流通過此殼層的電阻：dR；熱流通過此殼層的熱阻：dRθ。第十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/210二、接觸點溫度與電壓關系的證明與電路有類比關系，A0和A之間的功率損耗為I，在溫差dT作用下以熱流形式流出。則－IdRθ=dT；（負號是因為熱流方向和電流方向相反）又Rθ=R/ρλ且由歐姆定律有IdR=d可得d=－dT，對其進行積分，積分上限：A0積分下限：A第十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/211二、接觸點溫度與電壓關系的證明可得（4－3）必須指出，熱傳導關系是在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下才成立，即在所研究的熱空間中沒有熱量的積累。第十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/212二、接觸點溫度與電壓關系的證明特殊情況兩收縮區(qū)邊界面之間總接觸電壓為U，半無限大收縮區(qū)邊界面電位分別為±U/2，則接觸材料的電阻率和熱導率均為溫度的函數(shù)，用其平均值代替，則（4－4）第十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/213二、接觸點溫度與電壓關系的證明說明：式（4－4）被廣泛地用來評估接觸界面在運行過程中的溫升。 式（4－4）的右邊只包含了和這兩個材料的特性參數(shù)，而不包含觸點的幾何形狀。因此溫升θ和電位φ之間的關系式對任何形狀、任何尺寸的觸點都是適合的。一般地，設計出來的連接器在極限運行條件下，其溫升不能超過1～3C。若溫升超過這個范圍（比如達到幾十度），則式（4－4）不再成立。因為它是在和設為平均數(shù)的條件下推導出來的，和隨溫度變化時，溫升θ和電位φ之間的關系如下：第十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/214二、接觸點溫度與電壓關系的證明和與溫度有關時的溫度與電壓的關系

材料的導熱系數(shù)和電阻率與溫度有關，它們和溫度之間的關系滿足：0和0分別是溫度為0C時的導熱系數(shù)和電阻率；和分別為和的溫度系數(shù)。是隨溫度的升高而減少，是隨著溫度的升高而增加第十五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/215第十六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/216二、接觸點溫度與電壓關系的證明說明：當通過觸點的電壓降大于10mV時，觸點溫度和環(huán)境溫度有明顯差別。當通過觸點的電壓降大于0.1V時，接觸點的溫度將超過其軟化或熔化溫度，而使接觸面發(fā)生軟化或熔化現(xiàn)象。式（4－5）的適用條件是a-斑點的平均半徑大于材料的自由電子的平均自由行程。表1列出了常見接觸材料發(fā)生軟化或熔化時，由式（4－5）計算得到的電壓值。第十七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/217第十八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/218三、溫升θ和電位φ之間關系的應用Wiedemann-Franz定律由于式（4－4）中是取電阻率ρ和熱導率λ的平均值使積分簡化，但超過常溫范圍的電阻率和熱導率的精確函數(shù)關系還不知道，所以無法積分。使用金屬傳導理論中的Wiedemann-Franz定律解決困難。Wiedemann-Franz公式該定律：自由電子對熱導率的貢獻λe和對電導率的貢獻k之比等于洛倫茲常數(shù)（L＝2.45×10-8(V/k)2）乘以絕對溫度。由于λe是金屬熱導率的主要部分， /k＝＝LT第十九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/219三、溫升θ和電位φ之間關系的應用溫升θ和電位φ之間的關系從工程的觀點看，由這（4－4）和（4－6）兩個式子算得的溫升的差別很小，這說明了式（4－6）在計算溫升時的普遍適用性。式（4－6）和觸點的材料特性無關，只要Wiedemann-Franz定律成立，它既適用于單金屬觸點，也適用于雙金屬觸點。Wiedemann-Franz定律的成立并不意味著最大的觸點溫度發(fā)生在物理界面上。第二十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/220四、觸點在軟化或熔化溫度時的值觸點電流、壓力與溫度的關系由于接觸點的電壓降為：將它代入式（4－6），可得：第二十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/221四、觸點在軟化或熔化溫度時的值和溫度T的關系為：

假定材料硬度H和L不隨溫度而變化，則0：室溫時的材料電阻率；：電阻率溫度系數(shù)；假定n＝1，＝0.7，L＝2.4510-8V2/K2，則第二十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/222常用幾種金屬的軟化溫度、熔化溫度及相應的電壓、值金屬 軟化 熔化 溫度 電壓 溫度 電壓

(C) (V) (A/N1/2)(C) (V) (A/N1/2)Au100 0.08 214.4 1063 0.43394.1Ag 180 0.09 394.2 960 0.37556Sn 100 0.07 102.6 232 0.13138.6Cu 190 0.12 310.0 1083 0.43433.9Al 150 0.1 257.5 660 0.3 365.2第二十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/223第三節(jié)

電觸點熱時間常數(shù)接觸區(qū)熱效應熱穩(wěn)定狀態(tài)：收縮區(qū)的熱過程已達平衡，其溫度大小、分布已與時間無關；熱暫態(tài)：收縮區(qū)的熱過程尚未到達穩(wěn)定狀態(tài)，收縮區(qū)內的溫度大小和分布還在隨時間而變，就是電接觸的暫態(tài)熱效應。熱時間常數(shù)表征發(fā)熱體溫度上升或下降的快慢（熱慣性）電觸點通電、斷電時收縮區(qū)內溫度變化的速度可以用熱時間常數(shù)表征。第二十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/224一、接觸點熱平衡方程在接觸點處由于電流通過接觸電阻而生熱，同時又因熱傳導作用而散熱，接觸處形成熱平衡。熱平衡方程條件：接觸斑點周圍的收縮區(qū)形成直徑為d的球體，球體溫度＝收縮區(qū)溫度，視為等溫體。式中，t為時間，T為溫度，T0為環(huán)境溫度，C為熱容，K為熱導。其解為：第二十五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/225二、熱時間常數(shù)熱時間常數(shù)上式中，為加熱時間常數(shù)，它很難精確計算，但可以作一粗略估算。熱時間常數(shù)估算假定熱流收縮區(qū)為球體，球體半徑為3a，a為等效接觸點圓的半徑，則該球體熱容為：式中，C為單位體積的熱容（可在材料手冊中查到）；V為球體體積。第二十六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/226二、熱時間常數(shù)熱導也以該球體來考慮，從接觸斑點到收縮區(qū)球體外表面的熱導：

K=2(6a)=12a 為材料的導熱系數(shù)，收縮區(qū)熱時間常數(shù)

：材料的電阻率(m)；C：材料的單位體積熱容（J/m3K)；：材料的導熱系數(shù)（W/mK)；Rc：收縮電阻（）。第二十七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/227三、舉例例1：一對金觸點，如接觸電阻為1毫歐，電阻率＝23.510-9m，單位體積熱容C=2.5106J/m3K，導熱系數(shù)=311W/(mK)，求觸點的加熱時間常數(shù)解得＝410-6S。由此可見，加熱時間是非常短促的。分析：在接觸點上加的壓力越大，接觸電阻越小，加熱時間就越長，導電斑點周圍局部溫升越慢。材料的導熱性能越好，加熱時間常數(shù)也越長。第二十八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/228二、熱時間常數(shù)例2：仍以金接觸點為例，如接觸壓力P＝0.1N，通以脈沖電流，周期為12微秒，脈沖幅度為60A，試問這一對金接觸點是否安全。解：假若只考慮單點接觸，其接觸電阻為：加熱時間常數(shù)為：＝410-6S＝4μs因為加熱時間常數(shù)小于電流脈沖周期，故可認為直流通過接觸點而予考慮。此值和表4－2中的金的軟化溫度時的值很接近，故應減少電流值或加大接觸壓力，否則可能出現(xiàn)粘結現(xiàn)象。第二十九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/229第四節(jié)電觸點熱平衡時的溫度一、熱平衡溫度假定發(fā)熱功率為HG＝I2R，熱傳導發(fā)散的熱功率為

HD＝K(T-T0)。

熱平衡溫度為HG－HD直線交點。二、實際熱平衡溫度接觸電阻在不同溫度下是變化的，它隨溫升的上升而增加。即發(fā)熱功率隨溫升的上升而增加。導熱系數(shù)隨溫度的上升而下降，即溫升升高后散熱能力降低。

第三十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/230熱平衡溫度第三十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/231二、實際熱平衡溫度T3是可能達到的最高溫升限度。I3是最高的應用電流（或稱臨界電流）。如果通過的電流大于I3，則HD和HG不再相交，接觸點溫升將繼續(xù)升高，直至燒毀。應該注意的是除接觸電阻造成熱能外，摩擦表面也產(chǎn)生熱能。例如：在導電環(huán)與電刷滑動接觸時，即HG’＝Pv，為表面摩擦系數(shù)，P為接觸壓力，v為滑動線速度。因此在熱功率圖中，產(chǎn)生的熱功率HG應包括因摩擦而產(chǎn)生的熱能，這在高速、大電流電機中是不可忽視的。

第三十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/232三、a-斑點附近的溫度分布可以注意到在幾個收縮斑點的直徑的距離內，溫度就從Tmax降低到體溫度T1。第三十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/233第五節(jié)不同材料相接觸時電觸點溫度與電壓的關系一、概述相同材料相接觸最高溫度發(fā)生在接觸界面上，金屬的軟化和熔化也都出現(xiàn)在接觸界面上。

不同材料相接觸一般總是電阻率高的金屬，導熱系數(shù)小當通過電流后，電阻率高的金屬所產(chǎn)生的熱功率大于另一端電阻率較低的金屬的熱功率，而導熱能力剛好相反。最高溫度不在接觸界面上，而是在電阻率高的金屬一側，并離界面有一定深度的地方，金屬的軟化或熔化可能首先出現(xiàn)在該位置上。第三十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/234二、最大溫升及其位置模型兩接觸元件的電阻率為1和2，導熱系數(shù)為1和2；且2>1

，2<1；最高溫升為max，發(fā)生在M2一側距接觸界面距離為d處，此處電位為0；接觸界面溫升為j，電位為u。等溫面溫升電位Ae0Φ＋uA1θφ＋u界面A0θjuB0θmax0Be0－U第三十五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2023/6/235二、最大溫升及其位置計算接觸點電壓V=+u+U（自M1一側