翟国富王其亚程贤科陈志君

（1. 哈尔滨工业大学军用电器研究所 哈尔滨 150001 2. 桂林航天电子有限公司 桂林 541002）

常温和高温环境下电磁继电器触点侵蚀及失效模式分析

翟国富1王其亚1程贤科2陈志君2

（1. 哈尔滨工业大学军用电器研究所 哈尔滨 150001 2. 桂林航天电子有限公司 桂林 541002）

环境温度是影响电磁继电器触点侵蚀的一个重要因素。根据相同负载不同温度(常温+20℃和高温+125℃)下继电器10万次动作后的对比试验结果，对触点的侵蚀情况和测得的相关数据进行分析，解释两种环境温度下触点侵蚀不同及导致的测试结果差异。同时建立电磁继电器的静、动态特性模型，仿真分析触点侵蚀不同对相关参数的影响。最后推测两种温度下触点的不同失效模式并给出应采取的预防和改进措施。

电磁继电器 环境温度 失效模式 触点侵蚀

1 引言

电磁继电器的失效主要是触点失效，电弧对触点的侵蚀是触点失效的主要原因。影响触点电弧的因素很多，如触点电压[1-4]、电流[5-6]、环境温度[7-8]、分断速度[9]、触点间隙[10-11]、材料等。其中环境温度是影响电弧的一个重要因素。Witter等人对汽车继电器触点在不同温度下的侵蚀与触点激活程度关系进行了相关研究。根据其试验结果，温度越高有机物对触点的激活作用越大，触点的侵蚀程度越小[7-8]。但是触点激活对电弧侵蚀的影响一方面使弧根在触点表面运动导致侵蚀减小，另一方面使燃弧时间增长，造成侵蚀增大。此外，温度还会影响线圈阻值的大小，进而影响触点的分断速度及电弧的侵蚀程度。

鉴于环境温度对触点侵蚀的多方面作用，本文从一批某型号产品中抽出 20只样品，根据其中 10只常温（+20℃）和10只高温（+125℃）环境下直流28V、5A负载的电磁继电器10万次动作后的对比试验结果，对电磁继电器在试验后触点的侵蚀情况和测得的相关数据进行分析，解释两种环境温度下触点侵蚀不同导致的测试数据差异，并建立继电器静、动态特性数学模型，进一步分析侵蚀不同对相关参数的影响。在此基础上推测两种温度下继电器的不同失效模式并给出相应的预防和改进措施。

本文使用的试验样品是对原某型号 1/2晶体罩电磁继电器进行设计优化后制造的产品。原继电器在直流28V、5A负载下仅有2万次电寿命，通过对原产品结构及参数的优化，现该产品在常温和高温下均能达到10万次电寿命，此外，其耐力学环境指标也有原来的Ⅳ类，提高到现在的Ⅴ类。

2 常温和高温阻性试验后的对比分析

常温和高温寿命试验条件下，由于周围环境的不同，继电器内部组件很多物理化学因素发生变化，如线圈电阻随温度的不同会增大或减小，簧片在不同温度下的应力发生变化，有机物使触点激活程度不同等等。以上这些因素导致试验后样品触点侵蚀情况不同，使试验后的各项参数测试结果也产生一定差异。下面分别从吸合电压、吸合时间、释放电压、释放时间、动合超程、静合压力及触点间隙这些方面进行对比分析。

2.1 吸合电压和吸合时间的对比分析

表1列出了常温和高温试验后部分静合触点的压力及烧蚀情况。从该表的对比可以看出，常温试验后静合触点的材料转移在动触点和静合静触点之间，材料的净损失少，夹在触点间的材料向动合静触点方向挤压动触点，使静合压力较大（除去簧片试验后应力释放的因素外，静合压力试验后仍能维持试验前0.12N的大小）；而高温试验后静合触点的烧蚀面较大而且较均匀（可能是高温下有机物对触点的激活作用导致的），转移的材料很大一部分被净损失掉了，致使动簧由于初始形变的原因逐渐向背离动合静触点方向运动以与静合静触点接触，静合压力随之减小（表中测得的触点静合压力大都减小到试验前的一半），当然高温下静合压力减小同时也与该温度下簧片的应力释放较大有关。

表1 常温和高温试验后静合触点侵蚀情况对比（上面为动触点，下面为静合静触点）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）

常温和高温试验后静合触点侵蚀情况的不同，使试验前后样品的吸合电压和吸合时间也发生了一些变化。图1给出了常温和高温试验前后吸合电压和吸合时间的对比情况。高温试验后的吸合电压都较试验前降低，虽然高温试验后，衔铁行程也会略微增大，但主要是由于静合压力在试验后显著减小，同时由于高温下簧片应力会充分释放使机械反力减小造成的。常温试验后的吸合时间都较试验前长，其原因是继电器在动作 10万次后衔铁行程略微增大（每次衔铁释放都会与止推挡相碰导致的），另一方面是静合触点的材料转移“抬高了”动触点，使动簧形变加大（即静合压力在试验前后并未减少），这两方面原因使得吸合时间变长。

图1 常温和高温试验前后吸合电压、时间对比Fig. 1 Comparison of pickup voltage and time after tests of room and high temperatures

2.2 释放电压和释放时间的对比分析

表2为常温和高温试验后部分动合触点侵蚀情况对比。从该表可以看出，常温试验后动合触点转移的材料堆积在动触点和动合静触点间，使触点间隙减小动合超程增大；而高温试验后动合触点间转移的材料（除烧穿触点外）很大一部分被喷溅到触点之外，使得触点间隙并未明显减小，甚至个别样品（如25号样品）的触点间隙有所增大。动合触点材料的净损失导致高温试验后样品动合超程减小释放电压降低。

样品在高温下动合静触点有烧穿的现象说明，高温下触点的侵蚀较常温下更为严重。触点被烧穿可能是由于该触点的超程较小，导致触点压力变小，使转移的材料不能通过触点闭合时的摩擦和挤压较均匀地分布在触点表面（即使高温下有机物对触点有较强的激活作用），电弧始终在材料转移引起的很小“凸起”处燃烧（烧穿的触点堆积物都呈很尖的“山峰”状），最终导致动合静触点烧穿。

表2 常温和高温试验后动合触点侵蚀情况对比（上面为动合静触点，下面为动触点）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）

图 2是常温和高温试验前后释放电压和释放时间的对比曲线。从对比曲线可以看出，常温试验后释放电压升高释放时间普遍缩短，高温试验后释放电压降低释放时间普遍变长。释放电压和释放时间在常温和高温试验后发生不同变化的原因是两种条件下动合触点材料净损失的不同。常温试验后，动合超程普遍增大，而高温试验后动合超程则普遍减小。动合超程的大小直接影响到释放电压的高低和释放时间的长短。

图2 常温和高温试验前后释放电压、时间对比Fig. 2 Comparison of release voltage and time after tests of room and high temperatures

3 理论分析常温和高温下继电器的相关参数变化

通过建立电磁继电器的静态和动态模型，分析不同温度下触点侵蚀不同导致的继电器相关参数变化。图3为所研究的电磁继电器结构示意图，该继电器常温下线圈电阻为 980Ω，额定电压为直流28V。

3.1 数学模型建立及求解

继电器在不同电压下的静态吸力矩特性通过三维有限元软件FLUX3D求解。动态过程的计算通过求解继电器动态特性的状态方程组（式（1））完成。

图3 电磁继电器结构示意图Fig. 3 Sketch map of electromagnetic relay’s structure

式中 t——时间；

ψ，U，R，i——线圈磁链、电压、电阻和电流；

α，ω——衔铁角位移、角速度;

Mx，Mf，J——衔铁受到的吸力矩、衔铁受到的反

力矩和衔铁系统的转动惯量；

ψ0——吸合过程初始时刻的线圈磁链；

α0，ω0——初始时刻的衔铁角位移和角速度。

反力矩函数Mf（α）的具体表达形式如式（2）和式（3）所示。

式中 δ1，δ2，δ3，δ4——衔铁在空程、动断超程、自由行程和动合超程阶段的旋转角度；

Finti_r_s——返簧初始预压力；lf，la，lr_a，L——返簧力矩、衔铁端部至其转轴距离、推动器端部至衔铁转轴的距离和推动器端部至衔铁转轴的水平距离；

kf——返簧刚度；C0，C1，Cm，Ck——与推动器接触处的动簧柔度、静合触点处的动簧柔度、推动器接触处与静合触点处的动簧互柔度和静合静簧柔度；Cm′，Ck′——动合触点处的动簧柔度、推动器接触处与动合触点处的动簧互柔度和动合静簧柔度。

方程组（1）中，线圈电流i和吸力矩Mx为线圈磁链ψ 和衔铁位移α的二元函数（不考虑铁心涡流）。因此，在求解该方程组时，先通过三维有限元软件FLUX3D计算电磁系统在不同线圈电流不同衔铁位移下的ψ 和α，然后采用4阶Runge-Kutta方法迭代求解，迭代过程中的i和Mx根据已计算的不同电流不同衔铁位移下的ψ 和α 插值得到。

3.2 线圈电阻变化对衔铁运动速度的影响

线圈在常温（+20℃）下的阻值为980Ω，根据铜材料电阻随温度变化关系式，高温（+125℃）下的线圈电阻为1386Ω。图4为这两种阻值下计算得到的吸力矩和衔铁转速曲线。从对比曲线可以看出，在衔铁的整个行程中，高温下的吸力矩和衔铁转速明显小于常温下的吸力矩和衔铁转速。在静合触点分断处，常温下衔铁的转速为 7693°/s，高温下的转速仅为5236°/s，下降了约30%。因此高温下，触点的燃弧时间更长，电弧侵蚀更严重。

图4 不同温度下吸力矩和衔铁转速的比较（衔铁行程8.5°，返簧预压力0.08N，静合压力0.12N，触点间隙0.25mm，动合超程0.05mm）Fig. 4 Comparison of attraction torque and angular velocity with different temperatures

3.3 静合触点侵蚀与空载、吸合电压关系分析

通过上文分析，常温试验条件下，静合触点侵蚀以材料转移为主，静合压力基本保持不变，触点间隙减小；高温下，静合触点以净损失为主，静合压力减小，触点间隙基本不变。

图 5a为计算得到的静合压力不变触点间隙由0.27mm减小到0.17mm时机械反力矩与静态吸力矩的关系曲线。由该曲线关系可以看出，触点间隙为0.27mm时，继电器的空载、吸合电压分别为11.8V和15.0V。当触点间隙减小为0.17mm时，空载和吸合电压基本相同，都为 11.8V。触点间隙的减小降低了吸合电压，继电器基本能一步吸合到底，与试验后测试现象一致。

图5b为高温试验后静合压力减小对空载、吸合电压影响的关系曲线。静合压力（0.12N）减小前空载、吸合电压分别为 11.8V和 15.0V，当该压力减小为0.06N时，继电器在11.8V下一步就能吸合到底，也与高温试验后继电器基本一步吸合到底的现象一致。

图5 静合触点侵蚀对空载、吸合电压影响Fig. 5 Influence of erosion of NC contacts to unloaded and pickup voltages

3.4 动合触点侵蚀对释放电压、时间及速度的影响

根据上文分析，常温试验条件下，动合触点侵蚀以材料转移为主，动合超程增大，触点间隙减小；高温下，动合触点以材料净损失为主，动合超程减小，触点间隙基本不变。

图6为不同动合超程下的反力矩与吸力矩的关系曲线。从图中曲线可以看出，动合超程为0.07mm时，继电器的释放电压约为 6.0V，当超程减小为0.04mm时，释放电压降为 5.2V，与常温试验后释放电压升高，高温试验后释放电压降低的测试现象一致。

图6 动合超程对释放电压的影响（衔铁行程8.3°返簧预压力0.06N，静合压力0.12N，触点间隙0.27mm）Fig. 6 Influence of over travel of NO contacts to release voltage

图7为动合超程与释放时间、动合触点分断速度的关系曲线。由图中曲线可以看出，释放时间随动合超程增大几乎呈线性减小，动合触点分断速度则随动合超程增大几乎呈线性增大。因此，常温下动合触点分断速度高于高温下的分断速度，高温下动合触点的电弧侵蚀更严重。

图7 动合超程与释放时间及释放分断速度的关系曲线（衔铁行程8.3°返簧预压力0.06N，静合压力0.12N，触点间隙0.27mm）Fig. 7 Relationship curves of NO contacts’ over travel, release time and release velocity

4 结论

综合以上试验结果和理论分析，可以得出：

（1）常温下电弧对触点（不论是静合触点还是动合触点）的侵蚀以材料转移为主，而高温下以净损失为主，且高温下电弧对触点的侵蚀更严重。

（2）常温和高温下触点失效的机理不同，常温下触点失效是由转移的材料在触点间堆积引起，高温下触点失效则是由触点材料转移过多导致的无动合超程和无静合压力引起。

（3）延长常温下触点的寿命以增大触点间隙为主，延长高温下触点寿命则要以适当增大动合超程和静合压力为主。

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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

翟国富 男，1964年生，教授，博士生导师，主要研究方向为电器可靠性设计与测试技术。

民用航天科研预先研究资助项目（B1220062302）。

2009-06-09 改稿日期2009-09-07

王其亚 男，1982年生，博士研究生，主要研究方向为电磁继电器综合优化设计技术。