En systematisk analyse af relækontaktmaterialer og levetid

Relæer er blandt de mest almindeligt anvendte kontrolkomponenter i ikke-standard automatiserede kontrolsystemer, strømstyringssystemer og industrielt udstyr. Kernen i relæydelsen ligger i dets kontaktsystem. Valget af kontaktmaterialer og deres tilsvarende elektriske og mekaniske levetid bestemmer direkte relæets pålidelighed, vedligeholdelsescyklus og stabiliteten af ​​hele systemet. Passende udvælgelse af kontaktmaterialer og strukturelle former hjælper med at reducere antallet af udstyrsfejl og vedligeholdelsesomkostninger markant.

 

 

Relæets levetid er generelt opdelt i to kategorier: mekanisk levetid og elektrisk levetid.

 

Mekanisk levetid refererer til antallet af gentagelige operationer forårsaget af mekanisk påvirkning alene under ubelastede forhold, som typisk når millioner eller endda milliarder af gange. Elektrisk levetid henviser på den anden side til det antal gange, kontakterne fuldfører koblingshandlinger og opretholder normal funktion under nominelle belastningsforhold, og er normalt betydeligt lavere end den mekaniske levetid.

 

Den typiske forventede elektriske levetid for generelle-relæer og effektrelæer er generelt ikke mindre end 100.000 cyklusser, men denne værdi er meget afhængig af specifikke driftsforhold. Når kontakterne fungerer under forhold under den nominelle belastning, kan deres faktiske elektriske levetid ofte forlænges flere gange. For eksempel udviser kontakter med høj-strøm betydeligt reduceret lysbueenergi og langsommere materialeerosionshastigheder, når de skifter mindre resistive belastninger, og opnår dermed en levetid i millioner af cyklusser.

 

Slutningen af ​​den elektriske levetid stammer typisk fra følgende fejltilstande: Materialemigration sker under gentagne lysbuer, hvilket fører til svejsning eller vedhæftning; Alvorligt materialetab fra sprøjt eller ablation af kontaktflader forhindrer stabil elektrisk kontakt; Kontaktmodstanden øges konstant og overskrider systemets tilladte område.

 

I praktisk konstruktion kan kontaktlevetiden effektivt forlænges gennem det rationelle design af kontaktmaterialer, kontakttryk og tilsvarende lysbuedæmpningsforanstaltninger.

 

 

Relækontakter kan bruge forskellige ædle metaller og legeringer. Forskellige materialer udviser betydelige forskelle i ledningsevne, lysbuemodstand, svejsbarhed og slidstyrke. Almindelige former omfatter enkelt-metalkontakter, kompositmaterialekontakter og bimetalliske strukturer, såsom bimetalsølvkontakter, bimetalkontaktnitter og bimetalsølvkontakter, der er meget udbredt i industrielle relæer og strømrelæer.

 

I medium-til-højstrømsapplikationer er sølv-baserede kompositmaterialer det almindelige valg, der opnår en god balance mellem ledningsevne og lysbuerosionsbestandighed. Disse materialer eksisterer typisk i form af sammensatte kontakter eller præcisionselektriske kontakter, fremstillet gennem pulvermetallurgi eller kold overskriftsprocesser.

 

 

1. Sølvcadmiumoxid (AgCdO)

Sølv-cadmiumoxid har længe været et typisk materiale til medium-til-højstrømsrelækontakter. Dette materiale anvender pulvermetallurgi til ensartet fordeling af sølv og cadmiumoxid og kombinerer næsten -ren sølvledningsevne med fremragende svejsemodstand. Dens fordele omfatter:

 

Under buedannelse hæmmer cadmiumoxid effektivt materialemigrering;

Den har en god-bueslukningsevne, hvilket reducerer risikoen for kontaktvedhæftning markant;

Under passende kontakttryk forbliver kontaktmodstanden stabil.

 

Typisk er cadmiumoxidindholdet i AgCdO mellem 10% og 15%. Efterhånden som indholdet stiger, forbedres svejsemodstanden, men duktiliteten og koldbearbejdningsegenskaberne falder tilsvarende. Derfor bruges dette materiale ofte i strukturer som Bimetal Rivet For Relays for at balancere bearbejdelighed og elektrisk ydeevne.

 

2. Sølvtinoxid og sølvindiumtinoxid (AgSnO, AgInSnO)

Med stadig strengere miljøbestemmelser for cadmiummaterialer er sølvtinoxid og sølvindiumtinoxid efterhånden blevet vigtige alternativer til AgCdO. Disse materialer har højere hårdhed og god loddeevne, hvilket gør dem særligt velegnede til applikationer med betydelig overspændingsstrøm og lav konstant-strøm, såsom filamentbelastninger eller induktive belastninger.

 

Sammenlignet med AgCdO har disse materialer en lidt højere volumenresistivitet, men de udviser god pålidelighed i bilrelæer og DC-systemer, især velegnede til høj-pålidelighedskontaktstrukturer såsom switch-sølvkontakter og faste sølvkontakter.

 

 

Rent sølv har den højeste elektriske og termiske ledningsevne af alle metaller, ekstremt lav kontaktmodstand og relativt kontrollerbare omkostninger; derfor er det meget brugt i sølv elektriske kontakter. Dets ulemper omfatter imidlertid følsomhed over for sulfidering, sløvning af overfladen og langtidsstabilitet, der begrænses af miljøet.

 

Sølv-kobberlegeringer forbedrer slidstyrken og reducerer svejsbarheden ved at introducere kobber, hvilket gør dem velegnede til medium-aktuelle applikationer.

 

Sølv-wolframmaterialer har ekstremt høje smeltepunkter og lysbuemodstand, men kræver højt kontakttryk og har relativt høj kontaktmodstand, hvilket gør dem primært brugt i høje-påvirkningsbelastninger, såsom glidende elektriske kontakter eller slæberingskontakter.

 

Sølv-nikkelmaterialer forbedrer markant lysbue-erosionsbestandigheden, mens de bevarer næsten-ren sølvledningsevne.

 

Sølv-palladiummaterialer har høj hårdhed og lavt slid, men er dyrere og bruges typisk i præcisionsrelæer med ekstremt høje levetidskrav.

 

Sølv-kobbersystemer udviser god korrosionsbestandighed i lav-strømkredsløb, hvilket gør dem velegnede til let-belastningsapplikationer såsom fjederelektriske kontakter.

 

 

Moderne relækontakter anvender ofte bimetal- eller kompositstrukturdesign, såsom bimetalkontakter Ag/Cu, koldhovedede bimetalkontakter og bimetalliske nittekontakter. Disse strukturer opnår en optimal balance mellem omkostninger, ledningsevne og levetid ved at dele materialet mellem det ledende substrat og det arbejdende kontaktlag.

 

I praktiske applikationer afhænger valget af kontaktmaterialer ikke kun af mærkestrømmen, men også af en nøje overvejelse af belastningstype (resistiv, induktiv, kapacitiv), driftsspænding, miljøforhold og forventet levetid. For systemer med høj-pålidelighed er det ud over materialevalg ofte nødvendigt at overveje passende kontaktform, kontakttrykdesign og bue-slukningsstrategier.
 

 

Relæ kontakterer kritiske komponenter i elektriske systemer, der er mest udsat for fejl, og deres materialesystem bestemmer direkte relæets elektriske levetid og systemets pålidelighed. Ved videnskabeligt at udvælge kontaktmaterialer, rationelt matche belastningskarakteristika og vedtage modne bimetalliske eller sammensatte kontaktstrukturer, kan relæernes levetid forlænges betydeligt. Med udviklingen af ​​ny energi, bilelektronik og industriel automation vil efterspørgslen efter højtydende elektriske kontakter og ædelmetalkontakter fortsætte med at vokse, og kontaktmaterialeteknologi vil fortsætte med at udvikle sig mod højere pålidelighed og miljøvenlighed.