Systematyczna analiza materiałów stykowych przekaźników i ich żywotności

Przekaźniki należą do najczęściej używanych elementów sterujących w-niestandardowych zautomatyzowanych systemach sterowania, systemach sterowania mocą i sprzęcie przemysłowym. Podstawą wydajności przekaźnika jest układ styków. Wybór materiałów stykowych i odpowiadająca im trwałość elektryczna i mechaniczna bezpośrednio determinuje niezawodność przekaźnika, cykl konserwacji i stabilność całego systemu. Odpowiedni dobór materiałów stykowych i form konstrukcyjnych pomaga znacznie zmniejszyć awaryjność sprzętu i koszty konserwacji.

 

 

Żywotność przekaźników ogólnie dzieli się na dwie kategorie: żywotność mechaniczną i żywotność elektryczną.

 

Trwałość mechaniczna odnosi się do liczby powtarzalnych operacji spowodowanych samym działaniem mechanicznym w-warunkach bez obciążenia i zwykle sięga milionów, a nawet miliardów razy. Z drugiej strony, żywotność elektryczna odnosi się do tego, ile razy styki wykonują czynności przełączające i utrzymują normalne funkcjonowanie w warunkach obciążenia znamionowego i zwykle jest znacznie krótsza niż żywotność mechaniczna.

 

Typowa oczekiwana żywotność elektryczna-przekaźników ogólnego przeznaczenia i przekaźników mocy wynosi zazwyczaj nie mniej niż 100 000 cykli, ale wartość ta w dużym stopniu zależy od konkretnych warunków pracy. Gdy styki pracują w warunkach poniżej obciążenia znamionowego, ich rzeczywista żywotność elektryczna może często zostać kilkakrotnie wydłużona. Na przykład styki o wysokim-prądzie znamionowym charakteryzują się znacznie zmniejszoną energią łuku i wolniejszym tempem erozji materiału podczas przełączania mniejszych obciążeń rezystancyjnych, co pozwala osiągnąć żywotność liczoną w milionach cykli.

 

Koniec żywotności elektrycznej wynika zazwyczaj z następujących rodzajów awarii: Migracja materiału następuje pod wpływem powtarzającego się łuku elektrycznego, co prowadzi do spawania lub przylegania; Poważne straty materiału w wyniku rozprysków lub ablacji powierzchni kontaktowej uniemożliwiają stabilny kontakt elektryczny; Rezystancja styku stale wzrasta, przekraczając dopuszczalny zakres systemu.

 

W praktycznej inżynierii żywotność styków można skutecznie wydłużyć poprzez racjonalne zaprojektowanie materiałów stykowych, nacisku kontaktowego i odpowiednich środków tłumienia łuku.

 

 

Styki przekaźnika mogą wykorzystywać różne metale szlachetne i stopy. Różne materiały wykazują znaczne różnice w przewodności, odporności na łuk, spawalności i odporności na zużycie. Typowe formy obejmują styki jedno-metalowe, styki z materiałów kompozytowych i struktury bimetaliczne, takie jak bimetaliczne srebrne styki, bimetaliczne nity kontaktowe i bimetaliczne srebrne styki, szeroko stosowane w przekaźnikach przemysłowych i przekaźnikach mocy.

 

W zastosowaniach od średnio-do-wysokoprądowych, głównym wyborem są materiały kompozytowe na bazie srebra-, które zapewniają dobrą równowagę pomiędzy przewodnością a odpornością na erozję łukową. Materiały te zazwyczaj występują w postaci styków kompozytowych lub precyzyjnych styków elektrycznych, wytwarzanych w procesie metalurgii proszków lub procesów tłoczenia na zimno.

 

 

1. Tlenek srebra i kadmu (AgCdO)

Tlenek srebra i kadmu od dawna jest typowym materiałem na styki przekaźników średnio-do-wysokoprądowych. W materiale tym zastosowano metalurgię proszków do równomiernego rozprowadzenia srebra i tlenku kadmu, łącząc w sobie przewodnictwo niemal-czystego srebra z doskonałą odpornością na spawanie. Jego zalety to:

 

Pod wpływem łuku tlenek kadmu skutecznie hamuje migrację materiału;

Ma dobrą zdolność-gaszenia łuku, znacznie zmniejszając ryzyko przywierania styków;

Przy odpowiednim docisku styku rezystancja styku pozostaje stabilna.

 

Zazwyczaj zawartość tlenku kadmu w AgCdO wynosi od 10% do 15%. Wraz ze wzrostem zawartości poprawia się opór spoiny, ale odpowiednio zmniejsza się ciągliwość i właściwości obróbki na zimno. Dlatego materiał ten jest często stosowany w konstrukcjach takich jak nit bimetaliczny do przekaźników, aby zrównoważyć przetwarzalność i parametry elektryczne.

 

2. Tlenek srebra i cyny (AgSnO, AgInSnO)

Wraz z coraz bardziej rygorystycznymi przepisami środowiskowymi dotyczącymi materiałów kadmowych, tlenek srebra i cyny i tlenek srebra, indu i cyny stopniowo stają się ważną alternatywą dla AgCdO. Materiały te mają wyższą twardość i dobrą lutowność, co czyni je szczególnie odpowiednimi do zastosowań ze znacznym prądem udarowym i niskim prądem w stanie-stanu ustalonego, takich jak obciążenia żarnikowe lub obciążenia indukcyjne.

 

W porównaniu do AgCdO materiały te mają nieco wyższą rezystywność skrośną, ale wykazują dobrą niezawodność w przekaźnikach samochodowych i systemach prądu stałego, szczególnie nadają się do-niezawodnych konstrukcji stykowych, takich jak srebrne styki przełączników i stałe srebrne styki.

 

 

Czyste srebro ma najwyższą przewodność elektryczną i cieplną ze wszystkich metali, wyjątkowo niską rezystancję styku i stosunkowo kontrolowalne koszty; dlatego jest szeroko stosowany w srebrnych stykach elektrycznych. Jednak jego wady obejmują podatność na siarczkowanie, matowienie powierzchni i-długoterminową stabilność ograniczoną przez środowisko.

 

Stopy srebra-miedzi dzięki dodaniu miedzi poprawiają odporność na zużycie i zmniejszają spawalność, dzięki czemu nadają się do zastosowań średnio-prądowych.

 

Materiały zawierające srebro-wolframowe mają niezwykle wysokie temperatury topnienia i odporność na łuk elektryczny, ale wymagają dużego nacisku styku i mają stosunkowo wysoką rezystancję styku, co sprawia, że ​​stosuje się je głównie w zastosowaniach wymagających-wysokich obciążeń udarowych, takich jak ślizgowe styki elektryczne lub styki z pierścieniem ślizgowym.

 

Materiały srebrno-niklowe-znacznie poprawiają odporność na erozję łukową, zachowując jednocześnie przewodność niemal{1}}czystego srebra.

 

Materiały srebrno-palladowe charakteryzują się dużą twardością i niskim zużyciem, ale są droższe i zwykle stosowane w precyzyjnych przekaźnikach o niezwykle wysokich wymaganiach dotyczących żywotności.

 

Systemy ze srebra-miedzi wykazują dobrą odporność na korozję w obwodach-niskoprądowych, dzięki czemu nadają się do zastosowań-z niewielkimi obciążeniami, takich jak sprężynowe styki elektryczne.

 

 

Nowoczesne styki przekaźników często wykorzystują konstrukcje bimetaliczne lub kompozytowe, takie jak styki bimetaliczne Ag/Cu, styki bimetaliczne z łbem zimnym i styki z nitami bimetalicznymi. Struktury te zapewniają optymalną równowagę pomiędzy kosztem, przewodnością i żywotnością poprzez podzielenie materiału pomiędzy przewodzące podłoże i roboczą warstwę kontaktową.

 

W zastosowaniach praktycznych wybór materiałów stykowych zależy nie tylko od prądu znamionowego, ale także od dokładnego rozważenia rodzaju obciążenia (rezystancyjne, indukcyjne, pojemnościowe), napięcia roboczego, warunków środowiskowych i oczekiwanej żywotności. W przypadku systemów-o wysokiej niezawodności oprócz wyboru materiału często konieczne jest rozważenie odpowiedniego kształtu styku, projektu nacisku styku i strategii-gaszenia łuku.
 

 

Styki przekaźnikasą krytycznymi elementami układów elektrycznych najbardziej podatnymi na awarie, a ich układ materiałowy bezpośrednio determinuje trwałość elektryczną przekaźnika i niezawodność systemu. Poprzez naukowy dobór materiałów stykowych, racjonalne dopasowanie charakterystyki obciążenia i przyjęcie dojrzałych bimetalicznych lub kompozytowych struktur stykowych, żywotność przekaźników można znacznie wydłużyć. Wraz z rozwojem nowej energetyki, elektroniki samochodowej i automatyki przemysłowej zapotrzebowanie na-wysokowydajne styki elektryczne i styki z metali szlachetnych będzie nadal rosło, a technologia materiałów stykowych będzie nadal ewoluować w kierunku wyższej niezawodności i przyjazności dla środowiska.