汽车继电器触点瞬态接触传热特性数值模拟分析

王燕兵　赖雅丽

摘 要：继电器是车辆电器控制的重要控制元器件，其工作环境是瞬间大电流通过周期性闭合的触点，由于接触触点间接触电阻在闭合瞬间大电流的作用下产生焦耳热，导致触点极易发生熔焊的可能，严重影响继电器的使用性能，危害行车安全，据统计触点部分的故障率占到继电器故障率的90%以上。揭示汽车继电器触点瞬态接触传热特性，对改善继电器触点触点熔焊故障具有重要的现实意。本文采用分型接触理论建立接触电阻模型，综合考虑触点间接触力、接触面积及材料的比热容、导热系数等，建立了继电器触点闭合瞬间大电流作用下的有限元模型，模拟计算触点间的瞬态热场分布，为改善继电器触头熔焊现象提供理论支撑。

关键词：继电器 接触电阻 瞬态接触 传热特性

Numerical Simulation Analysis of Transient Contact Heat Transfer Characteristics of Automobile Relay Contacts

Wang Yanbing Lai Yali

Abstract：Relay is an important control component for vehicle electrical control. Its working environment is that instantaneous high current passes through periodically closed contacts. The contact resistance between the contacts generates Joule heat under the action of the instantaneous high current closing， resulting in contacts. The possibility of welding is extremely prone to seriously affect the performance of the relay and endanger driving safety. According to statistics， the failure rate of the contact part accounts for more than 90% of the failure rate of the relay. Revealing the transient contact heat transfer characteristics of automotive relay contacts has important practical significance for improving the welding failure of relay contacts. This paper adopts the sub-type contact theory to establish a contact resistance model， comprehensively considers the contact force between the contacts， the contact area， the specific heat capacity and thermal conductivity of the material， etc.， establishes a finite element model under the action of a large current when the relay contacts are closed， and simulates the calculation of the contacts. The transient thermal field distribution provides theoretical support for improving the welding phenomenon of relay contacts.

Key words：relay， contact resistance， transient contact， heat transfer characteristics

继电器广泛应用于大电流电器控制系统中。热设计是密封继电器中触点接触参数优化设计的关键参数，稳定的接触条件是降低触点接触面产热导致熔焊故障的关键，触点吸和分断进程中应尽量减少接触面间产热，使触点表面材料熔焊降低[1-2]。本文基于传热理论建立了触点电热耦合作用的数学模型着重分析继电器触点传热特性及温度场分布的影响规律，为触点间工艺改进提供理论支撑。

1 继电器触点电热耦合数学模型

进程进程中继电器触点传热特性受材料性能、触点间的接触电阻、接触行为等因素的影响。本文在深入分析触点间的界面接触电阻数学模型的基础上，利用非线性瞬态热传导理论进一步探究触点间的电热耦合作用。

图1所示为继电器触点间接触行为示意图。为了建立吸和分断过程电热耦合模型明晰触点间传热机制，作如下假設：①触点材料各向同性;②忽略材料的氧化烧蚀作用;③忽略触点本体电阻生热。

利用焊接热源的非线性瞬态热传数学模型描述继电器触点间传热，其方程为：

（1）

式中：Q-热源;λ-导热系数，w/（m·℃）;ρ-密度，kg/m3;C-比热，J/（kg·℃）。

触点间接触形成的热源Q，可由式（2）计算：

（2）

式中：I-电流，A;Rc-接触电阻，Ω;Aa-触点间接触面积，m2;εf-触点间接触间隙，m;σ-电导率，Ω-1·m-1。

采用Hertz理论对触点间接触面积计算，见式（3）：

（3）

式中：F-电极夹持力N;R-半径，m;ν-泊松比;E-弹性模量MPa;L-触点间接触长度，m。

触点间的接触电阻Rc，由文献[3]提出的公式（4）计算：

（4）

式中：D-表面分形维数;G为表面轮廓的形貌系数;Г-伽马函数;m-放大倍数。

将式（2）、（3）、（4）代入公式（1）中，即可获得触点间分断过程中温度场分布。

由于上述建模过程中，部分相关参数如：λ、C、ν、E、D、G等需要通过实验测量获得导致模型数值计算存在困难。为此，本文利用模拟仿真和实验验证的方法，对分断过程中触点间的传热及温度场分布规律进行分析研究。

2 仿真实验与分析

2.1 有限元模型的建立及边界设置

本文采用comsol有限元软件对触点间分断进程中的电热耦合作用进行分析计算，模型如图2所示。触点间采用细分网格的方法对接触区域进行重点分析，采用表面阻抗的方法对接触电阻进行设置。模型中，继电器触点尺寸根据实际参数设计，仿真计算选用材料的主要物理参数，如热扩散系数、比热、导热系数等，具体数据参见文献[4]。

2.2 仿真结果分析

繼电器触点电场分布是耦合了导电和材料变形的复杂非线性过程，且根据文献[4]吸和分断时间仅为10μs、瞬时性强，触点材料的相关物理性能参数均为随温度变化的特点，单纯依靠理论计算或试验的方法很难对继电器触点熔焊现象进行全面由深入的分析研究。本文采用comsol有限元计算方法综合考虑如材料的热物理性随温度变化、接触电阻随温度变化及多物理场耦合等对触点电场分布的影响。

由仿真结果可知：图3横截面电荷密度分布均、图4横截面电流密度分布，说明：电流密度沿接触截面径向的分布并不是一个固定值，也就是说是非均匀分布，整体呈现由中心向边缘逐渐递增的趋势，而且在接触的外边缘区域相对较大，形成环状较高电流密度分布，进而导致焦耳热也将是环形热源。

由仿真结果可知：接触初始时除接面外温升影响不大;在接触面间短时间内由于接触电阻在电流的作用下产生的焦耳热不断温升;接触区域温升与空间电荷密度分布云图一致，同时由于接触面间的接触热阻的存在导致热量聚集在接触面之间导致触头接触面间材料达到熔点产生熔焊故障。

3 结论

本文在综合分析触点间接触电阻形成机理的基础上，提出触点分断进程中瞬态热场的机-电-热-固间耦合分析仿真方法，建立了触点间分断进程中接触电阻产热瞬态热场数值模型。对工况电压12V下触点间热场分布进行模拟求解得到了接触面间接触电阻产热的接触 面温度场分布，揭示了触点间材料熔焊机理，为进一步研究微观接触面间材料粘连导致热场变化等问题提供理论支撑。

基金项目：贵州电子信息职业技术学院科学研究《汽车电磁继电器触点瞬态接触行为及传热特性研究》

参考文献：

[1]张郑滨. 汽车继电器的发热及散热仿真技术研究[D].厦门理工学院，2020.

[2]吕树远.基于宏观参数和微观参数相关性分析的铁路继电器触点性能研究[J].电器与能效管理技术，2020（04）：7-10+29.

[3]R.N. Raoelison，A. Fuentes.Modeling and numerical simulation of the resistance spot welding of zinc coated steel sheets using rounded tip electrode：Analysis of required conditions. Applied Mathematical Modelling，2014，2505-2521

[4]杜扬.微型继电器触点材料熔焊失效现象的实验研究[D].哈尔滨工业大学，2019.