一、产生振动的原因
触头在闭合过程中,触头间的碰撞、触头间的电动斥力和衔铁与铁心的碰撞都可能引起触头的机械振动。
当触头闭合时,电器传动机构的力直接作用在动触头支架上,使得质量为m的动触头以速度V1向静触头运动,在动、静触头相撞时动触头具有一定的动能,如图3-8(a)所示。触头发生碰撞后,触头表面将产生弹性变形,此时,一部分能量消耗在碰撞过程中(因为触头不是绝对弹性体),而大部分能量转变为触头表面材料的变形势能。当触头表面达到最大变形xSD时[见图3-8(b)],变形势能达到最大,而动触头的动能降为零,于是动触头停止运动。紧接着触头的弹性变形开始恢复,将势能释放,由于静触头固定不动,动触头应会受到反力作用,以初速度V2弹回[见图3-8(b)],甚至离开静触头,并把触头弹簧压缩,将动能储存在弹簧中,在触头弹簧的作用下,动触头反跳的速度逐渐减小。与此同时,传动机构继续推动触头支架将弹簧进一步压缩。当动触头反跳的速度降为零时,反跳距离达到最大值xm。[见图3-8(c)]。随后,动触头在弹簧张力的作用下又开始向静触头运动,触头间发生第二次碰撞和反跳。
图3-8 触头振动过程示意图
(a)触头碰撞开始瞬间;(b)触头碰撞后瞬间;(c)触头振动变化过程。
1-静触头;2-动触头;3-触头弹簧;4-动触头支架;
xSD-塑性和弹性变形量;xD-弹性变形量;xm-最大振幅。
由于触头第一次碰撞和反跳都要消耗掉一部分能量,同时,在碰撞和反跳的过程中,传动机构使触头弹簧进一步压缩,因而动触头的振动时间和振幅一次比一次要小,直至振动停止,触头完全闭合[见图3-8(d)]。
另外,在触头带电接通时,由于实际接触的只有几个点,在接触点处便产生电流线的密集或弯曲,如图3-9所示。畸变的电流线和通过反向电流的平行导体一样,相互作用产生斥力,使触头趋于分离,该电动力称为收缩电动力。收缩电动力也能引起触头间的振动,特别是在闭合大的工作电流或短路电流时,电动斥力的作用更为显著。
图3-9 接触点电流线密集情况示意图
对于电磁传动的电器来讲,在触头闭合过程中,衔铁以一定的速度向静铁心运动,当衔铁吸合时,同样会因碰撞而产生振动,以致触头又发生第二次振动。
在触头振动过程中(见图3-8),如果xm≤xSD,则碰撞后触头不会分离,这样的振动不会产生电弧,对触头无害,因而称之为无害振动。反之,若xm>xSD,则碰撞后动静触头分离,在触头间隙中会出现金属桥,造成触头磨损或熔焊,甚至产生电弧,严重影响触头寿命,故称之为有害振动。两个触头在闭合时发生碰撞产生振动是不可避免的,所谓消除触头闭合过程中的振动,是指消除触头的有害振动。
二、减小振动的方法
为了提高触头的使用寿命,必须减小触头的振动。减小触头振动有如下几种方法:
1.使触头具有一定的初压力。增大初压力可减小触头反跳时的振幅和振动时间。但初压力增大是有限的,如果初压力超过了传动机构的作用力(例如电磁机构的吸力),则不仅触头反跳的距离增加,而且触头也不能可靠地闭合,反而造成触头磨损增加。
2.降低动触头的闭合速度,以减小碰撞动能。由实验可知,减小触头闭合瞬间的速度可减小触头振动的振幅。这要求吸力特性和反力特性良好配合。需要指出的是,当触头回路电压高于300V时,若闭合速度过小,则在动、静触头靠近时,触头间隙会击穿形成电弧,反而会引起电磨损的增加。
3.减小动触头的质量,以减小碰撞动能,从而减小触头的振幅。但是,在减小触头质量时,必须考虑触头的机械强度,散热面积等问题。
4.对于电磁式电器,减小衔铁和静铁心碰撞时引起的磁系统的振动,以减小触头的二次振动。其方法是吸力特性与反力特性有良好的配合及铁心具有缓冲装置。
三、熔焊的概念
触头的熔焊主要发生在触头闭合有载电路的过程中和触头处于闭合状态时。
在触头闭合过程中,触头的机械振动使触头间断续产生电弧,在电弧高温的作用下,使触头表面金属熔化,当触头最终闭合时,这些熔化金属可能凝结而引起熔接,使动、静触头熔焊在一起不能打开。
在触头处于闭合状态时,若通过过大的电流,会使触头接触处温度升高,如果达到了熔化温度,两触头接触处的材料便熔化并结合在一起,使接触电阻迅速下降,其损耗和温度都下降,熔化的金属可能凝结而引起熔接。
这种由热效应而引起的触头熔接,称为触头的“熔焊”。
还有一种触头熔接现象,产生于常温状态,通常称为“冷焊”。“冷焊”常常发生在用贵金属材料(如金与金合金等)制成的小型继电器触点中。其原因为贵金属表面不易形成氧化膜,纯净的金属接触面在触头压力作用下,由于金属原子间化学亲和力的作用,使两个触头表面结合在一起,产生“冷焊”现象。由“冷焊”产生的触头间粘接力很小,但是在小型高灵敏继电器中,由于使触头分开的力也很小(一般小于9.8×10-2N),不能把冷焊粘接在一起的触点弹开,常常出现触头粘住不释放的现象。