电接触的热效应.ppt
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1、电接触的热效应现在学习的是第1页,共40页2023/4/51主要内容第一节 引言第二节 电触点温度与电压的关系第三节 电触点热时间常数第四节 电触点热平衡时的温度第五节 不同材料相接触时电触点温度与电压的关系现在学习的是第2页,共40页2023/4/52第一节 引言一、接触点的温度升高的原因1.导体界面接触处存在接触电阻,电流通过产生焦耳热。2.接触点区域小、热容小。3.接触处基本没有热辐射和对流,散热困难。导致接触点局部区域温度升高。现在学习的是第3页,共40页2023/4/53二、过高的接触点温升造成的影响1.促进触点表面膜层生长,使接触电阻升高;2.接触点附近的有机物封装材料受热分解,吸
2、附在接触点,使接触电阻升高。3.接触表面的金属软化或熔化甚至沸腾,造成接点界面熔结,开关触点不能正常断开。在滑动接触界面上,金属相互转移,磨损程度严重。但金属软化或熔化对接触电阻无影响。4.增大扩散速度,使基底金属加速向表面金属扩散,加快表面非金属膜层的形成。因此应当控制接触点的温度升高。现在学习的是第4页,共40页2023/4/54三、研究电触点热效应的目的1.目的找出导电斑点及其附近的温度大小和分布2.存在问题及解决方法导电斑点在接触界面之中,尺寸小(微米级),一般方法不能直接测量;从理论推导导电斑点温度与易于测量的接触电压U、通过触点的电流I之间的关系;测量接触电压、电流,间接可知导电斑
3、点的温度。现在学习的是第5页,共40页2023/4/55第二节 电触点温度与电压的关系一、场的类比关系由物理基础知识可知,电流和热流都服从类似的定律。1.均匀场电路问题 传热问题 R,电阻;U,电位差;I,电流;,电阻率(m);R,热阻;T,温差;,热流;,热导率,(W/mK);1.对比二式现在学习的是第6页,共40页2023/4/56一、场的类比关系2.非均匀场只要二者的数学模型和边界条件相同,可用无限小量dR、dR代替R、R,同样成立:(42)根据这个场的类比关系式,即可导出电接触收缩区中电位与温度之间的关系,称为关系。下面引用Holm在假定电接触收缩区中电流和热流路径相同条件下,用热阻概
4、念所作的证明。现在学习的是第7页,共40页2023/4/57二、接触点温度与电压关系的证明1.Holm 提出的热流和温度的模型 假定条件A.满足“长收缩”情况,多斑点之间的电位场、温度场互不干扰,只研究一个导电斑点;B.接触界面两侧对称,材料也相同,因此只须考虑单侧。C.由于两侧对称热量产生在接触界面很小区域内,无热流通过界面。D.由于导体的外表面和外界环境是绝热的,因此收缩斑点产生的热量全部通过导体的热传导作用传递出去。E.电流线和热流线完全一致,等温线和等电位线一致,但方向相反。现在学习的是第8页,共40页2023/4/58二、接触点温度与电压关系的证明模型位置 电位 温度 温升AeU/2
5、T00ATA00Tmaxmax现在学习的是第9页,共40页2023/4/59二、接触点温度与电压关系的证明3.计算一般式在半无限大收缩区内取两无限靠近的等位(等温)面,研究此两面间薄壳层的热传导;两等位(等温)面电位:,d;两等位(等温)面温度:T,TdT;电流通过此壳层的电阻:dR;热流通过此壳层的热阻:dR。现在学习的是第10页,共40页2023/4/510二、接触点温度与电压关系的证明与电路有类比关系,A0和A之间的功率损耗为I,在温差dT作用下以热流形式流出。则IdR=dT;(负号是因为热流方向和电流方向相反)又R=R/且由欧姆定律有IdR=d可得d=dT,对其进行积分,积分上限:A0
6、积分下限:A现在学习的是第11页,共40页2023/4/511二、接触点温度与电压关系的证明可得(43)必须指出,热传导关系是在稳定平衡状态下才成立,即在所研究的热空间中没有热量的积累。现在学习的是第12页,共40页2023/4/512二、接触点温度与电压关系的证明特殊情况两收缩区边界面之间总接触电压为U,半无限大收缩区边界面电位分别为U/2,则接触材料的电阻率和热导率均为温度的函数,用其平均值代替,则(44)现在学习的是第13页,共40页2023/4/513二、接触点温度与电压关系的证明4.说明:式(44)被广泛地用来评估接触界面在运行过程中的温升。式(44)的右边只包含了和这两个材料的特性
7、参数,而不包含触点的几何形状。因此温升和电位之间的关系式对任何形状、任何尺寸的触点都是适合的。一般地,设计出来的连接器在极限运行条件下,其温升不能超过13C。若温升超过这个范围(比如达到几十度),则式(44)不再成立。因为它是在和设为平均数的条件下推导出来的,和随温度变化时,温升和电位之间的关系如下:现在学习的是第14页,共40页2023/4/514二、接触点温度与电压关系的证明和与温度有关时的温度与电压的关系 材料的导热系数和电阻率与温度有关,它们和温度之间的关系满足:0和0分别是温度为0C时的导热系数和电阻率;和分别为和的温度系数。是随温度的升高而减少,是随着温度的升高而增加现在学习的是第
8、15页,共40页2023/4/515现在学习的是第16页,共40页2023/4/516二、接触点温度与电压关系的证明说明:当通过触点的电压降大于10mV时,触点温度和环境温度有明显差别。当通过触点的电压降大于0.1V时,接触点的温度将超过其软化或熔化温度,而使接触面发生软化或熔化现象。式(45)的适用条件是a-斑点的平均半径大于材料的自由电子的平均自由行程。表1列出了常见接触材料发生软化或熔化时,由式(45)计算得到的电压值。现在学习的是第17页,共40页2023/4/517现在学习的是第18页,共40页2023/4/518三、温升和电位之间关系的应用1.Wiedemann-Franz定律由于
9、式(44)中是取电阻率和热导率的平均值使积分简化,但超过常温范围的电阻率和热导率的精确函数关系还不知道,所以无法积分。使用金属传导理论中的Wiedemann-Franz定律解决困难。Wiedemann-Franz 公式该定律:自由电子对热导率的贡献e和对电导率的贡献k之比等于洛伦兹常数(L2.4510-8(V/k)2)乘以绝对温度。由于e是金属热导率的主要部分,/kLT现在学习的是第19页,共40页2023/4/519三、温升和电位之间关系的应用2.温升和电位之间的关系从工程的观点看,由这(44)和(46)两个式子算得的温升的差别很小,这说明了式(46)在计算温升时的普遍适用性。式(46)和触
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