章 杰，李亞南，劉 晗，朱亞哲，李耀林

（桂林金格電工電子材料科技有限公司，廣西桂林 541004）

引言

小型大功率塑封繼電器廣泛應(yīng)用于家電產(chǎn)品和工業(yè)領(lǐng)域，如空調(diào)、汽車、加熱器等，它具有體積小，切換功率大，分?jǐn)嚯娏髂芰?qiáng)等特點(diǎn)。市場(chǎng)上常見的30 A小型大功率繼電器型號(hào)為T90，使用環(huán)境和使用條件對(duì)這類繼電器電壽命和可靠性影響較大[1]。常見功率繼電器封裝形式主要分為塑封型和防塵罩型，繼電器在實(shí)際使用時(shí)會(huì)遇到各種條件，其中防塵罩型繼電器在含有H2S、SO2、NO2、粉塵等環(huán)境下使用時(shí)，觸點(diǎn)易硫化，生成不導(dǎo)電的硫化膜，并最終導(dǎo)致繼電器故障和壽命縮短[2]。本研究以塑封型繼電器為研究樣本，研究分析了市場(chǎng)常見的不同廠家生產(chǎn)的5款30 A塑封型功率繼電器。

1 小型大功率塑封繼電器分析

1.1 工作原理和接線圖

本研究采用的功率繼電器屬于單穩(wěn)態(tài)繼電器，其工作原理見圖1(a)，由電磁鐵、反力彈簧、銜鐵、觸點(diǎn)等部件組成，當(dāng)線圈兩端施加額定電壓時(shí)，鐵芯被磁化，并對(duì)銜鐵產(chǎn)生電磁吸力，觸點(diǎn)在該吸力的作用下接通電路；當(dāng)施加在線圈兩端的電壓撤消時(shí)，觸點(diǎn)在反力彈簧的作用下分?jǐn)嚯娐?。?shí)物接線圖見圖1(b)，在圖1(b)中，2和6為線圈控制端，3和5為觸點(diǎn)常開端。

圖1 單穩(wěn)態(tài)繼電器工作原理和接線圖

1.2 機(jī)械參數(shù)、電氣參數(shù)和觸點(diǎn)對(duì)比

實(shí)際測(cè)量了繼電器的觸點(diǎn)材料的主要成分、觸點(diǎn)直徑、接觸電阻、吸合和釋放時(shí)間等機(jī)械參數(shù)和電氣參數(shù)，列于表1。觸點(diǎn)材料作為核心部件，不同繼電器廠家的觸點(diǎn)材料成分和尺寸有一定差異，說(shuō)明各廠家對(duì)觸點(diǎn)材料的選用存在較大的分歧。繼電器的吸合時(shí)間、釋放時(shí)間、吸合電壓、釋放電壓、線圈功率、吸合壓力、分?jǐn)嗔Α⒂|點(diǎn)開距、超行程等參數(shù)比較接近，說(shuō)明不同繼電器廠家在設(shè)計(jì)繼電器時(shí)所選用的參數(shù)和方法幾乎相同。

1.3 觸點(diǎn)形貌和金相

觸點(diǎn)的狀態(tài)受成分、加在觸點(diǎn)兩端的電壓和電流、負(fù)載種類、通斷頻率、環(huán)境條件、接觸形式、觸點(diǎn)的通斷速度等影響，繼電器在實(shí)際工作時(shí)會(huì)遇到各種條件，觸點(diǎn)在使用過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)材料轉(zhuǎn)移、粘連、熔焊、接觸電阻増大等故障。5款繼電器的觸點(diǎn)的主要成分和直徑見表1，觸點(diǎn)材料主要以AgSnO2、AgSnO2In2O3、AgCdO 為主，AgCdO 具有良好的導(dǎo)電性、滅弧能力和抗熔焊性而得到廣泛應(yīng)用，缺點(diǎn)是在直流負(fù)載下抗材料轉(zhuǎn)移能力較差且不環(huán)保。AgSnO2具有良好的抗電弧侵蝕能力、抗材料轉(zhuǎn)移能力以及環(huán)保而得到廣泛應(yīng)用，缺點(diǎn)是接觸電阻較大。AgNi觸點(diǎn)材料抗熔焊能力相對(duì)AgSnO2和AgCdO稍差，因此，在這種大功率應(yīng)用場(chǎng)合未見有成熟應(yīng)用。5款繼電器觸點(diǎn)材料的形貌和金相組織見表2。從表2可見，材料的金相組織都比較均勻，動(dòng)觸點(diǎn)形狀都是球面，靜觸點(diǎn)是平面或者弧度較大。

表1 5款繼電器機(jī)械和電氣參數(shù)對(duì)比

表2 觸點(diǎn)形貌和金相分析

1.4 電壽命比較

電壽命是小型大功率塑封繼電器最重要的性能指標(biāo)，它代表繼電器能有效工作的次數(shù)，5款繼電器標(biāo)稱的電壽命（動(dòng)作）次數(shù)和溫升都相同，具體見圖2(a)和2(b)。繼電器在額定AC 240 V、30 A條件下標(biāo)稱電壽命次數(shù)均為10萬(wàn)次。

圖2 標(biāo)稱電壽命和溫升

本研究使用自主研發(fā)的全自動(dòng)交流繼電器試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行這5款繼電器的電壽命試驗(yàn)，每款繼電器試驗(yàn)數(shù)量為6只，試驗(yàn)時(shí)不開點(diǎn)氣孔，試驗(yàn)前后均試水，確認(rèn)繼電器不漏氣，失效判斷依據(jù)為連續(xù)2次瞬粘連或者累計(jì)6次粘連，具體試驗(yàn)條件見表3，電壽命結(jié)果見表4。

表3 試驗(yàn)條件

表4 電壽命試驗(yàn)結(jié)果

各廠家繼電器電壽命柱狀圖見圖3，電壽命由高到低排序?yàn)椋篋廠家（觸點(diǎn)：AgSnO2）＞B廠家（觸點(diǎn)：AgSnO2In2O3）＞E廠家（觸點(diǎn)：AgCdO）＞C廠家（觸點(diǎn)：AgCdO）＞A廠家（觸點(diǎn)：AgSnO2），由此可知，不同廠家的繼電器電壽命相差大，A廠家繼電器和D廠家繼電器所選取的觸頭材料主成分相同，機(jī)械參數(shù)和電氣參數(shù)也接近，但是壽命卻相差巨大，筆者認(rèn)為與觸頭材料制備工藝不同或者電器設(shè)計(jì)水平差異有關(guān)。

圖3 各廠家繼電器電壽命柱狀圖

1.5 試驗(yàn)后觸點(diǎn)分析

試驗(yàn)后觸點(diǎn)表面出現(xiàn)了不同程度的燒蝕，具體燒蝕形貌和金相見表5。由表5可知，無(wú)論是AgS-nO2觸點(diǎn)還是AgCdO觸點(diǎn)，試驗(yàn)后表面均形成了白色聚集區(qū)域，筆者對(duì)白色區(qū)域進(jìn)行了能譜分析，能譜分析見圖4。能譜分析表明，表面白色區(qū)域Ag含量偏高，幾乎不含SnO2或CdO，因此，動(dòng)、靜觸點(diǎn)表面出現(xiàn)了Ag聚集層，該聚集層是導(dǎo)致繼電器失效的主要原因。Ag聚集層出現(xiàn)的原因有待進(jìn)一步研究。

圖4 能譜分析

表5 試驗(yàn)后觸點(diǎn)形貌和金相

2 結(jié)論

（1）市面5款30 A小型大功率塑封繼電器的機(jī)械參數(shù)和電氣參數(shù)比較接近，觸點(diǎn)材料成分和尺寸有一定差異，以AgSnO2、AgSnO2In2O3、AgCdO為主。

（2）5款繼電器的電壽命相差大，與觸頭材料制備工藝不同或者電器設(shè)計(jì)水平差異有關(guān)。

（3）試驗(yàn)后出現(xiàn)了Ag聚集層，該聚集層是導(dǎo)致繼電器失效的主要原因。