Anàlisi de l'estat de desenvolupament actual i tecnologies clau dels materials de contacte de relé

En l'automatització industrial, el control de potència, el transport ferroviari, les noves energies i els equips electrònics, els relés segueixen sent un dels components de control elèctric més fonamentals i crítics. Entre ells, el contacte del relé, com a estructura bàsica que realitza l'"encesa" i "apagat" d'un circuit, determina directament la fiabilitat, la vida útil i les condicions de funcionament aplicables del relé mitjançant la selecció del material.

 

Des de la perspectiva de l'aplicació d'enginyeria, el contacte de relé és essencialment una interfície de commutació controlada. Durant el procés de commutació entre estats normalment obert i normalment tancat, el contacte no només ha de mantenir una conducció estable sinó que també ha de suportar arcs elèctrics, altes temperatures i xocs mecànics en el moment de la desconnexió. Per tant, els materials de contacte sempre han estat una de les direccions clau de recerca en el disseny i la fabricació de relés.

 

 

Els contactes de relé solen consistir en contactes mòbils i estacionaris, que són impulsats per un sistema electromagnètic per completar l'engranatge i el desenganxament. El rendiment del contacte es veu afectat per diversos factors, com ara la composició del material, la pressió de contacte, el corrent de càrrega, el nivell de tensió, la freqüència de commutació i l'entorn operatiu. Una vegada que qualsevol paràmetre supera el rang de disseny, pot causar problemes com l'erosió del contacte, la soldadura, l'augment de la resistència de contacte o fins i tot fallades.

 

En el moment en què s'obren els contactes, si el corrent de càrrega o la tensió entre els contactes supera un valor crític, l'aire es trenca, formant un arc elèctric. L'alta temperatura generada per l'arc erosiona ràpidament la superfície de contacte, accelerant el desgast del material. Per tant, seleccionar adequadament els materials de contacte i controlar estrictament la tensió nominal i el corrent dels contactes són crucials per garantir el funcionament estable-a llarg termini del relé.

 

 

Des d'una perspectiva estructural, les formes de contacte de relé inclouen principalment contacte puntual, contacte de línia i contacte superficial. Entre aquests, el punt de contacte és el més comú en els relés electromagnètics. Aquesta estructura és avantatjosa per aconseguir una pressió de contacte més alta en un espai limitat, reduint així la resistència de contacte.

 

En el disseny d'estructures de contacte, també són habituals les estructures de molla de fulla i les estructures elàstiques. Per exemple, en algunes aplicacions, s'introdueixen contactes elèctrics de molla de fulla o estructures de contacte amb capacitats de compensació elàstica per reduir l'impacte del rebot de contacte sobre l'estabilitat de la conducció. Aquest tipus de disseny és especialment important en escenaris de commutació d'alta-freqüència o control de senyal petit.

 

 

Des de la perspectiva del sistema de materials, actualment els contactes de relé es divideixen principalment en tres categories: materials metàl·lics purs, materials d'aliatge metàl·lic i materials compostos metall-ceràmics (materials de metal·lúrgia en pols).

 

En condicions de càrrega generals i de baix cost, el coure pur o el coure platejat-es continua utilitzant àmpliament. Tanmateix, com que els escenaris d'aplicació exigeixen una vida útil i una fiabilitat més llargues, els materials metàl·lics únics-són insuficients per satisfer les necessitats de condicions d'operació complexes, i els materials d'aliatge i compostos s'estan convertint gradualment en l'enfocament principal.

 

 

Entre els nombrosos materials de contacte, la plata i els seus sistemes d'aliatge ocupen una posició crucial. La plata posseeix una conductivitat elèctrica extremadament alta i una bona conductivitat tèrmica, la qual cosa la converteix en un material base ideal per a la fabricació de contactes elèctrics de plata. En aplicacions pràctiques, la plata pura s'alia normalment per millorar la seva resistència a la soldadura i al desgast, formant així diversos contactes elèctrics d'aliatge de plata.

 

Entre aquests, els sistemes de plata-níquel, plata-coure i AgNi s'utilitzen àmpliament en relés-de càrrega mitjana; aquests materials sovint es coneixen col·lectivament com a contactes d'aliatge de plata. Per a càrregues més altes o aplicacions de commutació freqüent, s'utilitzen sistemes d'òxid de plata, com ara contactes d'òxid de plata de cadmi o contactes elèctrics d'òxid de cadmi de plata, per millorar la resistència a l'erosió de l'arc. Les descripcions tècniques del contacte amb plata cadmi o contacte agcdo també es troben habitualment a la literatura tradicional.

 

A més, el sistema AgNi ofereix avantatges per equilibrar la compatibilitat amb el medi ambient i el rendiment, i es coneix com a contacte agni en alguns estàndards. S'utilitza principalment en aplicacions que requereixen una conducció estable i una resistència a l'arc moderada.

 

 

En aplicacions que requereixen un corrent elevat, una tensió alta o una resistència mecànica elevada, confiar únicament en aliatges basats en plata{0}} té limitacions. En aquests casos, s'utilitzen compostos de tungstè i plata-tungstè a causa del seu punt de fusió extremadament alt i la seva excel·lent resistència a l'ablació. Aquests materials es troben habitualment en relés de potència, contactors i altres dispositius, però la seva resistència de contacte és relativament alta, cosa que generalment els fa inadequats per a circuits de senyal febles.

 

Estructuralment, aquests materials sovint es combinen amb el substrat en forma de reblons de contacte elèctric, fixats al suport de contacte mitjançant reblons o soldadura, per equilibrar la resistència mecànica i la conductivitat.

 

 

Per a circuits de control de senyal petits, especialment en aplicacions de baixa-tensió i baixa-intensitat, la condició de la superfície de contacte té un impacte significatiu en la integritat del senyal. En aquestes aplicacions, el xapat daurat s'aplica normalment a substrats de coure o aliatges de coure per reduir la resistència de contacte i prevenir l'oxidació.

 

Aquests dissenys sovint es combinen amb estructures elàstiques per formar un mode de treball similar als contactes elèctrics de molla o els contactes de molla elèctrica, garantint així una transmissió de senyal estable a -a llarg termini.

 

En alguns sistemes d'alta -fiabilitat, també s'introdueixen estructures de contacte elèctric de molla- per compensar la degradació del rendiment causada pel desgast del contacte mitjançant una pressió elàstica contínua.

 

 

Amb el ràpid desenvolupament de la nova energia, els vehicles elèctrics, les xarxes intel·ligents i l'automatització industrial, les condicions de funcionament dels relés tendeixen a corrents més altes, freqüències de commutació més altes i requisits ambientals més estrictes. Aquesta tendència està impulsant l'evolució contínua dels materials de contacte des de metalls individuals tradicionals cap a aliatges i compostos d'alt rendiment-.

 

Simultàniament, les normatives ambientals més estrictes estan impulsant la indústria a reduir gradualment l'ús de materials que contenen-cadmi, promovent el desenvolupament de nous sistemes d'aliatge basats en plata-. En aquest context, diferents tipus de contactes elèctrics continuaran mostrant camins de desenvolupament diferenciats en funció dels escenaris d'aplicació.

 

 

Tot i que els contactes de relé són de mida petita, tenen un paper extremadament crític en tot el sistema de control elèctric. L'elecció dels materials de contacte no només afecta la conductivitat, sinó que també afecta directament la vida útil, la seguretat i la fiabilitat del sistema del relé. En el futur, a mesura que les demandes d'aplicacions continuen actualitzant-se,contacte de reléEls materials seguiran sent una important àrea d'enfocament i innovació tecnològica en el camp de l'enginyeria elèctrica.