直流电弧作用下触头材料的侵蚀机理和转移特性研究
哈尔滨工业大学工学博士学位论文
目录
摘要 ..................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................. III
第1章绪论 (1)
1.1 课题研究背景 (1)
1.2 课题研究目的和意义 (2)
1.3 课题的发展及研究现状 (3)
1.3.1 电弧-触头相互作用理论及仿真研究现状 (3)
1.3.2 触头侵蚀机理研究现状 (8)
1.4 本文的主要研究内容 (12)
第2章稳态电弧作用下触头蒸发侵蚀机理及材料转移特性 (14)
2.1 引言 (14)
2.2 稳态电弧作用下触头熔池特性仿真建模及分析 (14)
2.2.1 触头熔池特性仿真模型 (16)
2.2.2 触头熔池特性仿真结果及分析 (22)
2.3 稳态电弧作用下触头蒸发侵蚀机理建模及分析 (25)
2.3.1 蒸发现象的物理机理 (25)
2.3.2 蒸发侵蚀数学模型 (25)
2.3.3 稳态电弧作用下触头蒸发侵蚀特性分析 (29)
2.4 稳态电弧作用下蒸发材料转移特性分析 (31)
2.5 触头材料抗蒸发侵蚀能力分析 (33)
2.5.1 材料属性对熔池特性的影响 (33)
2.5.2 材料属性对蒸发通量的影响 (34)
2.5.3 材料属性对蒸发侵蚀特性的影响 (35)
2.6 稳态电弧作用下蒸发导致的触头烧蚀特性实验研究 (36)
2.6.1 实验系统介绍 (36)
2.6.2 实验条件 (37)
2.6.3 实验结果及分析 (38)
2.7 本章小结 (40)
第3章稳态电弧作用下触头喷溅侵蚀机理及材料转移特性 (42)
目录
3.1 引言 (42)
3.2 稳态电弧作用下触头喷溅侵蚀机理建模及分析 (42)
3.2.1 喷溅现象的物理机理 (42)
3.2.2 基于机械能守恒原理的喷溅侵蚀数学模型 (46)
3.2.3 喷溅侵蚀模型求解 (49)
3.2.4 稳态电弧作用下喷溅侵蚀特性分析 (51)
3.2.5 稳态电弧的斑点特性对喷溅侵蚀特性的影响 (53)
3.3 稳态电弧作用下喷溅材料转移-损失特性建模及分析 (57)
3.3.1 液滴初始状态假设 (57)
3.3.2 不考虑电弧热作用的喷溅转移-损失模型 (58)
3.3.3 考虑电弧热作用的喷溅转移-损失模型 (60)
3.3.4 稳态电弧作用下触头材料喷溅转移-损失特性分析 (62)
3.3.5 触头材料抗喷溅侵蚀能力分析 (64)
3.4 稳态电弧作用下喷溅导致的触头烧蚀特性实验研究 (64)
3.5 本章小结 (67)
第4章基于分断过程等效模型的触头侵蚀及材料转移特性 (69)
4.1 引言 (69)
4.2 分断过程触头电压-电流预测数学模型 (70)
4.3 分断过程中触头熔池特性仿真建模及分析 (75)
4.3.1 分断过程触头熔池特性仿真模型建立及求解 (75)
4.3.2 仿真结果及分析 (78)
4.4 分断燃弧过程中的触头材料侵蚀及转移特性分析 (81)
4.5 触头分断过程中烧蚀特性实验研究 (84)
4.6 本章小结 (85)
第5章基于电弧-触头双向多场耦合模型的触头侵蚀及转移特性 (86)
5.1 引言 (86)
5.2 电弧-触头多场耦合仿真模型 (86)
5.2.1 电弧-触头磁流体动力学模型 (87)
5.2.2 几何模型与计算网格 (89)
5.2.3 外部边界条件 (91)
5.3 电弧-阴极耦合模型 (91)
5.3.1 阴极表面能量平衡模型 (91)
5.3.2 阴极极旁区域数学模型 (94)
哈尔滨工业大学工学博士学位论文
5.3.3 电弧-阴极交界面边界条件 (99)
5.4 电弧-阳极耦合模型 (100)
5.4.1 阳极表面能量平衡模型 (100)
5.4.2 电弧-阳极交界面边界条件 (101)
5.5 电弧-触头双向多场耦合模型的求解及分析 (101)
5.5.1 电弧-触头双向多场耦合模型的求解 (101)
5.5.2 电弧-触头双向多场耦合模型仿真结果及分析 (103)
5.5.3 触头材料侵蚀及转移特性分析 (105)
5.6 本章小结 (107)
结论 (109)
参考文献 (112)
攻读博士学位期间发表的学术论文及其它成果 (122)
哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (123)
致谢 (124)
个人简历 (125)
Contents
Contents
Abstract (In Chinese) ............................................................................................. I Abstract (In English)........................................................................................... III
Chapter 1 Introduction (1)
1.1 Research background (1)
1.2 Research purpose and significance (2)
1.3 Related research status (3)
1.3.1 Arc-contact interaction theory and simulation (3)
1.3.2 Contact erosion mechanism (8)
1.4 Main research contents of the dissertation (12)
Chapter 2 Contact evaporation erosion and material transfer mechanism under static arc (14)
2.1 Introduction (14)
2.2 Simulation model for the molten pool under static arc (14)
2.2.1 Simulation model for the molten pool (16)
2.2.2 Simulation results and analysis (22)
2.3 Mathmatical model for the evaporation mechanism under static arc (25)
2.4.1 Physical mechanism for the evaporation phenemenon (25)
2.4.2 Evaporation model based on the gas dynamics (25)
2.4.3 Caculation results and analysis (29)
2.4 Analysis for the evaporation material transfer under static arc (31)
2.5 Analysis for the anti-evaporation erosion capability of the contact material 33
2.5.1 Effect of material properties on the molten pool (33)
2.5.2 Effect of material properties on the evaporation flux (34)
2.5.3 Effect of material properties on evaporation erosion characteristics (35)
2.6 Experiment verification (36)
2.6.1 Brief introduction on the experiment system (36)
2.6.2 Experiment conditions (37)
2.6.3 Experiment results and analysis (38)
2.7 Summary (40)
Chapter 3 Sputter erosion and material transfer mechanism under static arc 42 3.1 Introduction (42)
3.2 Model for the sputter erosion mechanism under static arc (42)
哈尔滨工业大学工学博士学位论文
3.2.1 Physical mechanism for sputter phenomenon (42)
3.2.2 Sputter model based on the mechanical energy conservation principle . 46
3.2.3 Solution method for the sputter erosion model (50)
3.2.4 Analysis for the sputter erosion characteristics (51)
3.2.5 Effect of the spot features on the sputter erosion under static arc (54)
3.3 Model for the sputter transfer-loss mechanism under static arc (57)
3.3.1 Assumptions for the initial status of the sputter droplet (57)
3.3.2 Sputter transfer-loss model without arc heating effect (58)
3.3.3 Sputter transfer-loss model with arc heating effect (61)
3.3.4 Results and analysis for the sputter-loss characteristics (63)
3.3.5 Analysis for the anti-sputter erosion capability of the contact material . 64 3.4 Experiment research on sputter erosion under static arc (65)
3.5 Summary (68)
Chapter 4 Contact erosion and material transfer characteristics based on equvalent model of the breaking process (69)
4.1 Introduction (69)
4.2 Contact voltage-current prediction model for the breaking process (70)
4.3 Molten pool simulation for the breaking process (75)
4.3.1 Simulation model and soluation for the molten pool (75)
4.3.2 Results and analysis for breaking process (78)
4.4 Contact erosion and material transfer for the breaking process (81)
4.5 Experiment research on the contact erosion for the breaking process (84)
4.6 Summary (85)
Chapter 5 Contact erosion and material transfer characteristics based on the arc-contact bidirectional multi-field coupling model (86)
5.1 Introduction (86)
5.2 Arc-contact bidirectional multi-field coupling model (86)
5.2.1 Arc-contact MHD model (87)
5.2.2 Geometric model and Mesh (89)
5.2.3 External boundary condition (91)
5.3 Arc-cathode coupling model (91)
5.3.1 Energy balance model on the cathode surface (91)
5.3.2 Mathmatical model for the near-cathode region (94)
5.3.3 Internal boundary condition for the arc-cathode interface (99)
5.4 Arc-anode coupling model (100)
5.4.1 Energy balance model on the anode surface (100)
5.4.2 Internal boundary condition for the arc-anode interface (101)
Contents
5.5 Solution and Analysis for the arc-contact simulation model (101)
5.5.1 Solution method for the arc-contact simulation model (101)
5.5.2 Simulation result and analysis (103)
5.5.3 Contact erosion and material transfer analysis (105)
5.6 Summary (107)
Conclusions (109)
References (112)
Papers published in the period of Ph. D. education (122)
Statement of copyright and Letter of autorization (123)
Acknowledgement (124)
Resume (125)
第1章绪论
第1章绪论
1.1课题研究背景
电磁继电器通过触头的机械接通或断开控制电路，具有转换深度高、物理隔离性能好的优点，普遍用于小功率回路的切换。随着半导体技术不断发展，固态继电器的性能不断提升。对于回路电流在3A以下的低功率、小电流应用场合，电磁继电器正逐步被固态继电器取代。对于回路电流在50A以上的大功率、大电流应用场合，仍以电磁继电器为主。因此，电磁继电器的市场正不断向大功率方向转移。
传统地面移动设备、航天飞机、舰艇等普遍采用28V电源体制。近年来，随着全电飞机、装甲车辆、空间站等武器装备飞速发展，对其电气系统提出了越来越高的要求，主要表现在供电容量的增加、不间断供电的需求及负载的自动管理等方面。如果仍沿用28V电源体制，为了保证供电功率需求，只能增加电流，导致电缆重量成比例增加。为了降低线缆重量，提高有效载荷，目前电源体制正向高压发展，由传统28V提高到200V以上。据统计，电源体制的改变能够使线缆重量降低3/5以上。电源体制的改变带来了整个电气系统元件的更新换代，其中高压直流大功率继电器就是在这一背景下诞生的。
高压直流大功率继电器作为新一代电磁继电器的代表，在高压、大电流条件下仍具有常规继电器所无法比拟的可靠性及使用寿命。高压直流大功率继电器自问世以来迅速发展，目前已被广泛应用于多个领域，包括医疗仪器，如心脏起搏器、肾结石排除装置、核磁共振成像等；航空和军用设备，如高频天线耦合装置、多路模式雷达、激光测距仪和闪电保护等；商业应用，如电动车辆、海底电缆分叉系统、深井油田探测、电池备份和不间断电源系统等。
对于高压直流大功率继电器产品，目前美国的GIGAVAC、Tyco Electronics和Leach等继电器专业制造公司已经推出系列化用于航天军用、航天商用、商用电气车辆等场合的高压直流大功率继电器产品。与之相比，我国在高压直流大功率继电器的设计技术储备方面尚属空白。尽管国内多家开关电器制造厂家通过研制或仿制的方法实现了部分产品的国产化，然而，由于长期没有将基础理论、设计技术研究置于产品开发同等地位，国内产品和国外产品相比，国内产品无论在性能指标还是可靠性指标上均有较大差距。目前国内使用的大部分高压直流大功率继电器多为进口产品。该类继电器产品的质量与配