Comment les relais « résistent-ils à la foudre » ? Une analyse de la conception innovante des relais à haute résistance à la foudre

Lorsqu'un courant de foudre massif envahit un relais , le système de contact est souvent le premier à échouer. A ce moment, une force de Holm importante est générée sur les surfaces de contact. Cette force électromagnétique repousse violemment les contacts, provoquant l’ouverture anormale du circuit, qui devrait rester fermé, entraînant une panne de l’équipement.

Les relais conventionnels semblent insuffisants pour répondre à cette difficulté. Les innovations techniques récentes utilisent ingénieusement la force de Lorentz pour atténuer la force de Holm, obtenant ainsi un effet stabilisateur consistant à « utiliser la force pour contrecarrer la force ».

Diagramme schématique du mécanisme de génération de force de Lorentz

Défi éclair : mécanisme physique de base de la répulsion de contact

La menace de foudre pour les relais se concentre sur un courant instantané extrêmement important. Lorsque le courant de foudre (qui peut atteindre des dizaines de kiloampères) traverse la zone de contact étroite d'un relais, il génère deux forces clés entre les contacts.

La première est la force de Holm (également appelée force de répulsion de contact). Cela provient de l’effet de constriction sévère du courant au niveau des points de contact (en fait de multiples aspérités microscopiques). Les lignes de courant sont extrêmement comprimées au niveau des aspérités microscopiques, produisant une forte force électrodynamique qui tente de séparer les contacts. Sa grandeur est proportionnelle au carré du courant ; lors d'un coup de foudre, sa valeur est suffisante pour vaincre la pression normale de contact des contacts.

L'autre est la force de Lorentz. Il s'agit de la force exercée sur un conducteur porteur de courant dans un champ magnétique. Dans un relais, le courant circulant à travers un conducteur de forme spéciale est soumis à une force dans le champ magnétique généré par lui-même, et la direction de la force suit la règle de gauche. La clé est que, grâce à une conception ingénieuse, la direction de la force de Lorentz peut être guidée pour être opposée à la force de Holm, compensant ainsi ses effets néfastes.

Tableau 1. Comparaison de deux forces clés agissant sur les contacts sous un coup de foudre

Dilemme de l’industrie : limites techniques de la conception traditionnelle

Pendant longtemps, l’amélioration de la capacité de tenue à la foudre des relais reposait principalement sur des approches de « renforcement » telles que l’augmentation de la dureté du matériau de contact et l’augmentation de la pression de contact. Cependant, face à la force de Holm, qui croît avec le carré du courant, ces méthodes atteignent vite leurs limites.

Une contradiction particulièrement importante apparaît dans les tentatives d’utilisation de la force de Lorentz. Dans les relais DC, pour éteindre l'arc généré lors de la coupure d'un courant important, on utilise souvent la technologie « d'extinction magnétique d'arc par soufflage », dans laquelle des aimants permanents sont disposés autour des contacts.

Cependant, ce champ magnétique fait subir au ressort mobile porteur de courant une force de Lorentz supplémentaire, souvent vers le bas. Cette force non seulement ne parvient pas à résister à la force de répulsion, mais peut également compenser une partie de la pression de contact, rendant les contacts plus faciles à repousser sous le courant de foudre, réduisant ainsi la capacité de tenue aux courts-circuits du produit.

Cela fournit précisément une confirmation théorique du défi principal décrit dans le projet de l’utilisateur : « la force de Lorentz est facile à réaliser dans des situations de petits espaces, mais très difficile à utiliser dans des espaces de contact importants. » Comment contrôler avec précision la direction et l’ampleur de la force de Lorentz afin qu’elle devienne un « allié » plutôt qu’un « ennemi » est la plus grande difficulté de la conception.

Percée innovante : philosophie de conception consistant à utiliser la « force » pour contrer la « force »

Pour surmonter le dilemme ci-dessus, il est nécessaire d’aller au-delà de la réflexion sur l’optimisation locale et de réaliser une conception innovante intégrée du système de contact du relais. Les solutions techniques de pointe s’articulent principalement autour de deux idées principales.

Idée 1 : Reconstruction du champ magnétique pour « mettre à zéro » ou inverser la force de Lorentz nocive

Pour remédier aux effets secondaires provoqués par le champ d’extinction de l’arc magnétique, une solution innovante consiste à reconstruire la distribution spatiale du champ magnétique en modifiant le nombre, la disposition et la polarité des aimants permanents.

Par exemple, une disposition à trois aimants : deux aimants sont situés des deux côtés du ressort mobile dans le sens de la largeur, correspondant à un ensemble de contacts mobiles et fixes ; le troisième aimant est situé sur un côté du ressort mobile dans le sens de la longueur, correspondant à un autre ensemble de contacts.

La conception clé est que la face polaire du troisième aimant est approximativement perpendiculaire aux faces polaires des deux premiers aimants. Grâce à cette conception spéciale du circuit magnétique, la force de Lorentz nette subie par le ressort mobile dans le champ d'extinction de l'arc d'éclatement magnétique peut être rendue approximativement nulle, éliminant fondamentalement l'effet secondaire nocif et garantissant que la pression de contact n'est pas perturbée.

diagramme schématique de la force de Holm et de la force de Lorentz

Idée 2 : Innovation structurelle pour utiliser efficacement la force de Lorentz bénéfique

Pour générer activement une force de Lorentz bénéfique pour résister à la force de Holm, la clé est de concevoir une boucle conductrice de courant spécifique. Une solution avancée adopte une conception combinant « un fil de cuivre flexible multibrins se connectant de manière flexible à un ressort mobile rigide » avec une structure en « forme de U ».

Génération de force : Lorsque le courant de foudre circule à travers le ressort mobile en « U » et ses fils flexibles connectés, selon leur direction encerclante, des forces de Lorentz de même direction et perpendiculaires au plan de contact peuvent être générées sur les deux bras parallèles de la structure en U.

Transmission et conversion de force : Cette force agit sur l’ensemble du ressort mobile. La connexion flexible du fil de cuivre flexible multibrins est cruciale, car elle garantit que la force de Lorentz peut être efficacement transmise et convertie en pression normale sur l'interface de contact, plutôt que de provoquer une torsion rigide ou un déplacement de la structure.

Compensation dynamique : lorsque la force de Holm tente de repousser les contacts, la force de Lorentz prédéfinie augmente de manière synchrone, formant un mécanisme de compensation dynamique et adaptatif qui « presse » les contacts l'un contre l'autre. La structure en U elle-même offre également une meilleure stabilité mécanique et un effet bras de levier.

Cette conception résout ingénieusement le problème de la « difficulté à utiliser la force de Lorentz dans des espaces de contact importants ». Grâce à une connexion flexible et à une conception structurelle globale, il permet une collecte et une utilisation efficaces des forces de Lorentz sur les conducteurs porteurs de courant sur une plage plus large en dehors de l'effet de petit espace (c'est-à-dire la zone de constriction actuelle).

Diagramme schématique de la conception de la structure de contact en forme de U à roulement pivotant

Conception de précision : soutien de la technologie de simulation et de la science des matériaux

La réalisation du contrôle précis de la force ci-dessus est indissociable des outils et matériaux de conception avancés.

La simulation de couplage multiphysique est devenue une méthode de R&D incontournable dans ce domaine. Dans les domaines de haute fiabilité tels que l'aérospatiale, l'analyse des relais électromagnétiques scellés a adopté un modèle de calcul de couplage interactif bidirectionnel bidirectionnel dynamique multicorps et éléments finis électromagnétiques.

Cette méthode peut calculer en temps réel les interactions entre les paramètres de couple mécanique transitoire, de force électromagnétique et de déformation, simuler avec précision le processus dynamique complexe au moment de la foudre et contrôler l'erreur de calcul de paramètres clés tels que la force de maintien de traction à un niveau moyen de 2,21 %.

Ceci est bien supérieur aux méthodes traditionnelles basées sur des tableaux de données statiques, fournissant des prédictions précises pour optimiser des paramètres tels que les dimensions de la structure en forme de U et la longueur et la rigidité des fils flexibles.

En termes de matériaux, le ressort mobile est généralement constitué d'un alliage de cuivre-béryllium ou de bronze phosphoreux à haute élasticité et haute conductivité pour résister aux forces répétées et aux chocs thermiques. Le fil de cuivre flexible multibrins nécessite une pureté et une flexibilité extrêmement élevées pour garantir une conduction fiable du courant et de la force après une vibration à long terme.

Les matériaux d'isolation et les structures d'habitation doivent également être reconsidérés pour répondre aux exigences d'isolation haute tension que peuvent entraîner les coups de foudre.

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Résumé

L'innovation principale de ce projet réside dans l'étude approfondie du mécanisme par lequel les contacts de relais échouent en raison de la force de Holm sous un courant de foudre important, et dans la proposition créative de l'idée de conception consistant à utiliser la force de Lorentz pour une contre-action active. Le projet a réussi à concevoir un mécanisme clé combinant une structure à ressort mobile en forme de U à roulement pivotant avec une connexion flexible en fil de cuivre flexible multibrins, convertissant efficacement la force de Lorentz générée en pression normale qui stabilise les contacts.

Sous vérification précise et optimisation par une technologie de simulation de couplage multiphysique, cette conception réalise une avancée technologique fondamentale de la « tenue passive » traditionnelle à « l'annulation dynamique active », améliorant considérablement la fiabilité et la durée de vie des relais dans des environnements de foudre extrêmes.