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POLITECNICO DI MILANO
Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria ElettricaAnalisi teorica e caratterizzazione sperimentale di contatti elettrici
per applicazioni nel settore ferroviario
Relatore: Alberto Dolara
Correlatore: Ing. Silvio Zuffetti
Tesi di Laurea Magistrale di:
Pietro Bertocchi
Matr. 801289
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Indice
Indice delle figure
...pag 61.Introduzione
...pag 122.Resistenza di contatto
...pag 142.1 Introduzione...pag 14 2.2 Teoria del contatto elettrico...pag 15 2.2.1 Teoria di Hertz...pag 19 2.2.2 Resistenza di film...pag 25 2.2.3 Influenza dei rivestimenti...pag 26 2.2.4 Influenza della temperatura...pag 28 2.2.5 Effetto dei lubrificanti...pag 30 2.3 Metodo per la predizione della resistenza di contatto...pag 35 2.4 Problematiche dei contatti elettrici...pag 40
2.4.1 Usura...pag 40 2.4.2 Corrosione...pag 41 2.4.3 Ossidazione...pag 43 2.4.4 Fretting...pag 46 2.4.5 Corrosione galvanica...pag 48 2.4.6 Rimbalzo del contatto...pag 49 2.5 Materiali per i contatti elettrici...pag 49
3 2.5.1 Materiali per i rivestimenti...pag 53 2.6 Forze di repulsione tra i contatti elettrici...pag 60
2.6.1 Electrodynamics Repulsion Between Electric Contacts with Arbitrary
Current-Density Distribution (Articolo)...pag 66
3.Modello meccanico
...pag 703.1 Modello analitico...pag 73 3.1.1 401840-Pinza a C...pag 73 3.1.2 00875-Sezionatore Romania...pag 77 3.1.3 343009-ETR-1000...pag 80 3.1.4 S3...pag 84 3.2 Analisi FEM...pag 86 3.2.1 401840-Pinza a C...pag 87 3.2.2 00875-Sezionatore Romania...pag 89 3.2.3 343009-ETR-1000...pag 94 3.3 Conclusioni...pag 98
4.Valutazione della resistenza di contatto
...pag 1004.1 Conclusioni...pag 103
5.Modello termico e prova di tenuta
...pag 1045.1 Modello...pag 104 5.2 Risultati...pag 107
6.Prova di Corto-circuito
...pag 1134 6.2 Analisi FEM...pag 120
6.2.1 Componente termica...pag 120 6.2.2 Componenti elettromagnetica...pag 123 6.3 Risultati...pag 125
7.I sezionatori nel ferroviario
...pag 1277.1 Alimentazione delle linee a corrente continua...pag 127 7.2 Alimentazione delle linee in corrente alternata...pag 135 7.3 Circuiti di trazione in C.C...pag 139 7.4 Alimentazione bifrequenza...pag 144 7.5 Mezzi di trazione con motore a collettore...pag 146 7.6 Mezzi di trazione con azionamento trifase...pag 148
8.Norme CEI
...pag 1518.1 CEI EN 50124-1...pag 151 8.2 CEI EN 60077-1...pag 157 8.3 CEI EN 60077-2...pag 164 8.4 CEI EN 60060-1...pag 166 8.5 CEI EN 60865-1...pag 167
9.Conclusioni
...pag 170Allegato 1:
Nota tecnica di SPII S.p.a, misura della resistenza di contatto...pag 172Allegato 2:
Nota tecnica di SPII S.p.a. prova termica...pag 1985
Ringraziamenti
...pag 2066
Indice delle figure:
Figura 1: Superficie di contatto tra due superfici metalliche. ... 16
Figura 2: La tabella ci mostra la resistenza di costrizione in funzione del raggio degli a-Spots. ... 17
Figura 3: Resistenza di costrizione in funzione della forma degli a-Spots. ... 18
Figura 4: Confronti... 19
Figura 5: Contatto sfera-sfera. ... 20
Figura 6: Contatto cilindro-cilindro. ... 20
Figura 7: Contatto cilindro-cilindro: Area di contatto. ... 21
Figura 8: Proprietà meccaniche dei materiali. ... 21
Figura 9: Pressione di contatto in funzione del raggio. ... 22
Figura 10: Resistenza di contatto in funzione della forza di contatto. ... 24
Figura 11: Forza di contatto utile nelle varie applicazioni. ... 25
Figura 12: Resistenza di contatto in funzione della forza di contatto. ... 36
Figura 13: Contatto elettrico in 2-D. ... 36
Figura 14: Risultati dello studio FEM e caratteristiche meccaniche dei materiali usati. ... 37
Figura 15: Area di contatto in funzione della forza di contatto applicata. ... 38
Figura 16: Resistenza di contatto in funzione dell'area di contatto per diversi rivestimenti. ... 38
Figura 17: Parametri usati nello studio. ... 39
Figura 18: Resistenza di contatto in funzione della forza di contatto per spessori diversi del rivestimento. ... 39
Figura 19: Resistenza di contatto in funzione della forza di contatto per diversi spessori del rivestimento. ... 40
Figura 20: Schema per lo studio dell'effetto della temperatura. ... 28
Figura 21: Caduta di tensione e sovratemperatura. ... 30
Figura 22: Flusso di corrente per rivestimenti di diversa resistività. ... 27
Figura 23: Spessore film sulla superficie del contatto in funzione del tempo: ... 45
Figura 24: Resistenza di contatto in funzione dello spessore del film. ... 45
Figura 25: Il fenomeno del Fretting. ... 47
Figura 26: Resistenza di contatto in funzione dei cicli del contatto elettrico. ... 47
Figura 27 Resistenza di contatto in funzione dei cicli del contatto elettrico. ... 48
Figura 28: Resistenza di contatto in funzione dei cicli del contatto elettrico. ... 48
Figura 29: Rivestimento duro. ... 54
Figura 30: Rivestimento duttile... 55
7
Figura 32: Resistenza di contatto prima e dopo l'ossidazione: ... 58
Figura 33: Resistenza di contatto in funzione dei cicli del contatto. ... 58
Figura 34: Temperatura del contatto in funzione dei cicli del contatto. ... 59
Figura 35: Caduta di tensione del contatto in funzione del tempo... 59
Figura 36: Percentuale di incremento della resistenza di contatto. ... 59
Figura 37: Andamento dei fili di corrente all'interno del contatto. ... 60
Figura 38: Andamento schematico dei fili di corrente. ... 61
Figura 39: Esempio di contatto elettrico. ... 63
Figura 40: Geometria del contatto. ... 64
Figura 41: Geometria del contatto. ... 65
Figura 42: Apertura del contatto. ... 66
Figura 43: Geometria del contatto in esame. ... 66
Figura 44:Foto pinze sezionatore di Zefiro MT ... 70
Figura 45: Foto pinze sezionatore di Zefiro MT. ... 71
Figura 46: Pinza 00875. ... 71
Figura 47: Pinze sezionatore di Zefiro. ... 72
Figura 48: Pinza del sezionatore dell'ETR-1000. ... 72
Figura 49: Modello semplificato della pinza. ... 74
Figura 50: Dati geometrici delle pinza sottoposta allo studio. ... 74
Figura 51: Suddivisione delle deformazioni sulle diverse parti della pinza. ... 74
Figura 52: Modello più complesso della pinza sottoposta al nostro studio. ... 75
Figura 53: Suddivisione delle deformazioni sulle diverse parti della pinza. ... 75
Figura 54: Percentuale di deformazione sulle diverse parti della pinza. ... 75
Figura 55: Percentuale di deformazione sulle diverse parti della pinza. ... 76
Figura 56: Variazione del carico lineare sulla trave CD. ... 76
Figura 57: Modello semplificato della pinza. ... 77
Figura 58: Dati geometrici delle pinza sottoposta allo studio. ... 77
Figura 59: Suddivisione delle deformazioni sulle diverse parti della pinza. ... 77
Figura 60: Modello più complesso della pinza sottoposta al nostro studio. ... 78
Figura 61: Suddivisione delle deformazioni sulle diverse parti della pinza. ... 78
Figura 62: Percentuale di deformazione sulle diverse parti della pinza. ... 78
Figura 63: Percentuale di deformazione sulle diverse parti della pinza. ... 79
Figura 64: Variazione del carico lineare sulla trave CD. ... 79
8
Figura 66: Dati geometrici delle pinza sottoposta allo studio. ... 80
Figura 67: Suddivisione delle deformazioni sulle diverse parti della pinza. ... 80
Figura 68: Percentuale di deformazione sulle diverse parti della pinza. ... 81
Figura 69: Percentuale di deformazione sulle diverse parti della pinza. ... 81
Figura 70: Teoria di Hertz ... 81
Figura 71: Pressione di contatto calcolata tramite la teoria di Hertz. ... 82
Figura 72: Andamento della forza. ... 83
Figura 73: Andamento della pressione di contatto. ... 83
Figura 74: Foto pinza sezionatore S3:... 84
Figura 75: Modello semplificato pinza S3. ... 84
Figura 76: Caratteristiche geometriche della pinza e caratteristiche della molla. ... 85
Figura 77: Forza ottenuta dalla molla. ... 85
Figura 78: Pressione di contatto calcolata tramite i contatti Hertziani. ... 85
Figura 79: Andamento della pressione di contatto. ... 86
Figura 80: Condizione iniziale del sistema. ... 87
Figura 81: Sforzi sulla superficie della pinza ad inserzione completa. ... 88
Figura 82: Andamento delle pressione nel volume. ... 89
Figura 83: Andamento della pressione di contatto durante l'inserzione della lama. ... 89
Figura 84: Andamento della forza di inserzione durante l'ingresso della lama nel contatto. ... 90
Figura 85: Condizione iniziale del sistema. ... 90
Figura 86: Sforzi sulla superficie della pinza ad inserzione completa. ... 91
Figura 87: Andamento delle pressione nel volume. ... 92
Figura 88: Andamento della forza di inserzione durante l'ingresso della lama nel contatto. ... 92
Figura 89: Andamento della pressione di contatto durante l'ingresso della lama nel contatto su una singola lamella. ... 93
Figura 90: Andamento della pressione di contatto durante l'ingresso della lama nel contatto. ... 93
Figura 91: Condizione iniziale del sistema. ... 94
Figura 92: Sforzi sulla superficie della pinza ad inserzione completa. ... 95
Figura 93: Andamento delle pressione nel volume. ... 95
Figura 94: Andamento della forza di inserzione. ... 96
Figura 95: Andamento della pressione di contatto durante l'ingresso della lama nel contatto su una singola lamella. ... 97
Figura 96: Andamento della pressione di contatto durante l'ingresso della lama nel contatto. ... 97
9
Figura 98: Resistenza di contatto in funzione della forza di contatto. ... 100
Figura 99: Andamento della resistenza di contatto in funzione della forza di contatto per una pinza in rame e lama in argento. ... 100
Figura 100: Resistenza di contatto calcolata e misurata sperimentalmente. ... 101
Figura 101: Resistenza di contatto in funzione della forza di contatto. ... 101
Figura 102: Andamento della resistenza di contatto in funzione della forza di contatto. ... 101
Figura 103: Resistenza di contatto calcolata e misurata sperimentalmente. ... 101
Figura 104: Resistenza di contatto in funzione della forza di contatto. ... 101
Figura 105: Andamento della forza di contatto in funzione della resistenza di contatto. ... 102
Figura 106: Resistenza di contatto calcolata e resistenza di contatto misurata. ... 102
Figura 107: Resistenza di contatto in funzione della forza di contatto applicata. ... 102
Figura 108: Andamento della resistenza di contatto in funzione della forza di contatto applicata. 102 Figura 109: Andamento della pressione di contatto nel caso di pinza con spessore pari a 4 mm. .. 101
Figura 110: Pinze e lame soggette al nostro studio ( Sezionatore di Zefiro MT). ... 104
Figura 111: Modello usato in Comsol... 106
Figura 112: Gradino di corrente in ingresso. ... 107
Figura 113: Temperatura pinza sopra. ... 108
Figura 114: Temperatura pinza sotto. ... 108
Figura 115: Temperatura Lama... 109
Figura 116 Tempertura piastra sopra ... 109
Figura 117: Gradino di corrente in ingresso. ... 110
Figura 118: Tempertura Pinza sopra. ... 110
Figura 119: Tempertura Pinza Sotto. ... 111
Figura 120: Temperatura Lama... 111
Figura 121: Tempertura Piastra sopra. ... 112
Figura 122: Immagine 3D del Sezionatore di Zefiro MT (Inventor). ... 114
Figura 123: Particolare del Sezionatore di Zefiro MT, lama e pinze ed albero. ... 114
Figura 124: Sezionatore di Zefiro MT soggetto al nostro studio. ... 115
Figura 125: Modello usato in Comsol... 115
Figura 126: Mesh usata per il contatto elettrico. ... 116
Figura 127: Mesh usata per simulare il comportamento dell'aria. ... 117
Figura 128: Schema semplificato di una delle pinze del Sezionatore di Zefiro MT. ... 118
Figura 129: Dati geometrici della pinza. ... 118
10
Figura 131: Forze in gioco su una della dita della pinza ... 119
Figura 132: Valori delle singole forze e della risultante. ... 119
Figura 133: Forze in gioco su una delle dita della pinza. ... 120
Figura 134: Valori delle singole forze e della risultante. ... 120
Figura 135: Gradino di corrente in ingresso. ... 121
Figura 136: Temperatura Pinza sopra. ... 121
Figura 137: Temperatura Pinza sotto. ... 122
Figura 138: Temperatura Lama... 122
Figura 139: Temperatura Piastra sopra. ... 123
Figura 140: Sfera per la simulazione dell'aria circostante il sezionatore. ... 124
Figura 141: Forza agente sulla pinza sopra. ... 125
Figura 142: Forza agente sulla pinza sotto... 125
Figura 143: Schema elettrico di una SSE... 128
Figura 144: Connessione tra linee primarie ed SSE ... 130
Figura 145: Collegamento in cascata ... 131
Figura 146: Ridondanze ... 132
Figura 147: Ridondanza della linea primaria ... 132
Figura 148: Alimentazione della linea di contatto ... 133
Figura 149: Distribuzione delle corrente nel sistema a 2x25 kV ... 135
Figura 150: Interconnessione sistema a 2x25 kV ... 136
Figura 151: Punto di origine della catenaria ... 137
Figura 152: Effettiva distribuzione delle correnti nel sistema a 2x25 kV ... 138
Figura 153: Sistema 2x25 kV ac reale. ... 139
Figura 154: Schema elettrico di trazione con motore a collettore: M=monofase; C=c.c; TS=tiristore per l'indebolimento di campo; DS=diodo di blocco; R=resistore di scarica; K=sezionatore c.c./c.a.; X=alimentazione con motore 2. ... 146
Figura 155: Schema elettrico di trazione di una locomotiva con azionamento trifase. ... 148
Figura 156: ETR-500 in configurazione 25kVAC a 50 Hz ... 149
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1.Introduzione:
Il seguente lavoro si propone di investigare e comprendere meglio le caratteristiche dei contatti elettrici. Prima di tutto è necessario introdurre la teoria dei contatti elettrici e quindi i primi studi sui contatti svolti da Ragnar Holm nella metà del 900. R.Holm introdusse la prima definizione di contatti elettrico e diede una prima spiegazione e verifica scientifica alla teoria della resistenza di contatto. Nei suoi studi affronta ogni problematica del contatto elettrico, partendo appunto dalla formula di definizione della resistenza di contatto.
Il primo capitolo tratta le problematiche del contatto elettrico dal punto di vista teorico, si parte dalla trattazione di Holm della resistenza di contatto, alla resistenza di contatto nel caso di rivestimento superficiali, fino alle problematiche dei contati elettrici, come la corrosione, rimbalzo ecc. i materiali maggiormente utilizzati e le forze elettrodinamiche in gioco durante un corto-circuito.
Il secondo capitolo tratta invece la parte meccanica riguardante i contatti elettrici, vengono quindi analizzate diverse tipologie di contatto. Tramite un'analisi FEM delle variabili meccaniche delle pinze in questione, si vogliono quindi ricavare gli sforzi a cui è soggetta la pinza e la pressione di contatto della pinza.
Il terzo capitolo tratta invece la resistenza di contatto, una volta acquisiti i risultati si vuole calcolare la resistenza di contatto delle varie pinze e confrontarla con i risultati ottenuti dalle prove sperimentali di resistenza di contatto.
Il quarto capitolo tratta invece l'analisi termica di un particolare contatto elettrico, cioè sui contatti del sezionatore di Zefiro MT, si sono effettuate alcune prove sperimentali e l'analisi FEM del dispositivo per valutarne il comportamento in caso di passaggio di corrente.
13 Il quinto capitolo vuole approfondire l'analisi del contatto elettrico in caso di corto circuito, in questa parte vengono quindi considerate le forze elettrodinamiche in gioco durante un corto circuito e inoltre viene considerata la componente termica. Il sesto capitolo vuole trattare i circuiti di trazione sul treno in cui sono inseriti i sezionatori, quindi si analizzano i diversi sistemi di trazione e i diversi sistemi di alimentazione delle linee di contatto.
Il settimo capitolo tratta invece le norme riguardanti i dispositivi che devono essere montati su materiale rotabile.
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2.Resistenza di contatto:
2.1 Introduzione:
La teoria di base per lo studio delle connessione elettriche si basa sul fatto che tutte le superfici, se esaminate con ingranditore non appaiono uguali alle superfici ideali, questo è dovuto al fatto che tali superfici presentano delle imperfezioni. Queste imperfezioni vengono definite con il termine rugosità. La rugosità superficiale di un materiale dipende dalla struttura cristallina del materiale stesso e ne caratterizza le caratteristiche meccaniche.
Una volta introdotto il concetto di rugosità è immediato capire che l'accoppiamento di due superfici avrà contatto solo attraverso le asperità che sono realmente in contatto. Tale contatto viene quindi a stabilirsi solo su un grande numero di microaree superficiali chiamate a-spots.
Il termine contatto elettrico sta a significare una giunzione tra due conduttori in grado di trasportare corrente. Il conduttore dal quale entra la corrente viene chiamato anodo, l'altro catodo. Quando i contatti sono separati da uno strato di materiale isolante si parla di contatto aperto, mentre nel caso in cui sia garantita la continuità del circuito si parla di contatto chiuso.
La teoria del contatto elettrico rientra pesantemente in tutti quei dispositivi in cui vi è la necessità di aprire o chiudere un qualsiasi circuito elettrico, da qui nasce quindi l'esigenza di studiare le proprietà e le caratteristiche dei contatti, sia in condizioni di normale funzionamento del circuito che in condizioni di guasto, e inoltre di valutare quali siano i parametri principali che agiscono tra le due superfici metalliche in contatto e che ne determinano il buono o il cattivo funzionamento.
Il contatto elettrico trova applicazione i tutti quei dispositivi atti a sezionare, aprire, chiudere un qualsiasi circuito e che rientrano in tutti gli ambiti dell'ingegneria elettrica.
15 La teoria esposta in questo capitolo ha validità generale per qualunque tipo di applicazione, essa quindi non vuole entrare nel dettaglio di una particolare applicazione ma ha lo scopo di approfondire le caratteristiche dei contatti ed evidenziare le variabili in gioco.
2.2 Teoria del contatto elettrico:
Si considerino due cilindri C1 e C2, e si definiscano Aa1 e Aa2 le superfici a contatto
dei due cilindri, e si indichi con Aa la superficie apparente di contatto.
L'irregolarità delle superfici Aa1 e Aa2 farà in modo che l'area di contatto tra i due
cilindri sia una parte dell'area nominale di contatto Aa, definita Ac. Il flusso di
corrente scorre attraverso la sola superficie Ac, a questo fenomeno è associata una
resistenza definita come resistenza di costrizione. La resistenza di costrizione non dipende solamente dalle dimensioni della superficie Ac e dalla forma di tale
superficie.
Se viene applicata una differenza di potenziale tra due punti a e b dei due cilindri, quando la corrente scorre attraverso il contatto possiamo definire la resistenza totale del contatto come:
Uab Rab
I
(2.2.1)
Se si considera un solo cilindro e si considera inoltre che l'intera area Aa sia
perfettamente conduttiva, (quindi il flusso di corrente scorre rettilineo nella superficie), possiamo definire la resistenza totale di questo contatto ideale, Rab
0 , come nel caso precedente, ovvero applicando tra due punti a e b una differenza di potenziale.
La resistenza di costrizione e la tensione di costrizione sono quindi definite come:
0
RRabR ab (2.2.2) URI (2.2.3)
16 Nel caso di contatto pulito, senza nessun film sulla superficie, R è definita semplicemente come resistenza di contatto. Nel caso fosse presente un film e i due conduttori fossero costituiti da metalli diversi, la resistenza R sarebbe la somma della resistenza di costrizione R1 del primo conduttore, dalla resistenza del secondo
conduttore R2 e dalla resistenza di film Rf:
1 2 f RR R R (2.2.4) dove:
1 1 R na
2 2 R na
(2.2.5)
a e n sono rispettivamente, la sezione ed il numero degli a-Spots.
f
R Ac
(2.2.6)
Questa è nota come la teoria di Holm per il calcolo della resistenza di costrizione con a-Spots di forma qualunque, se introducendo l'ipotesi per cui la forma degli a-Spots è di tipo circolare è possibile semplificare le equazioni, il problema principale risiede nel fatto che è difficile calcolare le dimensioni ed il numero degli a-Spots.
Figura 1: Superficie di contatto tra due superfici metalliche.
La resistenza di costrizione per un singolo a-Spots tra due conduttori di dimensione semi-infinita, è data dalla seguente formula:
17 2 R d (2.2.7)
dove ρ è la resistività del materiale mentre d è il diametro dell'asperità di contatto. Considerando entrambi i conduttori si ottiene:
R d
(2.2.8)
Inoltre se considerano che i due conduttori sono costituiti da materiali diversi, è possibile riscrivere la formula nel seguente modo:
1 2 2 R d (2.2.9)
In tabella Figura 2 è riportata la resistenza di costrizione per un contatto rame-rame in
funzione del raggio degli a-Spots:
Raggio a-Spots [µm] Resistenza di costrizione [Ω]
0.01 0.88
0.1 8.8x10-2
1 8.8x10-3
10 8.8x10-4
Figura 2: La tabella ci mostra la resistenza di costrizione in funzione del raggio degli a-Spots.
La resistenza di costrizione in una delle asperità di forma circolare di raggio a e con raggio del conduttore R può essere calcolata come soluzione di una equazione di Laplace:
18 La resistenza di costrizione è una funzione del numero e delle dimensioni e dalla forma degli a-Spots, in Figura 3 è riportato un confronto tra le varie tipologie di a-Spots mantenendo costante l'area del contatto:
Forma a-Spots Raggi [µm] Lunghezza [µm] Larghezza [µm] Spessore anello [µm] Resistenza [Ω] Circolare 5.64 1.55x10-3 Quadrata 10 10 3.04x10-3 Rettangolare 50 2 0.43 x10-3 Anello 16.41 1 0.71 x10-3
Figura 3: Resistenza di costrizione in funzione della forma degli a-Spots.
In un contatto elettrico il numero delle asperità in contatto dipende dal carico meccanico applicato, è possibile che più asperità si uniscano tra loro per formare un gruppo o cluster, è possibile arrivare ad una equazione che definisce in questo caso la resistenza di costrizione, facendo riferimento ad una geometria circolare degli a-Spots, come: c R nd D (2.2.10)
Il raggio del cluster di diametro D è definito anche come raggio di Holm e viene indicato con α. Si riportano in Figura 4 alcuni valori interessanti della formula, facendo crescere progressivamente il raggio degli a-Spots:
19
Spots Holm cluster a-Spots
equivalente resistenza 0.02 0.3289 5.34 0.0937 1.18 0.04 0.1645 5.36 0.0932 1.94 0.1 0.0685 5.42 0.0923 3.16 0.2 0.0329 5.50 0.0909 4.04 0.5 0.0132 5.68 0.0880 4.94 Figura 4: Confronti.
La reale area di contatto dipende dal carico meccanico applicato, la deformazione tra le parti in contatto può essere sia plastica che elastica, questo dipende dalla pressione di contatto, in questo si fa riferimento alla teoria di Hertz. Essendo l'area di contatto reale inferiore a quella nominale, la deformazione sarà plastica in quanto essendo presenti meno punti di contatto, dato che la reale area di contatto è inferiori a quella nominale, la pressione di contatto sarà concentrata in questi punti rendendo la deformazione plastica.
2.2.1 Teoria di Hertz:
Le tensioni che si generano grazie al contatto vengono descritte nella teoria di Hertz formulata secondo le seguenti ipotesi:
1) Solidi elastici, omogenei, isotropi: 2) Superfici lisce:
3)Tensioni tangenziali di attrito nulle:
La teoria formulata da Hertz pone come obiettivo la valutazione della forma e della dimensione dell'area di contatto e la quantificazione del valore della pressione nei punti della medesima area, relativamente a solidi in campo elastico a contatto fra loro e caricati lungo la normale.
20
Figura 5: Contatto sfera-sfera.
21
Figura 7: Contatto cilindro-cilindro: Area di contatto.
Come riportato dal seguente articolo XIX XIX, tramite l'analisi FEM delle pressioni sulla superficie di contatto si può valutare come la deformazione sia di tipo plastico:
22
Figura 9: Pressione di contatto in funzione del raggio.
Le pressioni sulla superficie di contatto risultanti dell'esperimento sono maggiori dello Yield Stress del materiale considerato, quando le pressioni superano lo Yield Stress si verificano deformazioni plastiche sul materiale.
L'articolo mette in luce come la reale area di contatto sia legata al carico applicato F all'interfaccia tra le due superfici e dalla durezza del materiale tramite la seguente relazione:
c
F A H (2.2.1.1)
La formula (2.2.1.1) ha validità, con buona approssimazione, nel caso di deformazioni plastiche, una valutazione rigorosa di H è assai difficile. Da esperimenti condotti: H può essere stimata dell'ordine di tre volte il limite di elasticità del materiale. Se il contatto è formato da materiali diversi si deve considerare la durezza più bassa tra i due materiali.
L'equazione mostra come la reale area di contatto tra due superfici sia indipendente dall'area nominale di contatto delle superfici ma questa dipenda dalla forza di contatto e dalla durezza dei materiali utilizzati, inoltre è indipendente dalle dimensioni degli oggetti in contatto. L'origine fisica di tale equazione può essere compresa facilmente tramite un semplice esempio:
Si considerino due interfacce costituite dallo stesso materiale ma con differenti dimensioni, 1 cm2 e 10 cm2 soggette allo stesso carico meccanico F. Se i materiali hanno la stessa rifinitura in superficie avranno la stessa densità di asperità in
23 superficie, questo significa che le zone di contatto dell'interfaccia più piccola saranno date da n, numero di asperità, nel caso dell'interfaccia più grande le zone di contatto saranno 10n. Il carico meccanico medio sviluppato ad ogni asperità sarà, per la superficie piccola, pari a F/n e per quella grande sarà F/10n . Se la deformazione è completamente plastica l'area di contatto ad ogni asperità della superficie piccola sarà dieci volte maggiore in confronto alla superficie grande, ma la totale area di contatto è identica nei due casi. L' equazione ha validità in caso di deformazione plastica dei materiali.
E quindi possibile concludere che Ac=ηπα
2, dove η è un coefficiente dell'ordine
dell'unità per interfacce pulite.
La resistenza elettrica di contatto può essere quindi definita tramite la seguente equazione: 2 4 c H R F (2.2.1.2)
L'equazione si ottiene combinando la formula che fornisce l'area di contatto e la relazione tra l'area di contatto e carico meccanico applicato.
La relazione mostra come la resistenza di contatto diminuisca al crescere della forza di contatto, questo avviene a causa di diversi fattori, i più importanti sono principalmente tre:
1) Incrementare la forza di contatto significa aumentare il numero delle asperità.
2) Incrementando la forza di contatto si procede verso un appiattimento permanente delle asperità di contatti.
24 3) Si ha un indurimento delle asperità di contatto che riduce la resistenza di
costrizione associata ad ogni a-Spots.
Figura 10: Resistenza di contatto in funzione della forza di contatto.
Aumentando la forza normale di contatto si va da aumentare anche la forza di inserzione:
i
F NF (2.2.1.3) µ: coefficiente di attrito.
N: numero di elementi in contatto.
In tabella Figura 11: Forza di contatto utile nelle varie applicazioni. si riportano alcune considerazioni utili che arrivano dalla pratica e che determinano i materiali da utilizzare nelle varie applicazioni in base alla forza di contato che si vuole ottenere:
25
Figura 11: Forza di contatto utile nelle varie applicazioni.
2.2.2 Resistenza di film:
La resistenza di film tiene conto di quel contributo alla resistenza di contatto dovuta alla presenza di strati contaminanti sulla superficie di contatto, questi possono essere strati di ossido, lubrificanti, acqua o anche prodotti di corrosione, che avendo una resistività elevata limitano la conduzione e quindi il passaggio della corrente.
Questi strati, se di spessore limitato inferiore a 10-10 m, sono in grado di condurre grazie all'effetto tunnel. Nella meccanica classica la legge di conservazione dell'energia impone che una particella non possa superare un ostacolo se non possiede l'energia per farlo. La meccanica quantistica invece prevede che una particella abbia un probabilità, anche se molto piccola, di riuscire ad attraversare una barriera. La resistività dovuta all'effetto tunnel è indipendente dalla composizione del film.
26 Indicando con ρf la resistività dello strato contaminato, con s lo spessore dello strato
contaminato e con ∑a la sommatoria delle aree occupate dallo strato effettivamente in contatto, è possibile scrivere:
f f s R a
(2.2.2.1)Supponendo che lo strato sia uniformemente distribuito sulla superficie di contatto, cioè che ∑a=A, è possibile riscrivere la formula in questo modo:
f f sH R F (2.2.2.2)
dove H è la durezza dello strato contaminato. 2.2.3 Influenza dei rivestimenti:
I rivestimenti elettrici conduttivi sono spesso utilizzati per ridurre la resistenza elettrica di contatto. La resistenza di contatto può essere ridotta grazie ad alcune azioni, come per esempio una diminuzione della durezza superficiale del contatto, l'eliminazione dei film di ossido presenti sulla superficie del contatto. I rivestimenti sono inoltre utilizzati per proteggere la superficie del contatto elettrico dalla corrosione, ossidazione e per aumentare la resistenza meccanica.
Nelle condizioni in cui la resistività del materiale usato per il rivestimento sia maggiore della resistività del materiale usato per il sottostrato e che il raggio degli a-Spots sia dello stesso ordine di grandezza dello spessore del film, il flusso di corrente elettrica si diffonde più significativamente nel sottostrato che non nel rivestimento In questo caso la resistenza di diffusione può essere approssimata con l'equazione:
4 d R a (2.2.3.1)
27 Considerando anche lo strato di film che è presente sulla superficie del contatto, con area πa2
e spessore s e resistività ρf , è presente una resistenza addizionale data da:
fs2 a
(2.2.3.2)
In prima approssimazione, la totale resistenza può essere approssimata con:
f2 t d s R R a (2.2.3.3)
Nelle condizioni in cui la resistività del materiale usato per il rivestimento sia più piccola della resistività del materiale usato per il sottostrato, il flusso di corrente si diffonde più apprezzabilmente nel materiale del rivestimento che non nel sottostrato.
Figura 12: Flusso di corrente per rivestimenti di diversa resistività.
In questo caso la resistenza di diffusione decresce con l'aumentare dello strato del rivestimento.
Si definisce Plating Factor:
/ 4 / , , 4 eff eff f f a P s a a (2.2.3.4)28 ρeff= resistività del rivestimento.
Partendo dell'espressione della resistenza di costrizione 2.2.1.2, si definisce la resistenza totale nel caso in cui il contatto fosse dotato di un rivestimento:
2 4 p Pf H R F (2.2.3.5)
H= durezza del materiale meno duro.
Considerando l'effetto della resistenza di costrizione, del rivestimento del contatto e del film presente sulla superficie di contatto, si definisce una totale resistenza di contatto data dall'equazione:
cont 2 4 p Pf H conts H R F F (2.2.3.6)
2.2.4 Influenza della temperatura:
Nella espressione della resistenza di contatto trovata in precedenza compare la resistività ρ del materiale. La resistività è funzione della temperatura, per valutare la sovratemperatura massima ϴ raggiunta dal contatti si fa riferimento al modello in figura:
Figura 13: Schema per lo studio dell'effetto della temperatura.
dove l'area di passaggio è costituita da una sfera e i due elementi di contatto sono cilindrici, le linee di flusso della corrente sono radiali, mentre le superfici
29 equipotenziali sono superfici semisferiche. Data questa struttura si considera il flusso di calore come percorrente gli stessi tubi di flusso della corrente. Si definisce la seguente resistenza termica, con R si intende la resistenza di costrizione e Ct la
conduttività termica del materiale:
(2.2.4.1)
Poiché il flusso di calore è dato da RI2, la differenza di temperatura media è data da:
(2.2.4.2)
La sommatoria di tutte le differenze di temperatura elementari fornsice la sovratemperatura ϴ nella zona di passaggio della corrente:
(2.2.4.3)
in cui V rappresenta la tensione ai capi degli elementi in contatto, indicando questa caduta di tensione con U, possiamo scrivere:
(2.2.4.4)
Valuta la sovratemperatura ϴ, si esprime il coefficiente da applicare alla resistività del materiale per effetto del riscaldamento dovuto alla corrente, che con buona approssimazione è dato dalla seguente formula:
30 dove α è il normale coefficiente di temperatura del materiale considerato rispetto ad una temperatura di riferimento. Si riporta di seguito in Figura 14 una tabella che fornisce la corrispondenza fra la caduta di tensione del contatto in rame U, la sovratemperatura ϴ e il coefficiente di temperatura α' (temperatura di riferimento 19 °C):
Figura 14: Caduta di tensione e sovratemperatura.
L'espressione data per ϴ mostra che, durante la separazione degli elementi di contatto, si raggiunge facilmente la temperatura di fusione e anche di ebollizione dei contatti, a causa del progressivo aumento della resistenza di contatto.
2.2.5 Effetto dei lubrificanti:
E' pratica comune l'uso di lubrificanti tra le due interfacce di un contatto elettrico, questo sia per favorire il passaggio di corrente che per limitare i danni causati dalle continue manovre meccaniche a cui è sottoposto il contatto.
Nei contatti elettrici in presenza di rivestimenti in ambienti polverosi, molti esperimenti hanno mostrato come i lubrificanti liquidi siano migliori dei lubrificanti in cera. Vari esperimenti hanno mostrato come la permettività del lubrificanti giochi un ruolo molto importante nell'attrazione della polvere. La mistura di polvere e cera sulla superficie di contatto può essere molto dannosa per il contatto specialmente in caso di bassa forza di contatto.
Quando si ha la presenza di polvere sulla superficie di contatto questa può portare al fallimento del contatto, la polvere può essere rimossa dopo alcuni cicli di contatto.
31
32
Figura 16: Caratteristiche di alcuni lubrificanti
In generale, la resistenza di contatto in presenza di un lubrificante a cera è maggiore che in presenza di un lubrificante liquido in presenza di basse forze normali di contatto.
-Per quanto riguarda i lubrificanti a cera, maggiore è la corrente che passa attraverso il contatto minore e la resistenza di contatto associata.
-Per quanto riguarda i lubrificanti liquidi la tendenza sembra essere quella opposta, cioè la resistenza di contatto sale con la corrente.
Si nota che lubrificanti con maggiore permettività portano ad avere una resistenza di contatto maggiore, in generale si nota anche che i lubrificanti in cera hanno un comportamento peggiore dei lubrificanti liquidi.
Un lubrificante con una elevata permettività crea una forza di attrazione sulla polvere molto più elevata che un lubrificante con bassa permettività, conseguentemente il numero di particelle attratte e depositate sulla superficie di contatto è maggiore in confronto ad un lubrificante con permettività minore.
33 Lubrificanti a cera:
Essendo il contatto formato da molte asperità, anche se ad ogni ciclo esiste una pulizia del contatto, un po' di polvere può rimanere tra due asperità, il misto di lubrificante e polvere può essere dannoso per il contatto.
L'alta permettività del lubrificante fornisce una forza di adesione maggiore che un lubrificante con bassa permettività questa è la ragione del cattivo comportamento dei lubrificanti a cera specialmente in caso di basse forze normali di contatto.
Lubrificanti liquidi:
I lubrificanti con maggiore permettività attraggono più polvere che i lubrificanti con minore permettività, ma allo stesso tempo la mobilità della superficie rimuove la polvere ed elimina il problema ed i suoi effetti.
Se la corrente scorre attraverso un contatto con alta resistenza si ha un aumento della temperatura sulla superficie di contatto, la permettività si riduce con l'aumento della temperatura e questo è importante perché riduce la forza di adesione e quindi riduce la resistenza di contatto.
Figura 17: Permettività in funzione della tempertura.
Per i lubrificanti liquidi la permettività si riduce con l'aumento della temperatura questo comporta una diminuzione della mobilità sulla superficie e questo comporta
34 un aumento della resistenza di contatto specialmente in caso di basse forze normali di contatto. In caso di elevate forze di contatto l'azione della pressione è talmente elevata che spinge il lubrificante e tutta la polvere via dal contatto e mantiene bassa la resistenza di contatto.
Per concludere affinché l'uso dei lubrificanti abbia successo:
-Non è conveniente utilizzare un lubrificante a cera in ambiente polveroso, specialmente in caso di elevata permettività.
-In caso di lubrificante liquido la rugosità della superficie di contatto è molto importante, è conveniente avere una superficie piuttosto piatta così che ad ogni ciclo il contatto si pulisca da solo.
-Lubrificanti liquidi con permettività media risultano essere i migliori perché hanno una buona mobilità e non attraggono tanta polvere.
-Nonostante si ritenga il contrario i lubrificanti migliori sono degli isolanti, questi hanno un effetto benefico sul contatto elettrico e ne migliorano le performance. Nella formula della resistenza di contatto è vero che la resistività sta al numeratore, quindi ad un aumento della resistività aumenta la resistenza di contatto, ma in proporzione minore rispetto all'effetto che viene descritto in seguito. In un contatto elettrico il flusso di corrente scorre attraverso gli a-Spots e non negli spazi tra le asperità, quindi la resistività del grasso lubrificante incide nella realtà molto poco sulla resistenza di contatto.
Quando il contatto viene chiuso le reali parti in contatto sono gli a-Spots, il grasso isolante va a depositarsi negli spazi vuoti compresi tra i vari a-Spots a causa della forza di contatto meccanico, quindi garantisce un contatto metallo-metallo e questo fa diminuire la resistenza di contatto.
35 Inoltre l'uso di un grasso lubrificante rende più difficile il formarsi di depositi di ossido sulla superficie del contatto, che farebbero aumentare la forza di contatto per ottenere la stessa resistenza di contatto.
L'uso di lubrificanti ha uno scopo sia elettrico che meccanico in quanto mantiene la resistenza di contatto costante nel tempo ed diminuisce l'usura del dispositivo.
Per la scelta di un tipo di lubrificante devono essere considerati diverse caratteristiche del nostro contatto:
- Riduzione della forza di inserzione: - Riduzione dell'effetto fretting: - Aumento della vita del dispositivo:
2.3 Metodo per la predizione della resistenza di contatto:
Il calcolo della resistenza di contatto non è banale, questo è dovuto al fatto che entrano in gioco diverse variabili che non sono facilmente calcolabili, come per esempio la pressione agente sulla superficie di contatto, il legame tra forza di contatto e reale area di contatto.
Esistono diversi metodi sperimentali per la valutazione della resistenza di contatto, si riporta l'esperimento XIX condotto da Sawada e Shimizu. Tra i vari metodi in letteratura si è scelto questo perchè vengono introdotti i rivestimenti dei contatti elettrici e quindi la valutazione della resistenza di contatto in caso di rivestimenti. La prova è stata effettuata con diversi campioni, i primi due rivestiti con argento e stagno e il terzo non rivestito. La massima forza di contatto è stata fissata a 40 N. I campioni hanno una forma emisferica con spessore da 1 a 10 mm.
I risultati dell'esperimento con campioni con rivestimento 6 µm di argento e 5 µm di stagno sono riportati in figura, si nota come la resistenza di contatto sia minore in
36 presenza di carico maggiore e come la resistenza di contatto del campione con il rivestimento argentato sia minore di quella con il rivestimento di stagno.
Figura 18: Resistenza di contatto in funzione della forza di contatto.
Per arrivare a definire la relazione tra la forza di contatto e l'area di contatto gli autori hanno deciso di calcolare, tramite l'analisi FEM del contatto, le pressioni che entrano in gioco, nello studio non viene considerata la rugosità della superficie. Lo studio FEM è stato effettuato in 2-D.
Si riportano in Figura 20 i risultati dello studio FEM e le caratteristiche dei materiali.
37
Figura 20: Risultati dello studio FEM e caratteristiche meccaniche dei materiali usati.
La pressione di contatto in superficie è maggiore dello Yield Stress e questo dimostra come la deformazione è di tipo plastico.
La relazione tra forza di contatto e area apparente di contatto può essere approssimata come:
n
S F (2.3.1) S è l'area di contatto apparente [mm2]:
F è la forza di contatto [N]: α è una costante [mm2/N]: n è una costante:
38
Figura 21: Area di contatto in funzione della forza di contatto applicata.
La resistenza di costrizione varia con il rivestimento e lo spessore del rivestimento.
Figura 22: Resistenza di contatto in funzione dell'area di contatto per diversi rivestimenti.
E' possibile approssimare la relazione tra resistenza di contatto e area con questa equazione:
m k
R S (2.3.2) S è l'area di contatto apparente:
β è una costante: m è una costante:
39
Figura 23: Parametri usati nello studio.
Per arrivare a definire in anticipo la resistenza di contatto si può procedere in questo modo:
Partendo dalla relazione 2.3.1 e passando attraverso la relazione 2.3.2: Si ottiene:
m
nm kR F (2.3.3) -Silver:
40 Tin:
Figura 25: Resistenza di contatto in funzione della forza di contatto per diversi spessori del rivestimento.
Si nota come per valori di forza di contatto elevati si verifichi il fenomeno di adesione in tutta l'intera area di contatto, considerato questo è possibile affermare che l'area di contatto apparente è effettivamente equivalente alla reale area di contatto quando viene calcolata la resistenza di costrizione per forze di contatto elevate.
2.4 Problematiche dei contatti elettrici:
2.4.1 Usura:
Il fenomeno dell'usura è legata ai rivestimenti, il termine usura indica la rimozione forzata del materiale di contatto quando sono presenti delle azioni di strisciamento, esistono due tipologie di usura:
-Usura abrasiva:
Avviene quando un materiale è più duro del'altro. -Usura adesiva:
41 La parte più debole aderisce a quella più forte e viene portata via, questo meccanismo dipende dalla forza di contatto, maggiore è la forza di contatto maggiore è la possibilità che avvenga questo fenomeno.
Tutti i i tipi di usura vengono descritti dell'equazione di Archard in cui si definisce V come il volume dei frammenti di usura, k il coefficiente di usura, F è il carico applicato, L lunghezza del movimento durante l'usura:
V kFL H
(2.4.1.1)
k dipende dalla forza di contatto, dalla durezza e dalla geometria del contatto, dalla rugosità della superficie e, dallo stato di lubrificazione del contatto.
2.4.2 Corrosione:
La corrosione dei contatti elettrici è un fenomeno molto complesso, in cui risiedono molte variabili. Le principali cause del fenomeno possono essere riassunte come segue: Umidità relativa: Reazioni al cloro: Ossidazioni: Temperatura: Reduced sulfides (H2S):
L'umidità è un fattore molto importante nei processi di corrosione, inoltre deve essere considerato anche l'inquinamento come fattore che accresce la corrosione del contato elettrico. Ambienti particolarmente inquinati favoriscono la corrosione del contatto. La corrosione è un fenomeno che avviene in quei contatti che usano come rivestimento uno dei metalli nobili. Un metallo nobile è un metallo che non avvia alcun processo di corrosione. Il problema dei contatti che utilizzano come
42 rivestimento uno dei metalli nobili non risiede nel fatto che il metallo nobile favorisca un processo di corrosione, ma risiede nella lega metallica di base che viene utilizzata nel contatto elettrico. La lega metallica di base deve garantire le caratteristiche necessarie del contatto, se per esempio è una lega del tipo rame-zinco (ottone ), lo zinco reagisce con l'ossigeno, zolfo e cloro che sono elementi spesso presenti in ambiente.
Oro:
Il problema principale risiede nel costo dell'oro, se si potessero fare contatti con spessori di oro maggiore il problema della corrosione sarebbe risolto, l'elevato costo però limita lo spessore di oro che si può ragionevolmente utilizzare. Il rivestimento in oro è solo sull'interfaccia del contatto e non sull'intero terminale.
Un metodo per risolvere il problema della corrosione consiste nell'inserire uno strato di nichel tra il rivestimento in oro e la lega rame-zinco. Se non fosse presente lo strato di nichel qualsiasi imperfezione nel rivestimento in oro provocherebbe l'esposizione della lega rame-zinco e quindi si avrebbe il fenomeno della corrosione. I prodotti derivanti dalla corrosione aumentano la resistenza di contatto. Lo strato di nichel impedisce ai prodotti della corrosione di arrivare alla superficie di contatto.
Argento:
Le stesse considerazioni possono essere fatte per l'argento, infatti il film superficiale in un contatto argentato ha un effetto molto più deleterio che per esempio su un contatto in nichel.
L'argento è uno dei materiali più utilizzati nei contatti elettrici, oltre ad essere un ottimo conduttore presenta la qualità di non formare ossidi a temperatura ambiente, al contrario di altri materiali quali nichel e rame. L'argento ha il difetto di reagire principalmente con il cloro che è un elemento che si trova facilmente nell'ambiente, questo crea uno strato di sporco sulla superficie del contatto
43 Il comportamento dell'argento dipende quindi dal tasso di formazione del film di sporco sulla superficie e dalla forza impressa dal contatto, il film creato dall'argento non ha elevate caratteristiche di durezza e quindi elevate forze di contatto possono rompere il film e mantenere il valore di resistenza di contatto costante.
Rame:
Il rame non viene mai utilizzato direttamente sulla superficie di contatto, a parte in caso di elevate forze di contatto. Le reazione del rame sono strettamente dipendenti dalle interazioni con l'umidità e il livello di inquinamento.
Nichel:
Il nichel è uno dei materiali usati maggiormente nei contatti elettrici, il nichel è usato come barriera per la corrosione se utilizzato in condizioni ambientali tipiche dei climi temperati, bisogna in generale porre particolare attenzione perché potrebbero presentarsi condizioni per cui il nichel potrebbe portare alcuni svantaggi invece che un miglioramento nel contatto, per esempio in climi più aggressivi.
Stagno:
Per quanto riguarda lo stagno è appropriato considerarlo un materiale importante. Può essere usato sia come metallo di base che come rivestimento. Studi dimostrano come la formazione di ossido dello stagno in tutti gli ambienti è accettabile, quindi è utilizzabile anche in ambienti con climi aggressivi.
2.4.3 Ossidazione:
Il processo di ossidazione di un contatto metallo-metallo è considerato uno dei meccanismi di degradazione più influente nei contatti elettrici. Il processo di ossidazione del contatto dipende dal materiale usato, ogni materiale ha un suo particolare comportamento in caso di ossidazione, di seguito si riportano le caratteristiche dei principali materiali usati nei contatti elettrici.
44 Rame:
Nel caso di un contatto in rame è stato dimostrato che in presenza di ossigeno nell'atmosfera si ha sempre la presenza di questo fenomeno che porta ad una rapida crescita della resistenza di contatto. L'ossido di rame garantisce comunque una certa conduttività.
L'ossido di rame è tenero, questo è importante perché con elevate forze di contatto è possibile pulire la superficie di contatto dall'ossido.
Alluminio:
Per quanto riguarda l'alluminio, l'ossido si presenta duro e resistente ed inoltre ha una resistività molto maggiore in confronto alla resistività dell'ossido di rame, questo significa che si ha un aumento elevato della resistenza di contatto in quando il flusso di corrente può passare solo dove si ha una rottura del film di ossido e questo favorisce un aumento della resistenza di contatto.
Tutti i metalli, tranne quelli nobili, tendono a formare ossidi sulla superficie, gi ossidi creano problemi funzionali per i contatti, questo perché hanno una elevata resistività elettrica.
Per i contatti elettrici con basse forze di contatto, quindi per esempio per micro contatti è preferibile utilizzare contatti rivestiti con metalli nobili in quanto non sono sottoposti a processi di ossidazione così da non avere bisogno di elevate forze di contatto per rompere il film di ossido presente sulla superficie di contatto, come invece accade per i contatti di elevata potenza che a causa del costo del materiale, è preferibile l'utilizzo di altri metalli abbinati a forze di contatto maggiori che sono in grado di pulire la superficie.
45
Figura 26: Spessore film sulla superficie del contatto in funzione del tempo:
Il diagramma in Figura 26 riporta la crescita di ossido sui contatti in funzione del tempo, la formazione degli ossidi è molto veloce. Ossidi di nichel e stagno vengono definiti autolimitanti, cioè raggiunto un certo spessore tendono a non accrescere più il loro spessore, mentre per esempio gli ossidi di rame e argento continuano a prodursi ed accumularsi nel tempo
46 Il grafico in Figura 27 rappresenta la resistenza elettrica in funzione dello strato di ossido.
Atmosfere molto inquinanti possono dare vita ad altri composti come cloruri, solfuri, nitruri e idruri che possono contribuire ad alterare le caratteristiche fisiche sulla superficie, e quindi modificare il valore della resistenza di contatto, aumentandola. 2.4.4 Fretting:
Il fenomeno del fretting è un meccanismo di degrado della superficie di contatto che causa l'aumento della resistenza di contatto. Lo sviluppo di questo fenomeno è strettamente legato al tipo di rivestimento utilizzato nel contatto elettrico.
Questo fenomeno non è invece presente nei rivestimenti costituiti da metalli nobili, come per esempio l'oro.
Il fretting è un fenomeno di corrosione legato ai micromovimenti, questo fenomeno avviene principalmente nei contatti placcati in stagno.
Lo stagno è un materiale soffice e duttile che presenta uno strato di ossido molto fragile sulla sua superficie, essendo questo strato di ossido un semiconduttore il passaggio della corrente può avvenire. Quando avviene il contatto la struttura rigida di ossido si rompe e questo permette un contatto metallo-metallo con una bassa resistenza di contatto, la rottura è dovuta al fatto che lo strato di ossido è fragile e non può sostenere la pressione di contatto applicata.
47
Figura 28: Il fenomeno del Fretting.
Ad ogni contatto si crea una nuova interfaccia di contatto tra metallo e metallo sempre diversa per ogni ciclo, quindi l'interfaccia di contatto formatasi durante il primo ciclo rimane scoperta durante gli altri cicli in quanto lo strato di ossido è stato rimosso in precedenza, in queste zone si viene a formare un nuovo strato di ossido. Ad ogni spostamento dell'interfaccia di contatto si creano strati di ossido e detriti, tali detriti si accumulano sulla superficie, aumentando il volume di ossido si avranno sempre meno asperità utili per il contatto elettrico e di quindi il valore della resistenza di contatto aumenterà.
Questo fenomeno è in stretta relazione con la forza di contatto, basse forze producono pochi detriti ma non riescono a spostarli, grandi forze producono maggiori detriti ma sono in grado di spostarli.
48 Il grafico in Figura 29 mostra l'andamento della resistenza di contatto in funzione dei vari cicli e di diverse forze di contatto applicate.
Aumentando la forza di contatto la resistenza subisce gli effetti del fretting ma in misura minore confronto a forze di contatto inferiori.
Un altro meccanismo di prevenzione contro il fenomeno del fretting è l'uso di lubrificanti che permettono un numero di cicli maggiore.
Figura 30 Resistenza di contatto in funzione dei cicli del contatto elettrico.
Figura 31: Resistenza di contatto in funzione dei cicli del contatto elettrico.
2.4.5 Corrosione galvanica:
In un sistema bimetallico la corrosione galvanica è un altro meccanismo di degrado molto importante. Ogni volta che metalli differenti sono accoppiati in presenza di una
49 soluzione contenente sali ionici, si è in presenza di corrosione galvanica. Il metallo con il maggiore potenziale elettrolitico ha comportamento anodico e viene consumato dall'azione galvanica. Per esempio nel caso di contatto alluminio-rame, l'anodo che è l'alluminio si dissolve e si deposita sul rame. In questo modo l'area disponibile per il contatto si riduce drasticamente e quindi si ha un forte incremento della resistenza di contatto.
I fattori che intervengono nel processo di corrosione galvanica sono molti, il più importante è l'umidità.
2.4.6 Rimbalzo del contatto:
Si ha il rimbalzo del contatto, più precisamente dell'elemento mobile su quello fisso, quando gli elementi che si urtano fra loro sono dotati, come di norma, oltre che di massa, anche di velocità ed elasticità non trascurabile.
La durata del rimbalzo può essere ridotta al minimo (frazione del millesimo di secondo) riducendo, ad esempio, l'energia cinetica dell'elemento mobile (riduzione di massa e velocità) oppure eliminarla del tutto con speciali accorgimenti meccanici. Gli effetti deleteri del rimbalzo sono poco sentiti se la durata è relativamente breve. Una situazione a cui bisogna prestare attenzione è la riapertura del contatto una volta stabilita la continuità del circuito che può avvenire per vibrazioni che percorrono l'apparecchio oppure oscillazioni. Una forza di contatto notevole rispetto al peso dell'elemento mobile è il mezzo più semplice per risolvere questo tipo di problemi.
2.5 Materiali per i contatti elettrici:
I requisiti fondamentali per i materiali usati nei contatti elettrici sono riassunti di seguito:
Resistenza di contatto minima e costante nel tempo:
50 Elevata resistenza ad usura:
Elevata resistenza a corrosione ed ossidazione:
Oltre alla caratteristiche fisiche del materiale devono essere considerati i costi legati all'approvvigionamento ed alla lavorazione del materiale, quindi spesso si procede alla riduzione degli spessori dei metalli preziosi per ridurre i costi.
I materiali usati principalmente per i conduttori elettrici e per i sottostrati dei contatti sono il rame e l'alluminio, in Figura 32 si riportano le caratteristiche generali di alcuni materiali:
Figura 32: Caretteristiche dei materiali.
Rame:
Il rame è un materiale morbido, malleabile e duttile dotato di una elevata conduttività, date le sue caratteristiche è possibile realizzare una grande varietà di prodotti per ogni tipo di applicazione, ed è il materiale più utilizzato per ogni tipo di applicazione elettrica per la trasmissione di potenza.
In normali condizioni atmosferiche il rame è relativamente resistente alla corrosione, che può essere prodotta da ambienti contenenti cloro. Inoltre l'uso di rame in
51 ambiente vicini al mare provoca una veloce corrosione del materiale. Infine ambienti ricchi di solfuro portano all'ossidazione del materiale.
Per le applicazioni elettriche, soprattutto in quelle applicazione che richiedono molte manovre, come per esempio gli apparecchi di sezionamento, le proprietà meccaniche del rame devono essere migliorate a costo di peggiorare le proprietà elettriche.
I problemi principali per i contatti in rame risiedono nel fatto che il rame ha una scarsa resistenza alla corrosione e ossidazione.
Le leghe metalliche utilizzate nei contatti elettrici sono svariate. In questo paragrafo verranno solo accennate alcune caratteristiche dei materiali più usati, che sono le leghe di rame (come bronzo e ottone) e l’acciaio.
Bronzo (CuSn):
Questa lega è composta principalmente di rame, che viene arricchito con stagno fino all’8-9%, questo elemento dà luogo a leghe con buone caratteristiche meccaniche e grande resistenza alla corrosione.
Queste leghe sono ancora lavorabili plasticamente e si possono laminare, estrudere, forgiare, stampare e trafilare. Aumentando ulteriormente il tenore di stagno, la durezza raggiunge livelli tali da consentire solo pezzi ottenuti per fusione, chiamati anche getti.
-A livello industriale si arriva a produrre bronzi con tenori fino al 30% di stagno. Tutti i bronzi presentano una conducibilità elettrica inferiore al rame puro. In genere i bronzi contengono sempre elementi aggiunti oltre allo stagno e sono:
-il fosforo che disossida e aumenta la durezza (bronzi fosforosi), il piombo, lo zinco ed il berillio.
52 Ottone (CuZn):
Questa lega è la più utilizzata nella produzione dei contatti elettrici e trova il suo impiego con o senza rivestimento superficiale. Con tenori di zinco fino al 38% la lega risulta duttile e malleabile a freddo.
-Le caratteristiche meccaniche migliorano all’aumentare del contenuto di zinco mentre diminuiscono quelle elettriche e termiche.
Gli ottoni sono adatti per la colata in sabbia e in conchiglia e la presso colata, che si applica a getti di piccole e medie dimensioni.
Rispetto al rame puro presenta valori più elevati di durezza, resistenza meccanica e fusibilità. Alla lega possono essere aggiunti altri elementi per modificarne le proprietà come il ferro, lo stagno, l’alluminio, il nichel ed il silicio.
Acciaio:
Questa lega metallica è composta principalmente da ferro e carbonio, quest’ultimo in percentuale non superiore al 2,11%: oltre tale limite le proprietà del materiale cambiano e la lega assume la denominazione di ghisa.
Esistono tantissimi tipi di lavorazione, di produzione e di arricchimento dell’acciaio. Per quanto riguarda i contatti elettrici,le tipologie più utilizzate sono l’acciaio nichelato e l’acciaio inossidabile.
La combinazione acciaio-nichel offre la massima garanzia di affidabilità in presenza di alte temperature. Le connessioni eseguite in acciaio nichelato possono infatti ben sopportare temperature fino a 300 °C. L’acciaio inossidabile viene impiegato anch’esso in presenza di temperature elevate dove l’ottone non garantisce più
53 l’assoluta affidabilità. L’acciaio inossidabile è il nome dato correntemente agli acciai con un tenore di cromo indicativamente superiore al 13%, per la loro proprietà di non arrugginire se esposti all'aria e all'acqua:
il cromo, ossidandosi a contatto con l'ossigeno, si trasforma in ossido di cromo (CrO2) che crea uno strato aderente e molto resistente, impedendo un'ulteriore ossidazione (tale fenomeno è noto come passivazione). Questo fenomeno aumenta la resistenza di contatto.
2.5.1 Materiali per i rivestimenti:
Data la facile ossidazione dei metalli usati per i sottostrati dei contatti e quindi l'incremento della resistenza di contatto, si vengono a peggiorare le prestazioni del contatto e ad aumentare la temperatura operativa.
Per migliorare le caratteristiche dei metalli usati si procede quindi con il rivestimento tramite altri materiali che consentano di ottimizzare le proprietà dei metalli.
Per prima cosa è necessario salvaguardare il contatto da possibili fenomeni chimici che portano al degrado del materiale, come la corrosione e l'ossidazione. Inoltre devono essere migliorate le caratteristiche meccaniche, per migliorare la resistenza del materiale all'usura.
La scelta del materiale per il rivestimento deve seguire logiche elettriche, meccaniche e chimiche.
In generale possiamo definire i seguenti requisiti meccanici ed elettrici:
Buone caratteristiche meccaniche, per poter sopportare sollecitazioni e deformazioni dovute alle forze di contatto:
54 Buone caratteristiche elettriche, bassa resistenza di contatto.
Temperatura, umidità e specie corrosive determinano il tipo e la struttura dei film che si formeranno sull'interfaccia di contatto:
Ci sono due meccanismi di interazione tra superfici che garantiscono l’accoppiamento meccanico ed elettrico il rivestimento duro ed il rivestimento duttile.
Il rivestimento duro consiste semplicemente nell'accoppiare due materiali che hanno determinate caratteristiche di durezza affinché non si abbia elevata compenetrazione quando sono soggetti alla forza normale di contatto e quindi ad instaurare inevitabili fenomeni di usura e abrasione.
Nello stesso tempo non devono permettere la formazione di film superficiali. Questo meccanismo richiede l'uso però di metalli nobili e preziosi come l'oro duro e il palladio. L'applicazione di questi materiali aumenta di molto il costo commerciale dei contatti elettrici, quindi è opportuno limitarne l'uso.
Se invece viene utilizzato un rivestimento duttile, la forza di contatto normale riesce a rompere il film di ossido creatosi sulla superficie e si creano i varchi per il passaggio della corrente elettrica:
55
Figura 34: Rivestimento duttile.
I principale materiali usati per i rivestimenti sono: Palladio Nichel (80Pd, 20Ni):
All'inizio degli anni '80, il palladio è stato utilizzato per la prima volta come materiale alternativo per il costo più basso rispetto all'oro duro. L'impiego di palladio non consente di eliminare completamente l'oro. Per contrastare la tendenza alla formazione di film superficiali, prevenire la formazioni di ossidi e mantenere i valori della resistenza di contatto costanti nel tempo per lunghi periodi è sempre necessario applicare uno strato esterno di oro duro, con spessore inferiore a 0,2 μm (flash di oro).Le leghe palladio-nichel (generalmente 80Pd, 20Ni) offrono anche alcuni vantaggi tecnologici rispetto al palladio puro:
Minore sensibilità ai cianuri e all'inquinamento da metalli:
Duttilità più elevata:
Migliore resistenza ad abrasione:
Forze di inserzione più basse:
56 Minor assorbimento di idrogeno e quindi tensioni o sforzi interni
più bassi e depositi esenti da frattura:
Nichel:
Il nichel presenta caratteristiche molto utili nei contatti elettrici, alta resistenza ad ossidazione e corrosione che lo rendono interessante per molto applicazioni. Viene utilizzato per aumentare le caratteristiche meccaniche del rame, il nichel offre una maggiore durezza e quindi il contatto ottiene una migliore resistenza all'usura.
Le caratteristiche del nichel non degradano la resistenza di contatto, ma invece aiutano il contatto a non degradarsi e a mantenere la sua stabilità.
Argento:
L'argento, insieme al nichel, è il materiale più utilizzato nei contatti di alta potenza, ha le migliori caratteristiche di conducibilità sia termica che elettrica, ha buone caratteristiche di durezza e quindi viene impiegato in contatti di potenza insieme al nichel e al rame.
Rivestimento in argento e nichel:
Il rame è il materiale più utilizzato per i contatti elettrici, sia come metallo pure che come componente principale per le sue leghe, quindi insieme all'argento, nichel, oro e stagno. Il rame però presenta l'inconveniente di essere sensibile alla corrosione, questo dipende anche dall'ambiente in cui si viene a trovare il nostro materiale, per esempio in ambienti molto inquinati si ha che il processo di corrosione è più marcato, anche in condizioni di elevata umidità il processo è più veloce.
E' pratica comune utilizzare rivestimenti in argento per i contatti in rame, questo si trova sia nei sistemi di distribuzione elettrica che in tutte le reti di trasmissione di potenza. L'argento è un metallo nobile che non si ossida nella normale atmosfera, inoltre possiede la migliore conducibilità sia termica che elettrica.
