Contribution à l'étude du couplage thermique-mécanique-électrique dans les contacts électriques : application à l'élaboration d'un modèle de durée de vie d'un contacteur

Contribution to the study of the mechanical-electric-thermal interaction in the electrical contacts : application to a lifespan model of a contactor

• Auteur / Autrice : Aurélien Fouque
• Direction : Frédéric Houzé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 29/01/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Teulet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Bauchire, Kacem Sai, Sylvain Leclercq, Lahouari Benabou, Georges Cailletaud, Romaric Landfried
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marc Bauchire, Kacem Sai

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Contacteurs électriques

Mots clés libres

Contacteur

Arc électrique

Ag–SnO2

Érosion

Démixtion

Modélisation

Contactor

Electric arc

Ag–SnO2

Erosion

Demixing

Modelling

Résumé

Un contacteur est un dispositif électromécanique destiné à établir ou couper un courantélectrique dans un circuit par la fermeture ou l’ouverture de contacts. Lors de chaquemanœuvre, un arc électrique est créé entre les «pastilles» des contacts, conduisant parl’énorme densité de puissance mise en jeu à atteindre et dépasser localement la températurede fusion du matériau. De ce fait, l’action répétée des arcs durant la vie de l’appareil (jusqu’àplusieurs centaines de milliers de cycles ouverture/fermeture) mène progressivement à la«ruine» des pastilles des contacts et au dysfonctionnement du contacteur. Le travail de thèsevise à proposer des outils de modélisation de l’endommagement des pastilles de contact sousl’effet des arcs, dans l’objectif à plus long terme de prédire la durée de vie du contacteurselon ses conditions d’utilisation. Le matériau considéré est un pseudo-alliage en argent etoxyde d’étain. Dans un premier temps, plusieurs campagnes expérimentales ont été menéespour réunir toutes les données d’entrée indispensables aux modélisations : déterminationdes propriétés thermomécaniques du matériau, caractérisation des endommagements – ensurface et en profondeur – produits par un arc unique et par une accumulation d’arcs,estimation de la densité de puissance apportée par un arc au matériau de contact. Denombreuses techniques ont ainsi été mises en œuvre : essais de traction monotone et dechargement cyclique, indentation (microdureté), profilométrie 3D, microscopies optiqueet électronique à balayage, analyses EDS et EBSD, imagerie par caméras thermique etultrarapide. Puis deux types de modèles ont été successivement développés. Le premierutilise le code de calcul par éléments finis Zset. Développé en géométrie axisymétrique, ilvise à décrire au sein du matériau l’évolution des températures, contraintes et déformationsrésultant d’un arc (supposé fixe), puis l’amorçage de fissures au terme de quelques centainesd’impacts au même point. Une variante 3D a ensuite été abordée pour approcher le casd’arcs mobiles. Le second modèle, de nature phénoménologique, repose sur des descriptionssimplifiées de la topographie et de la teneur en argent au voisinage de la surface, ainsique sur des règles d’occurrence et de distribution spatiale, issues autant que possible desobservations expérimentales. Il est destiné à simuler dans un temps de calcul raisonnableles dommages résultant du cumul d’un très grand nombre d’arcs sur toute la surface despastilles.

A contactor is an electromechanical device designed to establish or disconnect anelectrical current in a circuit by closing or opening contacts. During each operation, anelectric arc is created, due to the enormous power density involved to reach and locallyexceed the melting temperature of the material. As a result, the repeated action of thearcs during the life of the device (up to several hundred thousand closing/opening cycles)gradually leads to the ruin of the contact pads and the malfunction of the contactor. Thethesis work aims to propose tools for modelling the damage of contact pads under the effectof repeated impacts, with the longer-term objective of predicting the life of the contactoraccording to its operating conditions. The material considered is a pseudo-alloy made ofsilver and tin oxide SnO 2 . As a first step, several experimental campaigns were carried outto collect all the input data required for modelling : determination of the thermomechanicalproperties of the material, characterization of damage – surface and bulk – produced by asingle arc and by an accumulation of arcs, estimation of the power density provided by anarc to the contact material. Many experimental techniques have been used : monotonoustensile tests and cyclic loading, indentation (microhardness), 3D profilometry, opticalmicroscopy and scanning electron microscopy, EDS and EBSD analysis, thermal imagingcamera, high speed camera. Then two types of models were successively developed. Thefirst one uses the Zset finite element code. Developped in an axisymmetric geometry, itaims to describe within the material the evolution of temperatures, stresses and strainsresulting from an arc (assumed fixed), then the initiation of cracks after a few hundredof impacts at the same point. A 3D variant was then discussed to approach the case ofmoving arcs. The second model, of a phenomenological nature, is based on simplifieddescriptions of topography and tensile strength in silver in the vicinity of the surface, aswell as on rules of occurrence and spatial distribution, taken as much as possible fromexperimental observations. It is intended to simulate in a manageable calculation time thedamage resulting from the accumulation of a very large number of arcs over the entiresurface of the pellets.