电磁继电器动作时,触头间会形成电弧,并伴随蒸发和喷溅现象。蒸发和喷溅会导致触头材料侵蚀和转移,是接触系统失效的主要原因。现有的蒸发侵蚀模型只适用于真空中燃弧过程,不适用于继电器中的常压气体环境;现有的喷溅侵蚀模型无法定量描述喷溅侵蚀特性与电弧特性之间的关系;而对于蒸发和喷溅导致的材料转移现象目前国内外尚未开展理论研究。以上问题导致至今仍无法定量评估继电器动作过程中电弧对触头的烧蚀程度,不能为触头抗烧蚀能力设计和优化提供有效的理论依据。本文通过建立触头熔池三维磁流体动力学模型和电弧-触头统一模型,对稳态电弧和分断燃弧过程引起的蒸发和喷溅侵蚀机理及材料转移特性进行了研究。蒸发导致的触头材料侵蚀和转移是触头分断小电流时性能退化和失效主要原因。针对触头及熔池内部传热和流动现象,建立了熔池三维磁流体动力学模型,得到了熔池物理特性及触头表面热场分布。基于气体动力学理论,建立了包含努森层、蒸气层、暂态电弧层和稳态电弧层的熔池表面蒸发数学模型,通过求解层与层交界面物质状态如密度、温度和压力等满足的气体动力学方程,得到了蒸发通量与熔池表面温度的关系。结合熔池表面热场分布和蒸发通量与熔池表面温度的关系,得到了稳态电弧作用下触头的蒸发侵蚀率。在零材料损失假设下,通过求解阴极和阳极的蒸发侵蚀率,得到了蒸发导致的材料转移方向和转移速率。基于上述模型,分析了触头热导率、电导率等材料属性对蒸发侵蚀特性的影响,解决了小电流下触头材料抗烧蚀能力设计和评价缺乏理论依据的问题。利用开距可调的电弧试验系统进行了小电弧电流下的稳态燃弧实验,得到了不同稳态电流电弧烧蚀触头质量和形貌的变化。喷溅导致的触头材料侵蚀机理和转移特性的研究对于大电流下接触系统失效模式和失效机理的分析至关重要。通过对熔池表面进行受力分析,建立了电弧对熔池作用力突变导致材料喷溅的物理模型,分析了斑点产生、消亡与喷溅形式的关系。基于机械能守恒原理,推导了电弧力做功表达式,根据电弧力做功和表面张力束缚能的关系,给出了喷溅发生的定量判据。结合电弧斑点的等效模型,得到了稳态电弧作用下喷溅侵蚀率。分析了斑点电流密度、斑点更替周期和运动速率等斑点特性对喷溅侵蚀特性的影响。由于喷溅具有随机性,在喷溅液滴初始状态概率分布假设下,进行了液滴在电弧中运动轨迹模拟,得到了喷溅液滴导致材料损失和转移的比例与液滴初始状态、触头半径及间隙之间的关系。基于以上研究,分析了触头热导率、电导率等材料属性对喷溅侵蚀特性的影响,为大电流下触头材料抗烧蚀能力理论设计和评价提供了新方法。进行了大电弧电流下的稳态燃弧实验,得到了喷溅导致的触头质量和形貌的变化,并与理论计算结果进行了比较和分析。建立了触头分断过程各个阶段的等效模型,结合熔池仿真模型,研究了分断过程触头材料侵蚀和转移特性。建立了接触斑点、液桥和电弧的简化模型,提出了分断过程触头电压-电流预测方法,得到了分断过程各阶段注入触头的电流密度和热流密度。在此基础上,建立了分断过程熔池仿真模型,得到不同时刻熔池内部各物理场分布。通过分析蒸发和喷溅导致的触头侵蚀和转移特性,实现了单次燃弧过程中蒸发和喷溅导致的侵蚀和转移特性的理论分析。在30V/50A阻性负载回路中进行了10000次分断燃弧实验,得到了触头电压波形和质量变化,分析了仿真与实验结果差异的原因。根据电弧和触头之间的物质和能量传递过程,建立了包括阴极、阳极和电弧弧柱区域的电弧-触头双向多场耦合的磁流体动力学模型,研究了分断燃弧过程触头材料侵蚀和转移特性。建立了包含阴极、鞘层、预鞘层和弧柱的阴极极旁区域数学模型,得到了阴极表面电子流密度和离子流密度与阴极表面温度的关系。基于阴极和阳极表面能量平衡模型和极旁区域数学模型,提出了电弧与触头的边界耦合计算方法。结合动网格技术实现了分断过程触头和电弧内部热场、电场、磁场等多物理场的耦合求解,得到了燃弧过程中蒸发和喷溅侵蚀及转移特性随时间的变化。本研究对于触头失效模式和失效机理的分析、接触系统性能的评价以及电磁继电器高可靠、长寿命的设计具有重要的理论意义,对于不同燃弧条件下的触头抗烧蚀能力设计和优化具有一定的实用价值。