永磁體位置對(duì)直流接觸器觸頭系統(tǒng)的影響

陳 晨，遲長(zhǎng)春

（上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海 201306）

隨著直流輸電技術(shù)的迅速發(fā)展，作為直流輸電技術(shù)中重要電器元件的直流接觸器備受關(guān)注。與交流接觸器的周期性過零點(diǎn)滅弧相比，直流接觸器的滅弧相對(duì)困難得多，因此直流接觸器通常都采用“磁吹弧”裝置［1］。隨著新能源的大力發(fā)展，直流接觸器被廣泛應(yīng)用于新能源汽車、充電樁等設(shè)備中，但在電路發(fā)生短路故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的短路沖擊電流，直流接觸器的動(dòng)靜觸頭會(huì)由于過大的電動(dòng)斥力而斥開，從而影響電路的其他元件正常工作，甚至?xí)斐蔁o法預(yù)知的嚴(yán)重后果。

本文對(duì)直流接觸器觸頭系統(tǒng)中的永磁體進(jìn)行研究，通過電磁仿真軟件Maxwell分析不同排布方式下的永磁體，對(duì)滅弧能力和短時(shí)耐受電流的影響，為后續(xù)直流接觸器的研究設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 基礎(chǔ)理論

直流接觸器主要由鐵芯、線圈、觸頭、滅弧裝置等部分組成，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直流接觸器結(jié)構(gòu)圖

直流接觸器的工作原理：線圈在接通直流電后產(chǎn)生磁場(chǎng)，其方向可根據(jù)右手螺旋定則確定，從而使得靜鐵芯產(chǎn)生電磁吸力，并吸引動(dòng)鐵芯向上運(yùn)動(dòng)，由軸帶著動(dòng)觸板向上靠近靜觸頭，一直到動(dòng)靜觸頭相互接觸，構(gòu)成閉合回路；當(dāng)直流接觸器的線圈斷開電流時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)消失，則動(dòng)鐵芯受到的電磁吸力也消失，動(dòng)靜觸頭由于動(dòng)觸板向下運(yùn)動(dòng)而分開，閉合回路斷開。

1.1 電動(dòng)斥力

電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，而載流導(dǎo)體若處在磁場(chǎng)中將會(huì)受到力的作用，載流導(dǎo)體之間的相互作用力就是電動(dòng)力［2］，且電流方向相同時(shí)就會(huì)相吸，方向相反則相斥［3］。電動(dòng)力的大小與電流有關(guān)，在電路發(fā)生短路時(shí)，其短路電流會(huì)很大，產(chǎn)生的電動(dòng)力也會(huì)相當(dāng)大，從而使得閉合的觸頭斥開，觸頭斥開的一瞬間產(chǎn)生電弧，電弧將觸頭熔焊，因此須考慮電動(dòng)力的問題。對(duì)直流接觸器觸頭系統(tǒng)的電動(dòng)力進(jìn)行分析，掌握其特點(diǎn)，充分利用其特性提高性能。

在觸頭間流過大電流時(shí)，在其回路中會(huì)產(chǎn)生很大的電動(dòng)力，該電動(dòng)力會(huì)將觸頭斥開，使觸頭在應(yīng)該閉合的時(shí)候分開，產(chǎn)生誤動(dòng)作，從而破壞觸頭的工作，這種電動(dòng)力被稱為電動(dòng)斥力。若觸頭間的電動(dòng)斥力小于觸頭的終壓力，那么觸頭可以繼續(xù)保持閉合狀態(tài)，從而保證其能正常工作，但是如果觸頭間的電動(dòng)斥力大于觸頭的終壓力，那么觸頭就會(huì)斥開［4］。電動(dòng)斥力主要由兩部分組成，如圖2所示，一種是觸頭回路間產(chǎn)生的電動(dòng)力，即洛倫茲力；另一種是觸頭的接觸點(diǎn)附近因電流線收縮產(chǎn)生的電動(dòng)力，即霍姆力［5-6］。

圖2 動(dòng)觸板所受電動(dòng)力

由圖2可知，電動(dòng)斥力為

式中：FL為觸頭間的洛倫茲力；FH為觸頭間的霍姆力；μ0為真空中的磁導(dǎo)率；I為流過觸頭的電流；r為導(dǎo)電斑點(diǎn)（接觸點(diǎn)）的半徑；R為動(dòng)靜觸頭的等效半徑。

電動(dòng)斥力中的霍姆力是由于動(dòng)靜觸頭間導(dǎo)電斑點(diǎn)處的電流收縮現(xiàn)象而產(chǎn)生的［7］，其大小與觸頭間預(yù)壓力、觸頭材料的布氏硬度等有關(guān)［8］。

1.2 電弧

電弧是氣體放電的一種形式［9］，電弧形成主要有以下因素：強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射、熱電子發(fā)射、碰撞游離、熱游離，但是電弧形成實(shí)際是個(gè)連續(xù)的過程。開關(guān)電器開斷電路時(shí)，其電壓電流在達(dá)到一定值后，動(dòng)觸頭和靜觸頭的分開瞬間會(huì)產(chǎn)生電弧，并且只有當(dāng)電弧完全熄滅后，整個(gè)電路才完全斷開［10］。有的電弧會(huì)長(zhǎng)時(shí)間存在而不熄滅，造成難以預(yù)計(jì)的損失，甚至影響到人身財(cái)產(chǎn)安全［11］。

交流中的電弧有周期過零點(diǎn)，有助于控制電弧電壓和電弧溫度，但是直流中的電弧沒有該特性［12］。針對(duì)提高直流中快速熄滅電弧的問題，“磁吹弧”是目前使用最多的一種方法，該方法利用磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力熄滅電?。?3］，本文利用直流接觸器系統(tǒng)中的永磁體產(chǎn)生電弧力吹滅電弧。

2 有限元模型

有限元分析法是近年來得到廣泛應(yīng)用的一種數(shù)值分析技術(shù)，由計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方法發(fā)展起來，并廣泛運(yùn)用于機(jī)械制造、土木工程、電氣工程、材料科學(xué)、汽車能源等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域和工程實(shí)際問題中［14］。其中的電磁仿真軟件Maxwell得到廣泛應(yīng)用，其可以進(jìn)行電場(chǎng)、磁場(chǎng)、渦流場(chǎng)等仿真計(jì)算。

由于直流接觸器觸頭系統(tǒng)內(nèi)部較為復(fù)雜，在Maxwell中無法建模，需要通過三維建模軟件SolidWorks搭建直流接觸器觸頭系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型，包括靜觸頭、動(dòng)觸板、動(dòng)靜觸頭上的銀點(diǎn)、導(dǎo)電斑點(diǎn)、磁軛，并將其導(dǎo)入電磁仿真軟件Maxwell中，其模型如圖3所示。

圖3 直流接觸器觸頭系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

通過在動(dòng)、靜觸頭的銀點(diǎn)之間建立圓柱導(dǎo)電橋模型模擬導(dǎo)電斑點(diǎn)［15-16］，導(dǎo)電斑點(diǎn)的半徑為

式中：Fk為觸頭之間的預(yù)壓縮力；ξ為觸頭的表面系數(shù)，表示觸頭的表面接觸情況，一般取值范圍為0.3～0.6，本文取0.45；H為觸頭材料的布氏硬度。

通過式（3）求得其導(dǎo)電斑點(diǎn)的半徑［17］，導(dǎo)電橋的模型如圖4所示，其高度一般在0.10～0.25 mm，這里取0.15 mm。

圖4 導(dǎo)電橋模型

動(dòng)靜觸頭和導(dǎo)電斑的材料為銅（Cu），銀點(diǎn)的材料為銀（Ag），磁軛的材料為DT 4，磁化曲線如圖5所示。

圖5 DT4的磁化曲線

對(duì)于仿真計(jì)算電弧力大小的模型，需要通過SolidWorks軟件在直流接觸器觸頭系統(tǒng)的動(dòng)、靜銀點(diǎn)之間畫電弧塊模擬電弧，其模型如圖6所示?；「康暮穸刃∫稽c(diǎn)，中間部分厚度大一點(diǎn)，將其導(dǎo)入到Maxwell中，電弧塊受到的力就是電弧力。

圖6 電弧模型

3 仿真計(jì)算

本文主要在圖7所示的4種永磁體排布方式下進(jìn)行仿真分析，永磁體都是貼著磁軛放置的。方案1是將兩塊矩形永磁體放置在動(dòng)靜觸頭的前后，并且其磁性是N極與N極相對(duì)的；方案2是在方案1的基礎(chǔ)上，將下面一塊永磁體的磁性反過來，即N極和S極相對(duì)；方案3是在方案2的基礎(chǔ)上，將一整塊矩形永磁體分成兩塊正方形的永磁體，即由原來的兩塊永磁體變成4塊永磁體；方案4是在動(dòng)靜觸頭的兩邊分別放置一塊永磁體。

圖7 永磁體排布方式

3.1 電動(dòng)斥力仿真計(jì)算

通過電磁軟件Maxwell仿真計(jì)算4種不同方案下的電動(dòng)斥力，其中永磁體材料為釹鐵硼，其相對(duì)磁導(dǎo)率為1，電導(dǎo)率為625 kS/m，矯頑力為-860 kA/m，在觸頭間通過1～8 kA的電流，其仿真結(jié)果如表1所示。

表1 不同方案的電動(dòng)斥力大小

由于4種方案的差距較小，為了能夠更好地對(duì)比不同方案下電動(dòng)斥力大小的變化情況，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到曲線圖，如圖8所示。

由圖8可知，隨著電流的不斷增大，方案1、方案4的電動(dòng)斥力更小，方案2的電動(dòng)斥力最大，方案3的居于中間，說明方案1、方案4的永磁體排布方式對(duì)減小電動(dòng)斥力的效果更好，使其在通過短路電流時(shí)，能承受更大的短路電流而不斥開。

圖8 不同方案電動(dòng)斥力F大小的折線圖

3.2 電弧力仿真計(jì)算

由于在觸頭系統(tǒng)中放置永磁體的主要目的是為了吹滅電弧，故在考慮其對(duì)電動(dòng)斥力的影響的同時(shí)，還要考慮4種方案對(duì)吹弧效果的影響。通過左手螺旋定則，可以判斷出4種方案下電弧力的方向，如圖9所示。

由圖9可知，永磁體磁場(chǎng)實(shí)際產(chǎn)生的電弧力應(yīng)指向沒有放置永磁體的方向，使得滅弧效果更好。因此，方案1的磁吹電弧效果不如其他3個(gè)方案好。

圖9 永磁體電弧力方向

通過Maxwell軟件仿真計(jì)算在觸頭中通過電流為1 kA情況下4種方案的電弧力大小，其數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同方案的電弧力大小 mN

從電弧力的大小來看，方案2、方案3的吹弧能力明顯要強(qiáng)于方案1、方案4，電弧力越大，其吹滅電弧的速度越快，滅弧效果越好，因此方案2、方案3的滅弧效果更好。

3.3 仿真結(jié)果分析

從電動(dòng)斥力和電弧力兩個(gè)角度綜合考慮，即從表1、表2和圖8綜合對(duì)比可知，方案3的電動(dòng)斥力雖然不如方案1、方案4的電動(dòng)斥力那么小，但卻比方案2的電動(dòng)斥力小，并且方案3的電弧力明顯要大于方案1、方案4的電弧力，且其磁吹弧的方向與永磁體所在的方向不同。綜合考慮下來，方案3的永磁體排布方式更好。

4 結(jié) 論

本文主要研究直流接觸器中永磁體對(duì)直流接觸器的短時(shí)耐受電流和滅弧效果的影響，通過SolidWorks軟件搭建觸頭系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型，并通過電磁仿真軟件Maxwell對(duì)其進(jìn)行電動(dòng)斥力和電弧力的仿真計(jì)算，對(duì)結(jié)果對(duì)比分析可得出，提高短時(shí)耐受電流和滅弧效果的最優(yōu)方案，為以后進(jìn)一步對(duì)直流接觸器的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。