摘 要：

在高壓直流接觸器的磁吹滅弧系統(tǒng)中，當(dāng)電弧燃燒時(shí)常采用永磁體拉長電弧致其熄滅，而熄弧時(shí)間又直接影響到產(chǎn)品的壽命次數(shù)。研究表明永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng)，熄弧時(shí)間越短，但觸點(diǎn)中心磁感應(yīng)強(qiáng)度與永磁體的幾何中心磁感應(yīng)強(qiáng)度有直接關(guān)系。通過仿真優(yōu)化常用磁吹滅弧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，減小單個(gè)永磁體幾何中心磁感應(yīng)強(qiáng)度，提高磁吹滅弧系統(tǒng)空間磁感應(yīng)強(qiáng)度，以提升高壓直流接觸器產(chǎn)品的生產(chǎn)效率及壽命次數(shù)。

關(guān)鍵詞：

高壓直流; 接觸器; 磁吹滅弧; 磁感應(yīng)強(qiáng)度

中圖分類號(hào)： TM572

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）01-0043-04

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.01.008

Optimization Design of Magnetic Blowing System for High Voltage DC Contactors

CAI Ming， MA Wei， WANG Jianxiong

（Guizhou Zhenhua Qunying Electrical Appliance Co.，Ltd.， Guiyang 550018， China）

Abstract：

In the magnetic arc extinguishing system of high voltage DC contactors，a permanent magnet is often used to elongate the arc to extinguish it when the arc burns，and the arc extinguishing time directly affects the number of times the product has a lifespan.Research has shown that the stronger the magnetic induction intensity of a permanent magnet，the shorter the arc extinguishing time，but the magnetic induction intensity at the contact center is directly related to the geometric center magnetic induction intensity of the permanent magnet.By optimizing the structure of commonly used magnetic blowing arc extinguishing systems through simulation，the magnetic induction intensity at the geometric center of a single permanent magnet is reduced，and the spatial magnetic induction intensity of the magnetic blowing arc extinguishing system is improved to enhance the production efficiency and service life of high voltage DC contactor products.

Key words：

high voltage DC; contactor; magnetic arc extinguishing system; magnetic induction intensity

0 引 言

隨著新能源汽車的大力發(fā)展，根據(jù)《中國新能源汽車高壓直流接觸器行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)調(diào)研與未來投資分析報(bào)告（2023—2030）》顯示，我國新能源汽車銷量已經(jīng)從2018年首次突破100萬輛到2022年突破600萬輛，達(dá)到688.7萬輛，短短5年，新能源汽車的銷量翻了6倍。而每臺(tái)新能源汽車平均需配置4～6只高壓直流接觸器，同時(shí)配套的充電樁需配2～4只高壓直流接觸器。新能源汽車行業(yè)發(fā)展迅猛，對(duì)應(yīng)高壓直流接觸器需求量巨大。

高壓直流接觸器可分?jǐn)喔唠妷?、大電流?fù)載，但在分?jǐn)噙^程中會(huì)產(chǎn)生電弧。而直流電弧沒有自然過零點(diǎn)，要保證觸點(diǎn)可靠分?jǐn)啵托枰捎弥鲃?dòng)滅弧措施，磁吹滅弧就是高壓直流接觸器有效滅弧措施之一。文獻(xiàn)［1-3］通過不同磁吹滅弧的磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)燃弧時(shí)間進(jìn)行了研究，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，平均燃弧時(shí)間變短，有助于觸點(diǎn)開斷，提高壽命次數(shù)，但永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大后，其磁力變大，相互之間難分離，分離后相互之間靠近時(shí)，容易因?yàn)橄嗷ブg的磁力發(fā)生碰撞損害永磁體或造成人員傷害。本文通過對(duì)高壓直流接觸器的磁吹滅弧系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以通過較小單個(gè)永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度提高高壓直流接觸器磁吹滅弧的空間磁感應(yīng)強(qiáng)度，以便于產(chǎn)品的生產(chǎn)，提高壽命次數(shù)。

1 永磁體仿真與驗(yàn)證

本文選用的永磁體采用釹鐵硼稀土材料。永磁體參數(shù)如表1所示。

建立永磁體三維模型，其長度為28 mm，厚度為5.5 mm，高度分別取15.5 mm，19.5 mm和22.5 mm，通過Maxwell三維有限元仿真進(jìn)行仿真分析。永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度仿真圖如圖1所示。取其幾何中心磁感應(yīng)強(qiáng)度與實(shí)物測量值進(jìn)行對(duì)比，實(shí)測值取10個(gè)樣品的平均值。永磁體幾何中心磁感應(yīng)強(qiáng)度與實(shí)物實(shí)測對(duì)比表如表2所示。

根據(jù)永磁體幾何中心仿真值與實(shí)測值對(duì)比，其相對(duì)誤差在4%以內(nèi)，驗(yàn)證了仿真模型的可行性。

2 磁吹滅弧系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 觸點(diǎn)無極性磁吹滅弧系統(tǒng)

高壓直流接觸器常用觸點(diǎn)無極性磁吹滅弧系統(tǒng)。高壓直流接觸器常用磁吹滅弧及仿真如圖2所示。永磁體牌號(hào)采用N45SH，建立三維模型，設(shè)置表1永磁體參數(shù)，進(jìn)行仿真。

根據(jù)圖2（a），永磁體放在觸點(diǎn)兩側(cè)，NS極相同，在觸點(diǎn)間形成磁回路，從N到S。當(dāng)觸點(diǎn)開斷負(fù)載時(shí)，在動(dòng)靜觸點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生垂直于視圖面的電弧，根據(jù)左手定則，電弧所受的電弧力與電弧和磁感線垂直，始終在視圖的上下方向，如圖2（b）虛線箭頭，實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)無極性。對(duì)圖2結(jié)構(gòu)的磁吹滅弧結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，高壓直流接觸器常用磁吹滅弧結(jié)構(gòu)磁場空間分布如圖3所示。

由于永磁體的外部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布是不均勻的［4］。根據(jù)圖3分布，永磁體的磁場呈類圓形衰減，在靠近觸點(diǎn)中心區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)稍微加強(qiáng)，

在電弧的受力方向上，即圖3a虛線箭頭方向，距離觸點(diǎn)中心越遠(yuǎn)，磁感應(yīng)強(qiáng)度衰減越快，這樣就會(huì)造成電弧在受力移動(dòng)到觸點(diǎn)邊緣后，電弧所受的力減小，電弧無法繼續(xù)拉長熄滅或拉長時(shí)間過長導(dǎo)致熄弧時(shí)間加長，增加觸點(diǎn)的燒蝕。要使得電弧受力方向上距離觸點(diǎn)中心較遠(yuǎn)處仍有足夠的力使電弧被拉長熄滅，則需要更大的觸點(diǎn)中心磁感應(yīng)強(qiáng)度。而如按現(xiàn)有結(jié)構(gòu)增大觸點(diǎn)中心磁感應(yīng)強(qiáng)度，就需要將單個(gè)永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度加大，其磁感應(yīng)強(qiáng)度加大后相互之間的力更大，更難以分離。故磁吹滅弧系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)考慮在電弧受力方向上減小磁感應(yīng)強(qiáng)度的衰減。

2.2 觸點(diǎn)無極性磁吹滅弧系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

高壓直流接觸器優(yōu)化磁吹滅弧系統(tǒng)及仿真如圖4所示。將永磁體分別設(shè)計(jì)在觸點(diǎn)兩側(cè)及前后兩側(cè)如圖4（a），其磁感線走向如圖4（b）。

通過圖4（a）的充磁設(shè)計(jì)，磁感線從觸點(diǎn)兩側(cè)到觸點(diǎn)前后兩側(cè)經(jīng)過觸點(diǎn)形成磁回路，從N到S。當(dāng)觸點(diǎn)開斷負(fù)載時(shí)，在動(dòng)靜觸點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生垂直于視圖面的電弧，根據(jù)左手定則，電弧所受的力與電弧和磁感線垂直，始終在視圖的上下方向，如圖4（b）虛線箭頭，也可實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)無極性。通過Maxwell對(duì)圖4結(jié)構(gòu)的磁吹滅弧結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算。高壓直流接觸器優(yōu)化磁吹滅弧結(jié)構(gòu)磁場空間分布如圖5所示。

根據(jù)圖5分布，永磁體的外沿磁場呈類圓形衰減，在觸點(diǎn)區(qū)域，電弧力的受力方向上，即圖5（a）的細(xì)虛線箭頭方向，觸點(diǎn)中心至觸點(diǎn)邊緣的磁感應(yīng)強(qiáng)度一致，在距離觸點(diǎn)邊緣一定距離后甚至增強(qiáng)。這樣電弧在受力移動(dòng)到觸點(diǎn)邊緣后，仍有足夠的電弧力使得電弧被繼續(xù)拉長，至電弧熄滅。

對(duì)比優(yōu)化前和優(yōu)化后，即圖2和圖4的結(jié)構(gòu)，永磁體中心磁感應(yīng)強(qiáng)度都為240 mT的情況下，優(yōu)化前的磁吹滅弧結(jié)構(gòu)觸點(diǎn)中心磁感應(yīng)強(qiáng)度為43 mT，優(yōu)化后的磁吹滅弧結(jié)構(gòu)觸點(diǎn)中心磁感應(yīng)強(qiáng)度為60 mT。優(yōu)化后的磁吹滅弧結(jié)構(gòu)能在不改變永磁體中心磁感應(yīng)強(qiáng)度的前提下增加觸點(diǎn)中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度，有助于滅弧。

3 磁吹滅弧系統(tǒng)優(yōu)化對(duì)比驗(yàn)證

制作3個(gè)實(shí)物進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。方案1采用優(yōu)化過后的觸點(diǎn)無極性的磁吹滅弧方案，將4塊永磁體放置在觸點(diǎn)前后及兩側(cè)，形成如圖4的方案。方案2采用優(yōu)化前的方案，將2塊永磁體放置在觸點(diǎn)兩側(cè)，形成如圖2的方案。由前論述，優(yōu)化前在電弧移動(dòng)到觸點(diǎn)邊緣時(shí)，由于磁感應(yīng)強(qiáng)度降低，電弧所有的力變小，增加一個(gè)優(yōu)化前方案，將觸點(diǎn)中心磁感應(yīng)強(qiáng)度提高到60 mT，進(jìn)行對(duì)比。3個(gè)方案中心磁場參數(shù)對(duì)比如表3所示。

由于磁場分布不同，將3個(gè)方案采用額定負(fù)載試驗(yàn)條件進(jìn)行壽命驗(yàn)證，通過驗(yàn)證，方案1可完成滿足1萬次額定負(fù)載壽命，而方案2可完成約5 000 次額定負(fù)載壽命，方案3可完成約7 000次額定負(fù)載壽命。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，優(yōu)化后的磁吹滅弧結(jié)構(gòu)不但降低了單個(gè)永磁體中心磁感應(yīng)強(qiáng)度，使得裝配更加便捷，同時(shí)也提高了產(chǎn)品的壽命指標(biāo)。

4 結(jié) 語

本文在原高壓直流接觸器觸點(diǎn)無極性磁吹系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于高壓直流接觸器觸點(diǎn)無極性磁吹系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，通過設(shè)計(jì)不同的永磁體位置及充磁方向，提高觸點(diǎn)磁吹滅弧系統(tǒng)的空間磁感應(yīng)強(qiáng)度，降低單個(gè)永磁體的中心磁感應(yīng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)磁吹滅弧系統(tǒng)觸點(diǎn)中心到觸點(diǎn)邊緣電弧受力方向磁感應(yīng)強(qiáng)度不衰減，達(dá)到電弧移動(dòng)到觸點(diǎn)邊緣后仍可被拉長至電弧熄滅，提升壽命次數(shù)的效果。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該結(jié)構(gòu)形式的磁吹滅弧系統(tǒng)可使得永磁體中心磁感應(yīng)強(qiáng)度降低約40 mT，減小單個(gè)永磁體尺寸，同時(shí)將額定負(fù)載壽命次數(shù)提升30%。

【參 考 文 獻(xiàn)】

［1］ 廖園， 焦琳， 鄒竟成， 等.橫向磁場與分?jǐn)嗨俣葘?duì)觸頭分?jǐn)嗳蓟√匦院颓治g的試驗(yàn)研究［J］.電器與能效管理技術(shù)，2018（12）：7-14.

［2］ 陸旭鋒.磁場氫氣滅弧介質(zhì)下直流電弧特性研究［J］.電工技術(shù)，2022（2）：66-69.

［3］ 李思泓.高壓直流接觸器電弧分?jǐn)嚓P(guān)鍵技術(shù)研究［J］.電器與能效管理技術(shù)，2022（6）：15-19.

［4］ 何永周.永磁體外部磁場的不均勻性研究［J］.物理學(xué)報(bào)，2013，62（8）：145-151.

收稿日期： 20231025