新能源電動汽車用高壓接觸器的磁吹滅弧技術(shù)與結(jié)構(gòu)

萬 建，應欣曉，李 萍，莊道建

（1.浙江環(huán)方汽車電器有限公司，浙江 臺州 317607；2.浙江省環(huán)方電氣控制技術(shù)研究院，浙江 臺州 317607）

高壓接觸器廣泛使用于新能源電動汽車、無人機、充電樁，以及蓄電池供電、變頻器電容預充電、直流功率控制、電路保護及其他電動車輛（電動叉車）的電源開關(guān)控制，同時廣泛用于不間斷電源等電控系統(tǒng)［1-2］。高壓接觸器在高能量使用環(huán)境下，電弧冷卻和熄滅得快，觸頭燒蝕就變慢［3］。常規(guī)的直流接觸器等開關(guān)由于直流不過零的原因產(chǎn)生電弧難以熄滅，一般使用在DC100V以下的電壓系統(tǒng)中。我們公司采用了“氫氣+惰性氣體+磁吹”的新型滅弧技術(shù)解決DC100V以上高壓直流接觸器電弧熄滅問題。

傳統(tǒng)接觸器的觸頭區(qū)域為空氣，空氣極易被電離生弧，高壓接觸器將觸頭密封在一密封的腔體內(nèi)并充入氫氣為主+惰性氣體的混合氣體，為接觸的觸點提供了穩(wěn)定的接通和分斷環(huán)境，這種環(huán)境消除了氧化作用，不容易被電離，電弧冷卻速度快，也不容易燃燒產(chǎn)生污染物影響滅?。?］。另外，在接觸的觸點兩側(cè)增加耐高溫磁鐵，產(chǎn)生相應的磁場，使電弧在洛倫茲力的作用下，迅速被拉長，極大縮短了電弧熄滅的時間，本文將討論各種狀態(tài)下磁吹結(jié)構(gòu)和效果［5-7］。

1 負載有極性磁吹滅弧結(jié)構(gòu)

1.1 雙面磁吹滅弧結(jié)構(gòu)（有極性）

1）結(jié)構(gòu)分析：如圖1a所示，在該結(jié)構(gòu)中，在動靜觸點的前后，平行放置有兩塊N極朝向相同并且磁性強弱相當?shù)姆叫未盆F，從而形成如圖2所示的磁場，使得電弧在洛倫茲力的作用下被迅速拉長而熄滅。

圖1 雙面磁吹滅弧結(jié)構(gòu)分布圖

2）磁場分布分析：如圖2所示，磁感線水平穿過動靜觸點間的間隙，從后方的方形磁鐵的N極出發(fā)，回到前面的方形磁鐵的S極，動靜觸點的接觸點的電流一個豎直向上一個豎直向下，根據(jù)左手定則，從圖1a可以得出，電弧受力分別朝向左右兩邊相反的方向，繼而電弧被迅速拉長而熄滅。當電流反向接入時，如圖1b所示，此時電弧反向受力，并向兩個電極之間聚集，有可能會造成二次燃弧，從而縮短接觸器的電氣壽命，因此這種結(jié)構(gòu)存在極性。

3）在磁吹滅弧結(jié)構(gòu)中，磁鐵產(chǎn)生的磁場大小直接影響滅弧效果，在相同結(jié)構(gòu)下，磁場越強，滅弧效果越好。在物理學上，磁場強弱用磁感應強度來表示。特斯拉計可以通過霍爾元件檢測磁性材料或物體產(chǎn)生的磁感應強度，因此我們使用特斯拉計測量了該結(jié)構(gòu)下單塊磁鐵（磁鐵材質(zhì)為N35H）產(chǎn)生磁感應強度大小，單片中心表磁測試值為326～350mT。

4）結(jié)構(gòu)優(yōu)勢與劣勢：優(yōu)點：磁鐵產(chǎn)生的磁感應強度足夠，并且結(jié)構(gòu)合理，可以快速拉長電弧，極大地縮短電弧熄滅的時間，減少對觸點表面的燒灼，提高接觸器的使用壽命。劣勢：①存在極性，如果用戶在使用過程中將負載反向接入了，不僅大大降低了滅弧效果，并且通過阻性負載電氣壽命測試發(fā)現(xiàn)接觸器壽命會降低到負載正向接入時電氣壽命的60%；②磁鐵需要設計防呆，因為如果磁鐵安裝反向，同樣會造成電弧聚集，滅弧效果差，導致接觸器電氣壽命降低。

圖2 磁場分布圖（俯視圖）

1.2 單面磁吹滅弧結(jié)構(gòu)（有極性）

1）該結(jié)構(gòu)的特點是在動靜觸點的前面只放置一塊方形磁鐵，但是同樣可以達到滅弧的效果，如圖3a所示。

2）磁場分布分析。如圖4所示，只有一塊方形磁鐵放置其中，在電弧產(chǎn)生處的磁場方向基本可以看作水平向前，電流方向如圖3a接入，電弧產(chǎn)生時的電流方向在豎直方向上，根據(jù)左手定則，兩端的電弧分別會受到左右兩邊相反方向的電磁力，因此電弧會被拉長，進而快速熄滅。該結(jié)構(gòu)存在極性：如果電流反向接入如圖3b所示，那么電弧受到的電磁力就會反向，此時電弧會向兩個電極之間聚集，有可能會造成二次燃弧，滅弧效果降低，從而縮短接觸器的電氣壽命。

圖3 單面磁吹滅弧結(jié)構(gòu)分布圖

3）我們使用特斯拉計測量了該結(jié)構(gòu)中的單塊磁鐵（磁鐵材料為N35H）產(chǎn)生的磁感應強度大小，單片中心表磁測試值為320～350mT。

4）結(jié)構(gòu)優(yōu)勢與劣勢。與雙面磁吹滅弧結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)簡單，更加節(jié)省材料和成本。劣勢：①滅弧效果相對差一些；②由于存在極性，用戶在使用過程中存在不便利；③需要設計磁鐵防呆。

圖4 磁場分布圖（俯視圖）

2 負載無極性磁吹滅弧結(jié)構(gòu)

2.1 中間磁吹滅弧結(jié)構(gòu)（無極性）

1）該結(jié)構(gòu)的特點是在觸點左右兩側(cè)放置兩塊方形磁鐵，在觸點下方放一塊環(huán)形磁鐵，通過這3塊磁鐵的磁場相互作用，使得電弧在電磁力的作用下被快速向前或者向后吹出而冷卻下來，達到快速滅弧的效果。研發(fā)設計時對3塊磁鐵的磁極位置和方向有一定的要求，以圖5a為例，假如下方的環(huán)形磁鐵N極朝上，那么兩側(cè)的方形磁鐵相對的兩個面必須是S極，目的是使得從環(huán)形磁鐵N極出發(fā)的磁感線能回到方形磁鐵的S極，從而擴大下方的環(huán)形磁鐵的影響范圍，反之，N極朝下也是同樣的效果。

2）磁場分布分析：如圖6所示，在電弧產(chǎn)生處磁場方向可以看作沿水平方向指向兩側(cè)，電流方向沿著豎直方向，根據(jù)左手定則，如圖5a所示，電弧受力水平向后，因而電弧在電磁力作用下然后打到滅弧罩的壁上并且快速熄滅。當電流反向接入，由圖5b可以看出，電弧所受的電磁力只是由向后變成了向前，滅弧效果并未受到影響，因此這種結(jié)構(gòu)沒有極性。如圖5c所示，同時改變3塊磁鐵的極性朝向，磁場方向反向，電流方向不變，根據(jù)左手定則，電弧受力由向后變成向前，滅弧效果不受影響。

圖5 中間磁吹滅弧結(jié)構(gòu)分布圖

3）我們使用特斯拉計分別測量了該結(jié)構(gòu)中的3塊磁鐵產(chǎn)生的磁感應強度大小，左右兩塊方形磁鐵（磁鐵材質(zhì)為鋁鎳鈷LN10）的磁感應強度基本相同，單片中心表磁測試值為25～40mT，下方環(huán)形磁鐵（磁鐵材質(zhì)為釤鈷BTS18/19）單片中心表磁測試值為250～265mT。

4）結(jié)構(gòu)優(yōu)勢與劣勢。優(yōu)勢：①無極性的結(jié)構(gòu)設計對于使用者有著極大的便利之處；②下方環(huán)形磁鐵的磁場強度足夠強，滅弧速度快，從而延長接觸器使用壽命。它的劣勢也很明顯：①結(jié)構(gòu)相對復雜；②對于3塊磁鐵的相對位置有一定要求，生產(chǎn)時存在不便；③使用了3塊磁鐵，材料成本相對其他結(jié)構(gòu)會更高一些；④質(zhì)量上相對其他結(jié)構(gòu)會更重。

圖6 磁場分布圖（前視圖）

2.2 電極下面磁吹滅弧結(jié)構(gòu)（無極性）

1）該結(jié)構(gòu)的特點是在動觸點下方的兩側(cè)放置兩塊磁性強弱相當且大小相同的磁鐵，并且兩塊磁鐵N極一個朝上一個朝下，它的目的是在動靜觸點接觸的位置即電弧產(chǎn)生的位置，制造水平方向的磁場方向，使得電弧在電磁力的作用下向前或者向后吹出，從而起到快速熄滅電弧的作用。如圖7所示。

圖7 電極下面磁吹滅弧結(jié)構(gòu)分布圖

2）磁場分布：如圖8所示，磁感線水平穿過動靜觸點間隙。以圖7a為例，電流方向在豎直方向上，根據(jù)左手定則，電弧受到水平向前或向后的電磁力，然后打到滅弧罩上，從而被快速熄滅。當接入的電流方向改變時，電弧所受的洛倫茲力的方向僅僅是由水平向前變?yōu)樗较蚝?，沒有影響到滅弧的效果，因此稱這種結(jié)構(gòu)沒有極性。

3）我們使用特斯拉計測量了該結(jié)構(gòu)中的單塊磁鐵（磁鐵材質(zhì)為N45SH）產(chǎn)生的磁感應強度大小，單片中心表磁測試值為402～435mT。

4）結(jié)構(gòu)優(yōu)勢與劣勢。優(yōu)勢：①這種無極性的結(jié)構(gòu)能夠給使用者帶來便利；②單塊磁鐵產(chǎn)生的磁場相對較強，滅弧效果較好。劣勢：①這種結(jié)構(gòu)對于滅弧罩內(nèi)部空間大小有所要求，必須足夠大，才能保證電弧不會在滅弧罩內(nèi)來回跑；②磁鐵需要設計防呆。

圖8 磁場分布圖（前視圖）

2.3 兩側(cè)磁吹滅弧結(jié)構(gòu)（無極性）

1）結(jié)構(gòu)分析：在觸點的兩側(cè)放置兩塊磁極朝向相同的方形磁鐵，即使更改兩塊磁鐵極性的朝向，只要保證兩塊磁鐵的N極或者S極朝向相同，就可以使得電弧被快速向前或者向后吹出，達到快速滅弧的效果。如圖9所示。

圖9 兩側(cè)磁吹滅弧結(jié)構(gòu)分布圖

2）磁場分布：如圖10所示，磁感線水平穿過動靜觸點間隙。以圖9a為例，電流方向沿豎直方向，根據(jù)左手定則，電弧受到向前或向后的電磁力，電弧被迅速拉長，從而快速熄滅。若更改電流接入的方向，則觸點兩端的電弧所受電磁力分別反向，電弧依舊能被迅速拉長，并未影響滅弧效果，因此該結(jié)構(gòu)無極性。

3）我們使用特斯拉計測量了該結(jié)構(gòu)中單塊磁鐵（磁鐵材質(zhì)為N45SH）產(chǎn)生的磁感應強度大小，單片中心表磁測試值為320～340mT。

4）結(jié)構(gòu)優(yōu)劣勢。優(yōu)點：①這種無極性的結(jié)構(gòu)設計可以給生產(chǎn)安裝帶來便利；②電弧被向前后兩邊空間較大的位置吹出，可以很好確保滅弧效果。劣勢：①磁鐵需要設計防呆；②磁鐵被放置在左右兩側(cè)，磁鐵的作用距離較遠，會削弱磁鐵的磁效應，使滅弧效果降低。

圖10 磁場分布圖（前視圖）

2.4 L型磁吹滅弧結(jié)構(gòu)（無極性）

1）結(jié)構(gòu)分析：該結(jié)構(gòu)的特點是使用4塊相同的方形磁鐵置于觸點四周，4塊磁鐵的極性朝向如圖11a所示，使電弧被向外吹出，從而被快速拉長而熄滅。

2）磁場分布分析：磁場分布如圖12所示，在圖11a左側(cè)部分，根據(jù)圖12的磁場分布圖可知，在電弧產(chǎn)生部位的磁場方向大致將其看做水平傾斜一定角度向左（磁場方向即磁感線切線方向），電流方向沿豎直方向，將磁場方向分解成水平向前和水平向左，根據(jù)左手定則，電弧同時受到水平向左和水平向后的電磁力，被快速向外吹出，迅速熄滅。在圖11a的右側(cè)部分，磁場方向大致看做水平傾斜一定角度向右，將磁場方向分解成水平向后和水平向左，那么電弧同時受到水平向左和水平向后的電磁力。當更改接入的電流方向時，電弧受力反向，如圖11b所示，并未影響滅弧效果，因此這種結(jié)構(gòu)無極性。

圖11 L型磁吹滅弧結(jié)構(gòu)分布圖

3）我們使用特斯拉計測量了該結(jié)構(gòu)下單塊磁鐵（材質(zhì)為N45SH）產(chǎn)生的磁感應強度大小，單片中心表磁測試值為260～280mT。

4）結(jié)構(gòu)優(yōu)劣勢。優(yōu)勢：①無極性的設計，有很大的便利之處。②這種結(jié)構(gòu)下磁場更加集中，產(chǎn)生磁效應更大，滅弧效果更好，通過電氣壽命試驗后發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)下接觸器的電氣壽命（相比較其他的結(jié)構(gòu)下的電氣壽命）高出10%。劣勢：①使用4塊磁鐵增加了產(chǎn)品的質(zhì)量，成本有所提高；②磁鐵需要設計防呆。

圖12 磁場分布圖（俯視圖）

2.5 單磁鐵中間磁吹滅弧結(jié)構(gòu)（無極性）

1）結(jié)構(gòu)分析：在該結(jié)構(gòu)中，兩靜觸點中間的位置放有一塊磁鐵，磁鐵兩極朝向為水平左右朝向，例如圖13a中是N極朝左，S極朝右，動觸點采用了U形的形狀設計，是為了確保磁鐵能有足夠的位置可以放置，在這種結(jié)構(gòu)中磁鐵的磁場方向與電流方向成垂直或近似垂直的角度，可以在很大程度上確保滅弧效果。

圖13 單磁鐵中間磁吹滅弧結(jié)構(gòu)分布圖

2）磁場分布分析：如圖14a所示，磁感線水平穿過動靜觸頭之間的間隙，電弧的電流方向在豎直方向上，與磁場方向垂直，根據(jù)左手定則，電弧會受到水平向后或者向前的力，從而被快速吹出，達到快速滅弧的效果。當磁鐵反方向安裝時，磁場方向也反向，但是依然是水平穿過動靜觸頭間的間隙，所以磁場方向與電弧電流方向依然是垂直的，沒有影響滅弧效果，因此這種結(jié)構(gòu)無極性。

3）我們使用特斯拉計測量了該結(jié)構(gòu)下單塊磁鐵產(chǎn)生的磁感應強度大小，單片中心表磁測試值為530～560mT。

圖14 磁場分布圖

4）結(jié)構(gòu)優(yōu)劣勢。優(yōu)勢：①不用考慮磁鐵安裝的極性方向，可以提高生產(chǎn)效率；②只需要使用一塊普通的磁鐵就可以實現(xiàn)滅弧的效果，大大降低了生產(chǎn)成本；③不僅結(jié)構(gòu)簡單，使用的磁鐵產(chǎn)生的磁感應強度也夠大，可以很好確保滅弧的效果。劣勢：由于磁鐵的特殊位置，動觸片需要加工成特殊的形狀來保證磁鐵有足夠的安裝位置，因此存在加工難度，也會增加成本。

3 結(jié)論

通過阻性負載切換電氣壽命測試發(fā)現(xiàn)，使用有極性的磁吹滅弧結(jié)構(gòu)的接觸器反向接入電流時，電弧會向兩個電極之間聚集，滅弧效果會大大降低，反向電流阻性負載切換壽命只能達到正向電流阻性負載切換壽命的60%～70%；而設計成無極性的磁吹滅弧結(jié)構(gòu)的接觸器反向電流阻性負載切換壽命，滅弧效果幾乎不受影響，電氣壽命與正向電流的次數(shù)幾乎相當。從用戶使用便利度上考慮，無極性的磁吹滅弧結(jié)構(gòu)更優(yōu)；從滅弧效果角度考慮，L型磁吹滅弧結(jié)構(gòu)（無極性）相對較好，通過試驗表明，L型磁吹滅弧結(jié)構(gòu)（無極性）下的接觸器電氣壽命更高；從結(jié)構(gòu)簡單程度和生產(chǎn)成本上看，單面磁吹滅弧結(jié)構(gòu)（有極性）和單磁鐵中間磁吹滅弧結(jié)構(gòu)（無極性）相對最為簡單且成本最低，但是其中單磁鐵中間磁吹滅弧結(jié)構(gòu)（無極性）滅弧效果更好，且用戶使用更加便利；從生產(chǎn)效率上考慮，單磁鐵中間磁吹滅弧結(jié)構(gòu)（無極性）生產(chǎn)效率最高，不僅結(jié)構(gòu)簡單，且無需設計防呆。