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

萬(wàn) 建，應(yīng)欣曉，李 萍，莊道建

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

高壓接觸器廣泛使用于新能源電動(dòng)汽車(chē)、無(wú)人機(jī)、充電樁，以及蓄電池供電、變頻器電容預(yù)充電、直流功率控制、電路保護(hù)及其他電動(dòng)車(chē)輛（電動(dòng)叉車(chē)）的電源開(kāi)關(guān)控制，同時(shí)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(kāi)關(guān)由于直流不過(guò)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(wèn)題。

傳統(tǒng)接觸器的觸頭區(qū)域?yàn)榭諝?，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(diǎn)提供了穩(wěn)定的接通和分?jǐn)喹h(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(diǎn)兩側(cè)增加耐高溫磁鐵，產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng)，使電弧在洛倫茲力的作用下，迅速被拉長(zhǎng)，極大縮短了電弧熄滅的時(shí)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(fù)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(dòng)靜觸點(diǎn)的前后，平行放置有兩塊N極朝向相同并且磁性強(qiáng)弱相當(dāng)?shù)姆叫未盆F，從而形成如圖2所示的磁場(chǎng)，使得電弧在洛倫茲力的作用下被迅速拉長(zhǎng)而熄滅。

圖1 雙面磁吹滅弧結(jié)構(gòu)分布圖

2）磁場(chǎng)分布分析：如圖2所示，磁感線水平穿過(guò)動(dòng)靜觸點(diǎn)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(dòng)靜觸點(diǎn)的接觸點(diǎn)的電流一個(gè)豎直向上一個(gè)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(zhǎng)而熄滅。當(dāng)電流反向接入時(shí)，如圖1b所示，此時(shí)電弧反向受力，并向兩個(gè)電極之間聚集，有可能會(huì)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(chǎng)大小直接影響滅弧效果，在相同結(jié)構(gòu)下，磁場(chǎng)越強(qiáng)，滅弧效果越好。在物理學(xué)上，磁場(chǎng)強(qiáng)弱用磁感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)表示。特斯拉計(jì)可以通過(guò)霍爾元件檢測(cè)磁性材料或物體產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，因此我們使用特斯拉計(jì)測(cè)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(yīng)強(qiáng)度大小，單片中心表磁測(cè)試值為326～350mT。

4）結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)：優(yōu)點(diǎn)：磁鐵產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度足夠，并且結(jié)構(gòu)合理，可以快速拉長(zhǎng)電弧，極大地縮短電弧熄滅的時(shí)間，減少對(duì)觸點(diǎn)表面的燒灼，提高接觸器的使用壽命。劣勢(shì)：①存在極性，如果用戶在使用過(guò)程中將負(fù)載反向接入了，不僅大大降低了滅弧效果，并且通過(guò)阻性負(fù)載電氣壽命測(cè)試發(fā)現(xiàn)接觸器壽命會(huì)降低到負(fù)載正向接入時(shí)電氣壽命的60%；②磁鐵需要設(shè)計(jì)防呆，因?yàn)槿绻盆F安裝反向，同樣會(huì)造成電弧聚集，滅弧效果差，導(dǎo)致接觸器電氣壽命降低。

圖2 磁場(chǎng)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(diǎn)是在動(dòng)靜觸點(diǎn)的前面只放置一塊方形磁鐵，但是同樣可以達(dá)到滅弧的效果，如圖3a所示。

2）磁場(chǎng)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(chǎng)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(shí)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(huì)受到左右兩邊相反方向的電磁力，因此電弧會(huì)被拉長(zhǎng)，進(jìn)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(huì)反向，此時(shí)電弧會(huì)向兩個(gè)電極之間聚集，有可能會(huì)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(jì)測(cè)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(yīng)強(qiáng)度大小，單片中心表磁測(cè)試值為320～350mT。

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

圖4 磁場(chǎng)分布圖（俯視圖）

2 負(fù)載無(wú)極性磁吹滅弧結(jié)構(gòu)

2.1 中間磁吹滅弧結(jié)構(gòu)（無(wú)極性）

1）該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在觸點(diǎn)左右兩側(cè)放置兩塊方形磁鐵，在觸點(diǎn)下方放一塊環(huán)形磁鐵，通過(guò)這3塊磁鐵的磁場(chǎng)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(lái)，達(dá)到快速滅弧的效果。研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)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(duì)的兩個(gè)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(kuò)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(chǎng)分布分析：如圖6所示，在電弧產(chǎn)生處磁場(chǎng)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(dāng)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(méi)有極性。如圖5c所示，同時(shí)改變3塊磁鐵的極性朝向，磁場(chǎng)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(jì)分別測(cè)量了該結(jié)構(gòu)中的3塊磁鐵產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度基本相同，單片中心表磁測(cè)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(cè)試值為250～265mT。

4）結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)。優(yōu)勢(shì)：①無(wú)極性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于使用者有著極大的便利之處；②下方環(huán)形磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠強(qiáng)，滅弧速度快，從而延長(zhǎng)接觸器使用壽命。它的劣勢(shì)也很明顯：①結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜；②對(duì)于3塊磁鐵的相對(duì)位置有一定要求，生產(chǎn)時(shí)存在不便；③使用了3塊磁鐵，材料成本相對(duì)其他結(jié)構(gòu)會(huì)更高一些；④質(zhì)量上相對(duì)其他結(jié)構(gòu)會(huì)更重。

圖6 磁場(chǎng)分布圖（前視圖）

2.2 電極下面磁吹滅弧結(jié)構(gòu)（無(wú)極性）

1）該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在動(dòng)觸點(diǎn)下方的兩側(cè)放置兩塊磁性強(qiáng)弱相當(dāng)且大小相同的磁鐵，并且兩塊磁鐵N極一個(gè)朝上一個(gè)朝下，它的目的是在動(dòng)靜觸點(diǎn)接觸的位置即電弧產(chǎn)生的位置，制造水平方向的磁場(chǎng)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(chǎng)分布：如圖8所示，磁感線水平穿過(guò)動(dòng)靜觸點(diǎn)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(dāng)接入的電流方向改變時(shí)，電弧所受的洛倫茲力的方向僅僅是由水平向前變?yōu)樗较蚝螅瑳](méi)有影響到滅弧的效果，因此稱(chēng)這種結(jié)構(gòu)沒(méi)有極性。

3）我們使用特斯拉計(jì)測(cè)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(yīng)強(qiáng)度大小，單片中心表磁測(cè)試值為402～435mT。

4）結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)。優(yōu)勢(shì)：①這種無(wú)極性的結(jié)構(gòu)能夠給使用者帶來(lái)便利；②單塊磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)相對(duì)較強(qiáng)，滅弧效果較好。劣勢(shì)：①這種結(jié)構(gòu)對(duì)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(huì)在滅弧罩內(nèi)來(lái)回跑；②磁鐵需要設(shè)計(jì)防呆。

圖8 磁場(chǎng)分布圖（前視圖）

2.3 兩側(cè)磁吹滅弧結(jié)構(gòu)（無(wú)極性）

1）結(jié)構(gòu)分析：在觸點(diǎn)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(dá)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(chǎng)分布：如圖10所示，磁感線水平穿過(guò)動(dòng)靜觸點(diǎn)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(zhǎng)，從而快速熄滅。若更改電流接入的方向，則觸點(diǎn)兩端的電弧所受電磁力分別反向，電弧依舊能被迅速拉長(zhǎng)，并未影響滅弧效果，因此該結(jié)構(gòu)無(wú)極性。

3）我們使用特斯拉計(jì)測(cè)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(yīng)強(qiáng)度大小，單片中心表磁測(cè)試值為320～340mT。

4）結(jié)構(gòu)優(yōu)劣勢(shì)。優(yōu)點(diǎn)：①這種無(wú)極性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以給生產(chǎn)安裝帶來(lái)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(shì)：①磁鐵需要設(shè)計(jì)防呆；②磁鐵被放置在左右兩側(cè)，磁鐵的作用距離較遠(yuǎn)，會(huì)削弱磁鐵的磁效應(yīng)，使滅弧效果降低。

圖10 磁場(chǎng)分布圖（前視圖）

2.4 L型磁吹滅弧結(jié)構(gòu)（無(wú)極性）

1）結(jié)構(gòu)分析：該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是使用4塊相同的方形磁鐵置于觸點(diǎn)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(zhǎng)而熄滅。

2）磁場(chǎng)分布分析：磁場(chǎng)分布如圖12所示，在圖11a左側(cè)部分，根據(jù)圖12的磁場(chǎng)分布圖可知，在電弧產(chǎn)生部位的磁場(chǎng)方向大致將其看做水平傾斜一定角度向左（磁場(chǎng)方向即磁感線切線方向），電流方向沿豎直方向，將磁場(chǎng)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(shí)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(chǎng)方向大致看做水平傾斜一定角度向右，將磁場(chǎng)方向分解成水平向后和水平向左，那么電弧同時(shí)受到水平向左和水平向后的電磁力。當(dāng)更改接入的電流方向時(shí)，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(wú)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(jì)測(cè)量了該結(jié)構(gòu)下單塊磁鐵（材質(zhì)為N45SH）產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，單片中心表磁測(cè)試值為260～280mT。

4）結(jié)構(gòu)優(yōu)劣勢(shì)。優(yōu)勢(shì)：①無(wú)極性的設(shè)計(jì)，有很大的便利之處。②這種結(jié)構(gòu)下磁場(chǎng)更加集中，產(chǎn)生磁效應(yīng)更大，滅弧效果更好，通過(guò)電氣壽命試驗(yàn)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(shì)：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(shè)計(jì)防呆。

圖12 磁場(chǎng)分布圖（俯視圖）

2.5 單磁鐵中間磁吹滅弧結(jié)構(gòu)（無(wú)極性）

1）結(jié)構(gòu)分析：在該結(jié)構(gòu)中，兩靜觸點(diǎn)中間的位置放有一塊磁鐵，磁鐵兩極朝向?yàn)樗阶笥页?，例如圖13a中是N極朝左，S極朝右，動(dòng)觸點(diǎn)采用了U形的形狀設(shè)計(jì)，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(chǎng)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(chǎng)分布分析：如圖14a所示，磁感線水平穿過(guò)動(dòng)靜觸頭之間的間隙，電弧的電流方向在豎直方向上，與磁場(chǎng)方向垂直，根據(jù)左手定則，電弧會(huì)受到水平向后或者向前的力，從而被快速吹出，達(dá)到快速滅弧的效果。當(dāng)磁鐵反方向安裝時(shí)，磁場(chǎng)方向也反向，但是依然是水平穿過(guò)動(dòng)靜觸頭間的間隙，所以磁場(chǎng)方向與電弧電流方向依然是垂直的，沒(méi)有影響滅弧效果，因此這種結(jié)構(gòu)無(wú)極性。

3）我們使用特斯拉計(jì)測(cè)量了該結(jié)構(gòu)下單塊磁鐵產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，單片中心表磁測(cè)試值為530～560mT。

圖14 磁場(chǎng)分布圖

4）結(jié)構(gòu)優(yōu)劣勢(shì)。優(yōu)勢(shì)：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(shí)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(jiǎn)單，使用的磁鐵產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度也夠大，可以很好確保滅弧的效果。劣勢(shì)：由于磁鐵的特殊位置，動(dòng)觸片需要加工成特殊的形狀來(lái)保證磁鐵有足夠的安裝位置，因此存在加工難度，也會(huì)增加成本。

3 結(jié)論

通過(guò)阻性負(fù)載切換電氣壽命測(cè)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(shí)，電弧會(huì)向兩個(gè)電極之間聚集，滅弧效果會(huì)大大降低，反向電流阻性負(fù)載切換壽命只能達(dá)到正向電流阻性負(fù)載切換壽命的60%～70%；而設(shè)計(jì)成無(wú)極性的磁吹滅弧結(jié)構(gòu)的接觸器反向電流阻性負(fù)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(dāng)。從用戶使用便利度上考慮，無(wú)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(wú)極性）相對(duì)較好，通過(guò)試驗(yàn)表明，L型磁吹滅弧結(jié)構(gòu)（無(wú)極性）下的接觸器電氣壽命更高；從結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(wú)極性）相對(duì)最為簡(jiǎn)單且成本最低，但是其中單磁鐵中間磁吹滅弧結(jié)構(gòu)（無(wú)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(wú)極性）生產(chǎn)效率最高，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且無(wú)需設(shè)計(jì)防呆。