基于Comsol Multiphysics的新型高壓直流繼電器電弧仿真分析

史 巖 陳 平* 田 浩 陳志忠 虞展偉

(1.北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 北京 100029; 2.寧波金宸科技有限公司， 寧波 315506)

引 言

為了應(yīng)對(duì)燃油汽車由于污染大、能耗高而帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題，新能源汽車近年來(lái)得到大力發(fā)展。高壓直流繼電器是新能源汽車的關(guān)鍵部件，在新能源汽車的電路系統(tǒng)中主要起到隔離、連接和分?jǐn)嚯娐返淖饔肹1]。在汽車的許多設(shè)備中都需要用到繼電器，因此繼電器的質(zhì)量越小，越有利于汽車本身的輕量化及續(xù)航能力的提升。目前電動(dòng)汽車的回路最高電壓基本都在400 V以上，部分車型最高電壓已達(dá)到600 V[2]。隨著新能源汽車分?jǐn)嗷芈坟?fù)載的增大，大功率、輕量化和高可靠性成為直流繼電器的發(fā)展方向[3]。當(dāng)工作電流增大時(shí)，傳統(tǒng)電磁繼電器需通過(guò)增加線圈匝數(shù)來(lái)滿足工作要求，大大增加了繼電器的整體質(zhì)量。而由于分?jǐn)嚅g距小，且與交流電路相比直流電路不存在過(guò)零點(diǎn)，因電流增大而產(chǎn)生的電弧更加難以熄滅，嚴(yán)重影響繼電器的使用壽命[4-5]。針對(duì)電磁式繼電器，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從仿真和實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)電弧運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，為解決大功率繼電器的滅弧問(wèn)題提供參考。研究表明，增大橫向磁場(chǎng)強(qiáng)度[6-9]和充入利于滅弧的氣體介質(zhì)[10]可縮短燃弧時(shí)間，提高繼電器的滅弧性能。但抽真空、充入惰性氣體等方法操作復(fù)雜、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高[11-12]，且上述方法均未能改善繼電器質(zhì)量增大的問(wèn)題。

為有效解決當(dāng)前電磁繼電器在高負(fù)載條件下存在的質(zhì)量大、滅弧困難等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種新型電機(jī)式高壓直流繼電器，與傳統(tǒng)電磁繼電器相比，其分?jǐn)嚅g距大、制造工藝簡(jiǎn)單、成本低、質(zhì)量小，僅需增加銅板過(guò)流面積便可滿足大電流工況，而繼電器整體質(zhì)量不會(huì)有太大增加，符合當(dāng)前繼電器輕量化的設(shè)計(jì)要求。通過(guò)增大分?jǐn)嚅g距來(lái)加快電弧的熱量散失，減小電弧對(duì)觸頭的侵蝕，并且僅需對(duì)電機(jī)施加一定脈沖便可實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜觸點(diǎn)的閉合與分?jǐn)?，具有較好的節(jié)能效果?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)，為提高電機(jī)式繼電器的滅弧性能，得到其合理的滅弧參數(shù)，本文進(jìn)一步以電機(jī)式直流繼電器為研究對(duì)象，利用Comsol Multiphysics軟件分析了分?jǐn)嚅g距、電流、磁場(chǎng)強(qiáng)度、分?jǐn)嗨俣鹊葪l件對(duì)電弧的影響，為電機(jī)式繼電器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及滅弧系統(tǒng)的優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

1 電機(jī)式繼電器主要結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為電機(jī)式繼電器結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖，主要包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和滅弧機(jī)構(gòu)。不同于電磁繼電器以電磁線圈驅(qū)動(dòng)觸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)式繼電器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用蝸輪蝸桿加上齒輪齒條的機(jī)械傳動(dòng)。電機(jī)在正脈沖的激勵(lì)下帶動(dòng)蝸輪蝸桿及齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng)，使得動(dòng)靜觸點(diǎn)接觸，完成繼電器的閉合過(guò)程。當(dāng)電機(jī)受到負(fù)脈沖激勵(lì)時(shí)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)便會(huì)反向運(yùn)動(dòng)，動(dòng)靜觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)分?jǐn)噙^(guò)程。蝸輪蝸桿及齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)具有較好的平穩(wěn)性，抗震性能良好且安全可靠。由于蝸輪蝸桿具有自鎖特性，在動(dòng)靜觸點(diǎn)接觸后，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不會(huì)反向運(yùn)動(dòng)，動(dòng)靜觸點(diǎn)之間可保持一定的壓力，使得接觸電阻保持穩(wěn)定，避免觸點(diǎn)發(fā)生回跳以及導(dǎo)致繼電器觸點(diǎn)之間產(chǎn)生電弧對(duì)觸點(diǎn)造成侵蝕，進(jìn)而影響繼電器的電壽命。蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比等參數(shù)影響觸點(diǎn)的分?jǐn)嗨俣?，而分?jǐn)嗨俣葘?duì)繼電器的機(jī)械壽命有較大影響，并且對(duì)繼電器的電氣壽命也有一定影響。基于繼電器輕量化的設(shè)計(jì)要求，蝸輪蝸桿及齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的材料均采用工程塑料聚甲醛，且使用的小功率微電機(jī)比電磁繼電器的銅質(zhì)電磁線圈質(zhì)量也小很多，大大減小了繼電器的整體質(zhì)量。

圖1 電機(jī)式繼電器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the motor relay structure

2 高壓直流繼電器電弧仿真模型

2.1 仿真模型

本文基于繼電器滅弧系統(tǒng)對(duì)電弧仿真模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，利用Comsol Multiphysics軟件建立電弧二維仿真模型，如圖2所示。動(dòng)、靜觸點(diǎn)為電極域，其余部分為空氣域。

圖2 繼電器電弧仿真幾何模型Fig.2 Geometric model of the relay arc simulation

2.2 基本假設(shè)及控制方程

由于電弧仿真分析的物理過(guò)程較為復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，降低仿真分析的復(fù)雜程度，對(duì)電弧分析過(guò)程作出如下假設(shè)[13]：

1) 施加的磁場(chǎng)為均勻穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)；

2) 電弧等離子體為平衡等離子體；

3) 電弧等離子體的流動(dòng)為層流且不可壓縮；

4) 電弧等離子體的輸運(yùn)物性參數(shù)僅為溫度的函數(shù)；

5) 忽略近極區(qū)鞘層的影響。

基于以上假設(shè)，建立電弧磁流體動(dòng)力學(xué)方程組，主要包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程等，具體表達(dá)式如下[14]。

質(zhì)量守恒方程

(1)

式中，ρ為電弧等離子體密度；U為電弧等離子體速度矢量；t為時(shí)間。

動(dòng)量守恒方程

(2)

F=J×B

(3)

式中，p為壓力，μ為動(dòng)力黏度，I為單位矩陣，F(xiàn)為洛倫茲力，J為電流密度，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。

能量守恒方程

(4)

SH=σE2-Srad+Sφ

(5)

(6)

式中，h為熱焓，λ為熱導(dǎo)率，cp為定壓比熱，T為溫度，SH為能量源項(xiàng)，σE2為焦耳熱，Srad為總體積輻射能量，Sφ為電子焓傳遞項(xiàng)，kB為玻爾茲曼常數(shù)，q為電子電荷。

氣體狀態(tài)方程為

p=ρRT

(7)

電磁場(chǎng)方程為

(8)

(9)

J=σE

(10)

(11)

(12)

式中，φ為電位，σ為電導(dǎo)率，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，A為矢量磁位，μ0為磁導(dǎo)率。

2.3 邊界條件

仿真邊界條件設(shè)置如下。

1)流體傳熱條件 電極設(shè)為固體，空氣設(shè)為流體，流體域的進(jìn)出氣口溫度設(shè)置為293.15 K，其余表面為熱絕緣。

2)壓力邊界條件 右邊界設(shè)置為出氣口，壓力值為0 MPa；固體表面設(shè)為非滑移邊界條件，空氣域受體積力即洛倫茲力影響。

3)電流邊界條件 動(dòng)觸點(diǎn)為陽(yáng)極，靜觸點(diǎn)為陰極，對(duì)動(dòng)觸點(diǎn)施加直流電流，所有區(qū)域均遵循電流守恒，整個(gè)外邊界為電絕緣。

4)磁場(chǎng)邊界條件 所有邊界均設(shè)置為磁絕緣。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 溫度場(chǎng)

圖3～7為繼電器在400 V/100 A工作條件下，分?jǐn)嗨俣葹?25 mm/s、外加磁場(chǎng)為200 mT時(shí)的電弧仿真結(jié)果。圖3為觸點(diǎn)間隙的電弧溫度分布云圖，從圖中可以看出，電弧最高溫度為21 022 K；電弧在觸點(diǎn)間隙產(chǎn)生，并在磁場(chǎng)和氣流場(chǎng)的作用下不斷運(yùn)動(dòng)，發(fā)生彎曲變形最終被拉斷。

圖3 200 mT磁場(chǎng)下電弧的溫度場(chǎng)分布云圖Fig.3 Cloud map of the temperature field distribution of an arc in a 200 mT magnetic field

圖4為新型高壓直流繼電器在200 mT磁場(chǎng)強(qiáng)度作用下電弧的電壓電流特性曲線。動(dòng)觸頭在蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下與靜觸點(diǎn)分離，觸頭間距不斷變大，電弧長(zhǎng)度不斷增加，電弧電壓隨時(shí)間推移不斷增加，電弧電流逐漸減小。

圖4 200 mT條件下電弧的電壓電流特性曲線Fig.4 Voltage and current characteristic curves of an arc at 200 mT

圖5 陰、陽(yáng)極溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Plots of anode and cathode temperature over time

圖5所示為陰極和陽(yáng)極溫度隨時(shí)間的變化曲線。在29 ms時(shí)陰極和陽(yáng)極的溫度達(dá)到最高，陰極溫度為1 194.8 K，陽(yáng)極溫度為1 005 K，且在觸頭分?jǐn)噙^(guò)程中陰極溫度始終高于陽(yáng)極溫度，與文獻(xiàn)[15-16]的仿真規(guī)律相同。

3.2 流場(chǎng)

圖6和圖7為觸點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中電弧等離子體的速度云圖及最大流速變化曲線。由圖可以看出，氣體在觸點(diǎn)中間具有最大流速；隨著觸點(diǎn)間隙不斷增加，氣體流速不斷增大，有利于電弧熄滅。

圖6 200 mT條件下氣體速度隨觸點(diǎn)間隙變化云圖Fig.6 Cloud diagram of gas velocity as a function of contact clearance at 200 mT

圖7 200 mT條件下氣體最大流速隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Variation in the maximum gas flow velocity as a function of time at 200 mT

3.3 不同條件下的電弧仿真結(jié)果

3.3.1不同分?jǐn)嚅g距

傳統(tǒng)電磁繼電器間距僅為2～3 mm，而本文設(shè)計(jì)的電機(jī)式高壓直流繼電器的分?jǐn)嚅g距為10 mm。為分析大分?jǐn)嚅g距對(duì)電弧的影響，計(jì)算了工作條件為400 V、外加磁場(chǎng)為200 mT時(shí)不同間距下電弧所受的電磁力大小，結(jié)果如圖8所示。電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系式為

(13)

式中，k為常數(shù)，r為點(diǎn)到導(dǎo)線的距離。由式(13)可知，電流越大，在某點(diǎn)激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度就越大。因此，當(dāng)觸頭間距不變時(shí)，隨電流增大，電弧自生磁場(chǎng)強(qiáng)度也不斷增大。由式(3)可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度增大使得電弧所受電磁力也增大；當(dāng)電流恒定時(shí)，隨分?jǐn)嚅g距的增加，電弧長(zhǎng)度也會(huì)增加，同樣使得電弧自生磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，進(jìn)而使得電磁力增大。因此，繼電器的觸頭間距越大越有益于電弧熄滅。綜合考慮繼電器整體尺寸及對(duì)滅弧的影響，將分?jǐn)嚅g距選為10 mm。

圖8 不同分?jǐn)嚅g距下電磁力變化柱狀圖Fig.8 Histogram of electromagnetic force variation for different breaking spacings

3.3.2不同電流

在負(fù)載為400 V、分?jǐn)嗨俣葹?25 mm/s、外施磁場(chǎng)為200 mT的條件下，改變電流大小，分析不同電流下電弧的溫度和速度變化趨勢(shì)，仿真結(jié)果如表1所示。

表1 不同電流下的電弧仿真結(jié)果

從表1可以看出，在分?jǐn)嗨俣?、外加磁?chǎng)等條件恒定時(shí)僅改變電流大小，隨電流值增大，電弧最高溫度和電弧等離子體運(yùn)動(dòng)速度也不斷增加。這是因?yàn)樵谕淮艌?chǎng)強(qiáng)度下，電弧所受的洛倫茲力會(huì)隨電流值增大而增大，從而使得氣體運(yùn)動(dòng)速度增加，在一定程度上會(huì)加速電弧熄滅。但電流較大時(shí)電弧分?jǐn)鄷r(shí)間仍然較長(zhǎng)，并且由于受到自身電流產(chǎn)生的箍縮效應(yīng)，使得電弧等離子體溫度大大增加[17]，對(duì)觸頭燒蝕也會(huì)更加嚴(yán)重，因此僅靠拉開(kāi)間距及磁吹滅弧時(shí)，本文設(shè)計(jì)的繼電器工作電流應(yīng)控制在150 A以下。

3.3.3不同磁場(chǎng)強(qiáng)度

在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度條件下電弧的運(yùn)動(dòng)情況也不同，為分析磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)電弧運(yùn)動(dòng)的影響，得到電機(jī)式繼電器合理的磁場(chǎng)強(qiáng)度，保持繼電器負(fù)載為400 V/100 A，分?jǐn)嗨俣葹?25 mm/s，改變磁場(chǎng)強(qiáng)度值，分析磁場(chǎng)強(qiáng)度與電弧特性之間的關(guān)系。

圖9 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的電弧溫度云圖Fig.9 Arc temperature cloud maps for different magnetic field intensities

不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的電弧溫度云圖如圖9所示。從圖9可以看出，在達(dá)到相同的分?jǐn)嚅g距時(shí)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，電弧的變形程度增大，電弧被拉斷的時(shí)間縮短。

圖10為不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下電弧中心離開(kāi)觸點(diǎn)表面時(shí)間的變化曲線，可以看出隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，電弧離開(kāi)觸點(diǎn)表面時(shí)間縮短?？梢?jiàn)在對(duì)電機(jī)式直流繼電器進(jìn)行分析設(shè)計(jì)時(shí)，可以適當(dāng)提高磁場(chǎng)強(qiáng)度以加快電弧運(yùn)動(dòng)，減小對(duì)觸點(diǎn)表面的燒蝕。

圖10 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下電弧中心離開(kāi)觸點(diǎn)表面時(shí)間Fig.10 Time for the arc center to leave the contact surface with different magnetic field intensities

圖11為不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下，觸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中氣體最大流速隨時(shí)間的變化曲線。在達(dá)到相同的分?jǐn)嚅g距時(shí)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的提高，氣體流速明顯增大。這是因?yàn)殡娀∷艿降穆鍌惼澚﹄S磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大，使得觸點(diǎn)間氣體流速增加，電弧在觸點(diǎn)間隙運(yùn)動(dòng)加快，有利于電弧熄滅。

圖11 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下氣體最大流速曲線Fig.11 Maximum gas velocity curves for different magnetic field intensities

為進(jìn)一步探究電機(jī)式繼電器合理的磁場(chǎng)強(qiáng)度，繪制了不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的電弧電勢(shì)曲線，如圖12所示。在磁場(chǎng)作用下，電弧電壓不斷增加，但當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到200 mT后，繼續(xù)增大磁場(chǎng)強(qiáng)度，電弧電壓并沒(méi)有顯著提高。因此當(dāng)繼電器分?jǐn)嗨俣纫欢〞r(shí)，在一定范圍內(nèi)增加磁場(chǎng)強(qiáng)度可對(duì)電弧熄滅有較好的效果，但磁場(chǎng)強(qiáng)度存在一定的臨界值，并非越大越好。本文設(shè)計(jì)的電機(jī)式高壓直流繼電器利用U形銜鐵將磁鐵固定在滅弧室外側(cè)以提高磁通量，在外加200 mT的磁場(chǎng)強(qiáng)度下可實(shí)現(xiàn)較好的滅弧效果。

圖12 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的電弧電勢(shì)曲線Fig.12 Arc potential curves for different magnetic field intensities

3.3.4不同分?jǐn)嗨俣?/p>

有文獻(xiàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了分?jǐn)嗨俣群碗娀√匦灾g的聯(lián)系，但對(duì)其本質(zhì)卻難以解釋[9,18]。因此本文保持電機(jī)式繼電器負(fù)載為400 V/100 A，外加磁場(chǎng)強(qiáng)度200 mT，通過(guò)改變分?jǐn)嗨俣冗M(jìn)行仿真分析得到觸點(diǎn)間電弧特性及氣流場(chǎng)的變化規(guī)律，從本質(zhì)上分析分?jǐn)嗨俣扰c電弧特性之間的聯(lián)系。

圖13為繼電器觸點(diǎn)在不同分?jǐn)嗨俣认碌碾娀囟葓?chǎng)分布云圖。從圖中可以看出相同時(shí)間內(nèi)，當(dāng)分?jǐn)嗨俣仍黾訒r(shí)，電弧的變形程度增大，燃弧時(shí)間相應(yīng)縮短。

圖13 不同分?jǐn)嗨俣认碌碾娀囟确植荚茍DFig.13 Cloud map of arc temperature distributions for different breaking velocities

不同分?jǐn)嗨俣认掠|點(diǎn)之間氣體流速最大值變化如圖14所示。氣體流速最大值隨觸點(diǎn)分?jǐn)嗨俣鹊脑黾佣黾樱f(shuō)明提高觸點(diǎn)分?jǐn)嗨俣扔欣诩涌鞖怏w流動(dòng)，從而有利于加快電弧熱量的散發(fā)。因此在對(duì)電機(jī)式繼電器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)改變蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比等參數(shù)適當(dāng)提高動(dòng)觸點(diǎn)分?jǐn)嗨俣龋涌祀娀∠?，從而保證繼電器觸頭有更長(zhǎng)的使用壽命。

圖14 不同分?jǐn)嗨俣认職怏w流速最大值隨時(shí)間的變化曲線Fig.14 Variation of maximum gas flow velocity with time for different breaking velocities

不同分?jǐn)嗨俣认码娀‰妷弘S時(shí)間的變化曲線如圖15所示。由圖15可以看出，當(dāng)觸點(diǎn)分?jǐn)嗨俣葟?25 mm/s增加至175 mm/s時(shí)電弧電壓提升較快，觸點(diǎn)分?jǐn)嗨俣冗_(dá)到175 mm/s后，繼續(xù)增加其數(shù)值，電弧電壓提升的幅度并沒(méi)有明顯增大。這主要是由于電路中存在的微弱電感使得當(dāng)dI/dt增大時(shí)，電路中會(huì)產(chǎn)生自感電勢(shì)，導(dǎo)致弧隙電壓變大，減緩了電弧電壓的增加幅度[19]，分?jǐn)嗨俣仍黾拥揭欢ㄖ岛筮_(dá)到飽和值，即使繼續(xù)增加其大小，電弧電壓也不會(huì)有較大幅度的提升。因此本文設(shè)計(jì)的電機(jī)式高壓直流繼電器可通過(guò)改變蝸輪蝸桿及齒輪傳動(dòng)比來(lái)調(diào)整分?jǐn)嗨俣?，使其處?25～175 mm/s，從而得到較好的滅弧性能。

圖15 不同分?jǐn)嗨俣认码娀‰妷弘S時(shí)間的變化Fig.15 Variation of arc voltage with time for different breaking velocities

4 結(jié)論

(1)本文設(shè)計(jì)的電機(jī)式繼電器的分?jǐn)嚅g距是當(dāng)前通用電磁繼電器分?jǐn)嚅g距的數(shù)倍。隨分?jǐn)嚅g距增大，電弧所受電磁力不斷增加，因此增大觸點(diǎn)間距有利于電弧熄滅，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的大間距的合理性?？紤]到間距對(duì)繼電器整體尺寸和滅弧的影響，最終選定分?jǐn)嚅g距為10 mm。

(2)在電壓等參數(shù)不變的情況下，增大電流，電弧運(yùn)動(dòng)速度不斷提高，但電弧溫度及斷弧時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加，對(duì)觸頭侵蝕較大，因此繼電器若僅靠拉開(kāi)間距及磁吹滅弧時(shí)，其工作負(fù)載應(yīng)控制在150 A以下較為合理。

(3)增加磁場(chǎng)強(qiáng)度以及提高觸點(diǎn)分?jǐn)嗨俣仍谝欢ǚ秶鷥?nèi)可加速電弧變形，減小燃弧時(shí)間，但二者均存在一定的臨界值，本文設(shè)計(jì)的電機(jī)式繼電器在負(fù)載400 V/100 A條件下，取磁場(chǎng)強(qiáng)度為200 mT、分?jǐn)嗨俣葹?25～175 mm/s時(shí)，可以達(dá)到較好的滅弧效果。