高壓直流接觸器磁吹系統(tǒng)的優(yōu)化設計

摘 要：

在高壓直流接觸器的磁吹滅弧系統(tǒng)中，當電弧燃燒時常采用永磁體拉長電弧致其熄滅，而熄弧時間又直接影響到產(chǎn)品的壽命次數(shù)。研究表明永磁體磁感應強度越強，熄弧時間越短，但觸點中心磁感應強度與永磁體的幾何中心磁感應強度有直接關系。通過仿真優(yōu)化常用磁吹滅弧系統(tǒng)結構形式，減小單個永磁體幾何中心磁感應強度，提高磁吹滅弧系統(tǒng)空間磁感應強度，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)。

關鍵詞：

高壓直流; 接觸器; 磁吹滅弧; 磁感應強度

中圖分類號： TM572

文獻標志碼： A

文章編號： 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)展趨勢調(diào)研與未來投資分析報告（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，達到688.7萬輛，短短5年，新能源汽車的銷量翻了6倍。而每臺新能源汽車平均需配置4～6只高壓直流接觸器，同時配套的充電樁需配2～4只高壓直流接觸器。新能源汽車行業(yè)發(fā)展迅猛，對應高壓直流接觸器需求量巨大。

高壓直流接觸器可分斷高電壓、大電流負載，但在分斷過程中會產(chǎn)生電弧。而直流電弧沒有自然過零點，要保證觸點可靠分斷，就需要采用主動滅弧措施，磁吹滅弧就是高壓直流接觸器有效滅弧措施之一。文獻［1-3］通過不同磁吹滅弧的磁感應強度對燃弧時間進行了研究，隨著磁感應強度增大，平均燃弧時間變短，有助于觸點開斷，提高壽命次數(shù)，但永磁體的磁感應強度增大后，其磁力變大，相互之間難分離，分離后相互之間靠近時，容易因為相互之間的磁力發(fā)生碰撞損害永磁體或造成人員傷害。本文通過對高壓直流接觸器的磁吹滅弧系統(tǒng)的結構進行優(yōu)化，以通過較小單個永磁體磁感應強度提高高壓直流接觸器磁吹滅弧的空間磁感應強度，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三維有限元仿真進行仿真分析。永磁體磁感應強度仿真圖如圖1所示。取其幾何中心磁感應強度與實物測量值進行對比，實測值取10個樣品的平均值。永磁體幾何中心磁感應強度與實物實測對比表如表2所示。

根據(jù)永磁體幾何中心仿真值與實測值對比，其相對誤差在4%以內(nèi)，驗證了仿真模型的可行性。

2 磁吹滅弧系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 觸點無極性磁吹滅弧系統(tǒng)

高壓直流接觸器常用觸點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。永磁體牌號采用N45SH，建立三維模型，設置表1永磁體參數(shù)，進行仿真。

根據(jù)圖2（a），永磁體放在觸點兩側，NS極相同，在觸點間形成磁回路，從N到S。當觸點開斷負載時，在動靜觸點區(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，實現(xiàn)觸點無極性。對圖2結構的磁吹滅弧結構進行仿真，高壓直流接觸器常用磁吹滅弧結構磁場空間分布如圖3所示。

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

在電弧的受力方向上，即圖3a虛線箭頭方向，距離觸點中心越遠，磁感應強度衰減越快，這樣就會造成電弧在受力移動到觸點邊緣后，電弧所受的力減小，電弧無法繼續(xù)拉長熄滅或拉長時間過長導致熄弧時間加長，增加觸點的燒蝕。要使得電弧受力方向上距離觸點中心較遠處仍有足夠的力使電弧被拉長熄滅，則需要更大的觸點中心磁感應強度。而如按現(xiàn)有結構增大觸點中心磁感應強度，就需要將單個永磁體磁感應強度加大，其磁感應強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)的結構優(yōu)化應考慮在電弧受力方向上減小磁感應強度的衰減。

2.2 觸點無極性磁吹滅弧系統(tǒng)優(yōu)化設計

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。將永磁體分別設計在觸點兩側及前后兩側如圖4（a），其磁感線走向如圖4（b）。

通過圖4（a）的充磁設計，磁感線從觸點兩側到觸點前后兩側經(jīng)過觸點形成磁回路，從N到S。當觸點開斷負載時，在動靜觸點區(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，也可實現(xiàn)觸點無極性。通過Maxwell對圖4結構的磁吹滅弧結構進行仿真計算。高壓直流接觸器優(yōu)化磁吹滅弧結構磁場空間分布如圖5所示。

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

對比優(yōu)化前和優(yōu)化后，即圖2和圖4的結構，永磁體中心磁感應強度都為240 mT的情況下，優(yōu)化前的磁吹滅弧結構觸點中心磁感應強度為43 mT，優(yōu)化后的磁吹滅弧結構觸點中心磁感應強度為60 mT。優(yōu)化后的磁吹滅弧結構能在不改變永磁體中心磁感應強度的前提下增加觸點中心的磁感應強度，有助于滅弧。

3 磁吹滅弧系統(tǒng)優(yōu)化對比驗證

制作3個實物進行對比驗證。方案1采用優(yōu)化過后的觸點無極性的磁吹滅弧方案，將4塊永磁體放置在觸點前后及兩側，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兩側，形成如圖2的方案。由前論述，優(yōu)化前在電弧移動到觸點邊緣時，由于磁感應強度降低，電弧所有的力變小，增加一個優(yōu)化前方案，將觸點中心磁感應強度提高到60 mT，進行對比。3個方案中心磁場參數(shù)對比如表3所示。

由于磁場分布不同，將3個方案采用額定負載試驗條件進行壽命驗證，通過驗證，方案1可完成滿足1萬次額定負載壽命，而方案2可完成約5 000 次額定負載壽命，方案3可完成約7 000次額定負載壽命。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，優(yōu)化后的磁吹滅弧結構不但降低了單個永磁體中心磁感應強度，使得裝配更加便捷，同時也提高了產(chǎn)品的壽命指標。

4 結 語

本文在原高壓直流接觸器觸點無極性磁吹系統(tǒng)的基礎上，提出了一種適用于高壓直流接觸器觸點無極性磁吹系統(tǒng)的結構形式，通過設計不同的永磁體位置及充磁方向，提高觸點磁吹滅弧系統(tǒng)的空間磁感應強度，降低單個永磁體的中心磁感應強度，實現(xiàn)磁吹滅弧系統(tǒng)觸點中心到觸點邊緣電弧受力方向磁感應強度不衰減，達到電弧移動到觸點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)試驗驗證，該結構形式的磁吹滅弧系統(tǒng)可使得永磁體中心磁感應強度降低約40 mT，減小單個永磁體尺寸，同時將額定負載壽命次數(shù)提升30%。

【參 考 文 獻】

［1］ 廖園， 焦琳， 鄒竟成， 等.橫向磁場與分斷速度對觸頭分斷燃弧特性和侵蝕的試驗研究［J］.電器與能效管理技術，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，2022（2）：66-69.

［3］ 李思泓.高壓直流接觸器電弧分斷關鍵技術研究［J］.電器與能效管理技術，2022（6）：15-19.

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

收稿日期： 20231025