廖知堂， 何曉雄， 馮旭強(qiáng)， 石松禮

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230601; 2.黃山旺榮汽車電子有限公司，安徽 黃山 245500)

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,人們對大功率直流接觸器的需求越來越多。由于直流接觸器可頻繁接通、分?jǐn)嘀绷髫?fù)載,具有能夠通過小電流控制大電流的特性,使其在電動汽車以及工業(yè)控制等領(lǐng)域具有無可替代的作用。電動汽車電動機(jī)驅(qū)動功率已達(dá)到數(shù)百千瓦,本文研究的樣本為一款額定電流400 A、額定電壓400 V電動汽車用直流接觸器,可控制電動機(jī)功率為160 kW[1]。

直流接觸器觸點(diǎn)在直流大電流下切換時會產(chǎn)生電弧,電弧會降低接觸器的使用壽命,其開斷過程中的電弧等離子體在滅弧室內(nèi)的行為特性是決定滅弧室性能的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[2]的研究忽略了電弧自身磁場的影響,因此有必要對滅弧室電弧等離子體的受力進(jìn)行分析。

1 直流接觸器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 直流接觸器的結(jié)構(gòu)

接觸器包括動鐵芯、靜鐵芯、線圈、主觸頭、輔助觸頭、滅弧裝置等重要部件。由于控制電路是直流供電,線圈中電流的方向不會改變,因此不會出現(xiàn)渦流現(xiàn)象。線圈通電后產(chǎn)生電磁力,當(dāng)電磁力大于彈簧反力時動觸頭向靜觸頭移動,同時壓縮彈簧積蓄勢能;當(dāng)線圈電壓為0時則無電磁力,這時彈簧彈性勢能將轉(zhuǎn)換為動能,彈簧反力便帶動動靜觸頭分?jǐn)?其外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.主回路部分 2.控制線圈部分

1.2 直流接觸器主回路3D模型

根據(jù)接觸器尺寸大小,本文在Maxwell 3D繪圖區(qū)建立起直流接觸器主回路3D模型如圖2所示。本文只研究主回路部分,不考慮控制線圈電磁機(jī)構(gòu)。

1.接線柱 2.靜觸頭 3.永磁體 4.滅弧柵片 5.動觸頭 6.彈簧

1.3 滅弧裝置

在直流大電流下直流接觸器動靜觸頭快速斷開過程中,主回路的自感電動勢會導(dǎo)致空氣電離產(chǎn)生電弧放電。電弧等離子體一方面使電路仍舊保持導(dǎo)通狀態(tài),另一方面會導(dǎo)致觸頭表面溫度急劇升高使觸頭材料熔化,造成電弧侵蝕,從而降低了觸頭的使用壽命。若能使電弧盡快熄滅,則可以有效地保護(hù)觸頭,從而能夠提高觸頭以及接觸器的使用壽命[3]。本文研究的直流接觸器采用磁吹滅弧方法,即在動靜觸頭結(jié)合處安裝永磁體,主要是利用磁場控制電弧等離子體的位置、形狀和運(yùn)動軌跡。動靜觸頭斷開過程中會產(chǎn)生電弧等離子體,電弧等離子體在外加磁場洛倫茲力的作用下將被拉長，與此同時被吹入滅弧柵中隨之熄滅,以避免電弧等離子體對觸頭造成損害。永磁體磁吹滅弧方式如圖3所示。由圖3可知,電弧電流I方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度B方向垂直,根據(jù)左手定則,電弧等離子體將受到洛倫茲力F作用,觸頭斷開時產(chǎn)生的電弧等離子體受到洛倫茲力的作用，迅速向兩邊吹出擬達(dá)到快速熄滅電弧的效果。

圖3 永磁體磁吹滅弧

2 有限元分析

2.1 基本理論

研究電磁場的基礎(chǔ)理論是麥克斯韋方程組,其微分形式為:

·B=0,

·D=ρ

(1)

Ansoft Maxwell是一款以麥克斯韋方程組為基礎(chǔ)的電磁場有限元分析軟件,該軟件可以解決復(fù)雜的電磁分析問題[4]。

2.2 有限元分析過程

(1) 設(shè)置材料屬性。Maxwell有自帶的材料庫,對于材料庫中沒有的材料,可以通過材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率來添加。直流接觸器接線柱、觸頭連接板的材料是銅,動靜觸頭的材料為AgSnO2,彈簧、滅弧柵的材料是不銹鋼,永磁體的材料為釹鐵硼NdFe35。

(2) 設(shè)置合適的邊界條件。將求解區(qū)域的邊界條件設(shè)置為自然邊界條件,也稱紐曼邊界條件,軟件會在求解時自動添加到物體外邊界。

(3) 采用自適應(yīng)網(wǎng)格剖分。剖分設(shè)置采用默認(rèn)的剖分參數(shù),本文采用的最終網(wǎng)格剖分圖如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格剖分圖

2.3 有限元磁場分析

根據(jù)場的疊加原理,分別計算滅弧室沒有永磁體和有永磁體2種情況。

在沒有永磁體時(即在計算時將永磁體材料設(shè)置為空氣),若對接線柱添加600 A電流激勵,則可得到直流接觸器穩(wěn)定工作時主回路的磁場如圖5所示。

圖5 無永磁體時的磁場分布

當(dāng)存在永磁體時會產(chǎn)生磁場,即在觸頭產(chǎn)生電弧等離子體處有外加磁場。若添加600 A電流激勵,則得到直流接觸器穩(wěn)定工作時的磁場分布如圖6所示,其中電弧電流回路產(chǎn)生的磁場與永磁體的磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度相差近50倍。

圖6 有永磁體時的磁場分布

取靜觸頭表面圓心計算得到該點(diǎn)在有無永磁體情況下的磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為0.13、4.86×10-3T。

3 電弧等離子體受力分析

電弧等離子體在滅弧室受到的電磁力有永磁體產(chǎn)生的洛倫茲力、電弧電流間的安培力、動靜觸頭斷開過程中自感電動勢的電場力和等離子鞘層的電場力等。本文計算得到的受力情況均為近似值。

3.1 永磁體磁場的洛倫茲力

計算電弧等離子體受到的永磁體磁場洛倫茲力計算公式為:

F=qv×B,

Ie=neSv,

n=Qe/(Sl)

(2)

其中,Ie為電子電流;v為電子的漂移速度;S為電弧電流橫截面積；Qe為電子的總電荷量。電弧電流的載流子是離子和電子,總電荷量Q為離子電子的電量總和，因?yàn)殡娀〉入x子體中離子的質(zhì)量比電子大3個數(shù)量級,所以計算時只需考慮電子；觸頭分?jǐn)嚅_距l(xiāng)=9×10-3m;靜觸頭表面圓心磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.13 T;文獻(xiàn)[5]研究發(fā)現(xiàn)，Ie/I=0.78、電子電流Ie=468 A,再根據(jù)文獻(xiàn)[6]的滅弧時間示波圖,使用Matlab trapz函數(shù)計算得到滅弧時等離子體的總電荷量Q=1.05 C、電子的總電荷量Qe=0.82 C,據(jù)此計算得到洛倫茲力F=0.67 N。

3.2 電弧等離子體相互間的安培力

由安培定律可知,由載流導(dǎo)線的電流所產(chǎn)生的磁場(根據(jù)畢奧-薩伐爾定律)作用于另一載流導(dǎo)線中的移動電荷而形成的洛倫茲力會導(dǎo)致2條載流導(dǎo)線有相互的吸引力或排斥力。根據(jù)永磁體磁場的洛倫茲力計算方法,靜觸頭表面圓心磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小為4.86×10-3T,本文計算得到安培力F大小為0.02 N。

3.3 自感電動勢的電場力

直流接觸器動、靜觸頭斷開過程中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由楞次定律可知,感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。感應(yīng)電流和感應(yīng)電動勢的方向與主回路穩(wěn)定工作時的方向一致。電場力計算公式為:

τ=L/R,R=L′/(σS)

(3)

其中,L為自感系數(shù);L′為電弧的長度;τ為時間常數(shù);σ為等離子體的電導(dǎo)率。

該直流接觸器時間常數(shù)τ=L/R=0.5 ms,本文根據(jù)文獻(xiàn)[6]的滅弧時間示波圖,使用Matlab的polyfit函數(shù)計算得到平均斜率,即滅弧時電弧電流隨時間的變化率dI/dt=-2.03×105A/s,起弧時橫截面積與觸頭一樣,最后熄滅,電弧截面積取觸頭截面積的1/2得S=πr2/2=1.0×10-4m2;再參考文獻(xiàn)[7]給出的空氣電導(dǎo)率隨溫度變化的曲線可知σ=7 400 S/m。據(jù)此得到電子受自感電動勢產(chǎn)生的電場力大小為2.19×10-17N。

3.4 等離子鞘層的電場力

等離子鞘層是離子體與器壁或電極接觸時在兩者之間形成的過渡區(qū)。動靜觸頭斷開過程中,空氣被電離成帶正電的離子和帶負(fù)點(diǎn)的電子,等離子體中的電子和離子均向金屬柵片運(yùn)動,但電子的熱運(yùn)動速度遠(yuǎn)大于離子的熱速度,從而導(dǎo)致金屬柵片表面出現(xiàn)過剩的負(fù)電荷,便形成非電中性區(qū),產(chǎn)生空間電場。該電場將進(jìn)一步地加速離子的運(yùn)動,其計算公式為:

(4)

其中,Us為鞘層壓降[8];Δy=0.1 mm，為鞘層厚度,根據(jù)文獻(xiàn)[9]提供實(shí)驗(yàn)觀測中所得到的最大鞘層厚度,且電弧電流I、電弧等離子體電導(dǎo)率σ和電弧截面積S與計算自感電動勢的電場力取值相同,本文計算得到等離子鞘層電場力大小為1.30×10-16N。

4 結(jié) 論

本文利用有限元軟件Maxwell對直流接觸器穩(wěn)定工作時進(jìn)行了有限元分析,得到了直流接觸器穩(wěn)定工作時的磁場分布圖以及永磁體周圍磁場的分布。

本文還對直流接觸器斷開過程中滅弧室中電弧等離子體受到的永磁體產(chǎn)生磁場的洛倫茲力、電弧電流之間的安培力、主回路斷開時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的電場力和等離子鞘層的電場力進(jìn)行了計算分析比較,研究結(jié)果表明，永磁體周圍磁場產(chǎn)生的洛倫茲力是等離子的主要受力,起到改變電弧方向、拉長電弧,從而使電弧熄滅的作用。其他受力與之相比有數(shù)量級的差異,可以忽略不計。