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(chē)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(duì)大功率直流接觸器的需求越來(lái)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(guò)小電流控制大電流的特性,使其在電動(dòng)汽車(chē)以及工業(yè)控制等領(lǐng)域具有無(wú)可替代的作用。電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)汽車(chē)用直流接觸器,可控制電動(dòng)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(shí)會(huì)產(chǎn)生電弧,電弧會(huì)降低接觸器的使用壽命,其開(kāi)斷過(guò)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(chǎng)的影響,因此有必要對(duì)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(dòng)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(huì)改變,因此不會(huì)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(shí)動(dòng)觸頭向靜觸頭移動(dòng),同時(shí)壓縮彈簧積蓄勢(shì)能;當(dāng)線圈電壓為0時(shí)則無(wú)電磁力,這時(shí)彈簧彈性勢(shì)能將轉(zhuǎn)換為動(dòng)能,彈簧反力便帶動(dòng)動(dòng)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(dòng)觸頭 6.彈簧

1.3 滅弧裝置

在直流大電流下直流接觸器動(dòng)靜觸頭快速斷開(kāi)過(guò)程中,主回路的自感電動(dòng)勢(shì)會(huì)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(huì)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(dòng)靜觸頭結(jié)合處安裝永磁體,主要是利用磁場(chǎng)控制電弧等離子體的位置、形狀和運(yùn)動(dòng)軌跡。動(dòng)靜觸頭斷開(kāi)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電弧等離子體,電弧等離子體在外加磁場(chǎng)洛倫茲力的作用下將被拉長(zhǎng)，與此同時(shí)被吹入滅弧柵中隨之熄滅,以避免電弧等離子體對(duì)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(kāi)時(shí)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(chǎng)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(chǎng)有限元分析軟件,該軟件可以解決復(fù)雜的電磁分析問(wèn)題[4]。

2.2 有限元分析過(guò)程

(1) 設(shè)置材料屬性。Maxwell有自帶的材料庫(kù),對(duì)于材料庫(kù)中沒(méi)有的材料,可以通過(guò)材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率來(lái)添加。直流接觸器接線柱、觸頭連接板的材料是銅,動(dòng)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(huì)在求解時(shí)自動(dòng)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(chǎng)分析

根據(jù)場(chǎng)的疊加原理,分別計(jì)算滅弧室沒(méi)有永磁體和有永磁體2種情況。

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

圖5 無(wú)永磁體時(shí)的磁場(chǎng)分布

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

圖6 有永磁體時(shí)的磁場(chǎng)分布

取靜觸頭表面圓心計(jì)算得到該點(diǎn)在有無(wú)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(dòng)靜觸頭斷開(kāi)過(guò)程中自感電動(dòng)勢(shì)的電場(chǎng)力和等離子鞘層的電場(chǎng)力等。本文計(jì)算得到的受力情況均為近似值。

3.1 永磁體磁場(chǎng)的洛倫茲力

計(jì)算電弧等離子體受到的永磁體磁場(chǎng)洛倫茲力計(jì)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(gè)數(shù)量級(jí),所以計(jì)算時(shí)只需考慮電子；觸頭分?jǐn)嚅_(kāi)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(shí)間示波圖,使用Matlab trapz函數(shù)計(jì)算得到滅弧時(shí)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(jì)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(chǎng)(根據(jù)畢奧-薩伐爾定律)作用于另一載流導(dǎo)線中的移動(dòng)電荷而形成的洛倫茲力會(huì)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(chǎng)的洛倫茲力計(jì)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(jì)算得到安培力F大小為0.02 N。

3.3 自感電動(dòng)勢(shì)的電場(chǎng)力

直流接觸器動(dòng)、靜觸頭斷開(kāi)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由楞次定律可知,感應(yīng)電流的磁場(chǎng)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(dòng)勢(shì)的方向與主回路穩(wěn)定工作時(shí)的方向一致。電場(chǎng)力計(jì)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(zhǎng)度;τ為時(shí)間常數(shù);σ為等離子體的電導(dǎo)率。

該直流接觸器時(shí)間常數(shù)τ=L/R=0.5 ms,本文根據(jù)文獻(xiàn)[6]的滅弧時(shí)間示波圖,使用Matlab的polyfit函數(shù)計(jì)算得到平均斜率,即滅弧時(shí)電弧電流隨時(shí)間的變化率dI/dt=-2.03×105A/s,起弧時(shí)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(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電場(chǎng)力大小為2.19×10-17N。

3.4 等離子鞘層的電場(chǎng)力

等離子鞘層是離子體與器壁或電極接觸時(shí)在兩者之間形成的過(guò)渡區(qū)。動(dòng)靜觸頭斷開(kāi)過(guò)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(dòng),但電子的熱運(yùn)動(dòng)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(guò)剩的負(fù)電荷,便形成非電中性區(qū),產(chǎn)生空間電場(chǎng)。該電場(chǎng)將進(jìn)一步地加速離子的運(yùn)動(dòng),其計(jì)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(cè)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(jì)算自感電動(dòng)勢(shì)的電場(chǎng)力取值相同,本文計(jì)算得到等離子鞘層電場(chǎng)力大小為1.30×10-16N。

4 結(jié) 論

本文利用有限元軟件Maxwell對(duì)直流接觸器穩(wěn)定工作時(shí)進(jìn)行了有限元分析,得到了直流接觸器穩(wěn)定工作時(shí)的磁場(chǎng)分布圖以及永磁體周?chē)艌?chǎng)的分布。

本文還對(duì)直流接觸器斷開(kāi)過(guò)程中滅弧室中電弧等離子體受到的永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)的洛倫茲力、電弧電流之間的安培力、主回路斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的電場(chǎng)力和等離子鞘層的電場(chǎng)力進(jìn)行了計(jì)算分析比較,研究結(jié)果表明，永磁體周?chē)艌?chǎng)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(zhǎng)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(jí)的差異,可以忽略不計(jì)。