直流接触器灭弧室等离子体受力分析

廖知堂， 何晓雄， 冯旭强， 石松礼

(1.合肥工业大学 电子科学与应用物理学院,安徽 合肥 230601; 2.黄山旺荣汽车电子有限公司，安徽 黄山 245500)

随着科学技术的飞速发展,人们对大功率直流接触器的需求越来越多。由于直流接触器可频繁接通、分断直流负载,具有能够通过小电流控制大电流的特性,使其在电动汽车以及工业控制等领域具有无可替代的作用。电动汽车电动机驱动功率已达到数百千瓦,本文研究的样本为一款额定电流400 A、额定电压400 V电动汽车用直流接触器,可控制电动机功率为160 kW[1]。

直流接触器触点在直流大电流下切换时会产生电弧,电弧会降低接触器的使用寿命,其开断过程中的电弧等离子体在灭弧室内的行为特性是决定灭弧室性能的关键。文献[2]的研究忽略了电弧自身磁场的影响,因此有必要对灭弧室电弧等离子体的受力进行分析。

1 直流接触器结构与工作原理

1.1 直流接触器的结构

接触器包括动铁芯、静铁芯、线圈、主触头、辅助触头、灭弧装置等重要部件。由于控制电路是直流供电,线圈中电流的方向不会改变,因此不会出现涡流现象。线圈通电后产生电磁力,当电磁力大于弹簧反力时动触头向静触头移动,同时压缩弹簧积蓄势能;当线圈电压为0时则无电磁力,这时弹簧弹性势能将转换为动能,弹簧反力便带动动静触头分断,其外形结构如图1所示。

1.主回路部分 2.控制线圈部分

1.2 直流接触器主回路3D模型

根据接触器尺寸大小,本文在Maxwell 3D绘图区建立起直流接触器主回路3D模型如图2所示。本文只研究主回路部分,不考虑控制线圈电磁机构。

1.接线柱 2.静触头 3.永磁体 4.灭弧栅片 5.动触头 6.弹簧

1.3 灭弧装置

在直流大电流下直流接触器动静触头快速断开过程中,主回路的自感电动势会导致空气电离产生电弧放电。电弧等离子体一方面使电路仍旧保持导通状态,另一方面会导致触头表面温度急剧升高使触头材料熔化,造成电弧侵蚀,从而降低了触头的使用寿命。若能使电弧尽快熄灭,则可以有效地保护触头,从而能够提高触头以及接触器的使用寿命[3]。本文研究的直流接触器采用磁吹灭弧方法,即在动静触头结合处安装永磁体,主要是利用磁场控制电弧等离子体的位置、形状和运动轨迹。动静触头断开过程中会产生电弧等离子体,电弧等离子体在外加磁场洛伦兹力的作用下将被拉长，与此同时被吹入灭弧栅中随之熄灭,以避免电弧等离子体对触头造成损害。永磁体磁吹灭弧方式如图3所示。由图3可知,电弧电流I方向与磁感应强度B方向垂直,根据左手定则,电弧等离子体将受到洛伦兹力F作用,触头断开时产生的电弧等离子体受到洛伦兹力的作用，迅速向两边吹出拟达到快速熄灭电弧的效果。

图3 永磁体磁吹灭弧

2 有限元分析

2.1 基本理论

研究电磁场的基础理论是麦克斯韦方程组,其微分形式为:

·B=0,

·D=ρ

(1)

Ansoft Maxwell是一款以麦克斯韦方程组为基础的电磁场有限元分析软件,该软件可以解决复杂的电磁分析问题[4]。

2.2 有限元分析过程

(1) 设置材料属性。Maxwell有自带的材料库,对于材料库中没有的材料,可以通过材料的电导率和磁导率来添加。直流接触器接线柱、触头连接板的材料是铜,动静触头的材料为AgSnO2,弹簧、灭弧栅的材料是不锈钢,永磁体的材料为钕铁硼NdFe35。

(2) 设置合适的边界条件。将求解区域的边界条件设置为自然边界条件,也称纽曼边界条件,软件会在求解时自动添加到物体外边界。

(3) 采用自适应网格剖分。剖分设置采用默认的剖分参数,本文采用的最终网格剖分图如图4所示。

图4 网格剖分图

2.3 有限元磁场分析

根据场的叠加原理,分别计算灭弧室没有永磁体和有永磁体2种情况。

在没有永磁体时(即在计算时将永磁体材料设置为空气),若对接线柱添加600 A电流激励,则可得到直流接触器稳定工作时主回路的磁场如图5所示。

图5 无永磁体时的磁场分布

当存在永磁体时会产生磁场,即在触头产生电弧等离子体处有外加磁场。若添加600 A电流激励,则得到直流接触器稳定工作时的磁场分布如图6所示,其中电弧电流回路产生的磁场与永磁体的磁场磁感应强度相差近50倍。

图6 有永磁体时的磁场分布

取静触头表面圆心计算得到该点在有无永磁体情况下的磁感应强度分别为0.13、4.86×10-3T。

3 电弧等离子体受力分析

电弧等离子体在灭弧室受到的电磁力有永磁体产生的洛伦兹力、电弧电流间的安培力、动静触头断开过程中自感电动势的电场力和等离子鞘层的电场力等。本文计算得到的受力情况均为近似值。

3.1 永磁体磁场的洛伦兹力

计算电弧等离子体受到的永磁体磁场洛伦兹力计算公式为:

F=qv×B,

Ie=neSv,

n=Qe/(Sl)

(2)

其中,Ie为电子电流;v为电子的漂移速度;S为电弧电流横截面积；Qe为电子的总电荷量。电弧电流的载流子是离子和电子,总电荷量Q为离子电子的电量总和，因为电弧等离子体中离子的质量比电子大3个数量级,所以计算时只需考虑电子；触头分断开距l=9×10-3m;静触头表面圆心磁感应强度B=0.13 T;文献[5]研究发现，Ie/I=0.78、电子电流Ie=468 A,再根据文献[6]的灭弧时间示波图,使用Matlab trapz函数计算得到灭弧时等离子体的总电荷量Q=1.05 C、电子的总电荷量Qe=0.82 C,据此计算得到洛伦兹力F=0.67 N。

3.2 电弧等离子体相互间的安培力

由安培定律可知,由载流导线的电流所产生的磁场(根据毕奥-萨伐尔定律)作用于另一载流导线中的移动电荷而形成的洛伦兹力会导致2条载流导线有相互的吸引力或排斥力。根据永磁体磁场的洛伦兹力计算方法,静触头表面圆心磁感应强度B的大小为4.86×10-3T,本文计算得到安培力F大小为0.02 N。

3.3 自感电动势的电场力

直流接触器动、静触头断开过程中会产生感应电动势。由楞次定律可知,感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。感应电流和感应电动势的方向与主回路稳定工作时的方向一致。电场力计算公式为:

τ=L/R,R=L′/(σS)

(3)

其中,L为自感系数;L′为电弧的长度;τ为时间常数;σ为等离子体的电导率。

该直流接触器时间常数τ=L/R=0.5 ms,本文根据文献[6]的灭弧时间示波图,使用Matlab的polyfit函数计算得到平均斜率,即灭弧时电弧电流随时间的变化率dI/dt=-2.03×105A/s,起弧时横截面积与触头一样,最后熄灭,电弧截面积取触头截面积的1/2得S=πr2/2=1.0×10-4m2;再参考文献[7]给出的空气电导率随温度变化的曲线可知σ=7 400 S/m。据此得到电子受自感电动势产生的电场力大小为2.19×10-17N。

3.4 等离子鞘层的电场力

等离子鞘层是离子体与器壁或电极接触时在两者之间形成的过渡区。动静触头断开过程中,空气被电离成带正电的离子和带负点的电子,等离子体中的电子和离子均向金属栅片运动,但电子的热运动速度远大于离子的热速度,从而导致金属栅片表面出现过剩的负电荷,便形成非电中性区,产生空间电场。该电场将进一步地加速离子的运动,其计算公式为:

(4)

其中,Us为鞘层压降[8];Δy=0.1 mm，为鞘层厚度,根据文献[9]提供实验观测中所得到的最大鞘层厚度,且电弧电流I、电弧等离子体电导率σ和电弧截面积S与计算自感电动势的电场力取值相同,本文计算得到等离子鞘层电场力大小为1.30×10-16N。

4 结 论

本文利用有限元软件Maxwell对直流接触器稳定工作时进行了有限元分析,得到了直流接触器稳定工作时的磁场分布图以及永磁体周围磁场的分布。

本文还对直流接触器断开过程中灭弧室中电弧等离子体受到的永磁体产生磁场的洛伦兹力、电弧电流之间的安培力、主回路断开时产生的感应电动势的电场力和等离子鞘层的电场力进行了计算分析比较,研究结果表明，永磁体周围磁场产生的洛伦兹力是等离子的主要受力,起到改变电弧方向、拉长电弧,从而使电弧熄灭的作用。其他受力与之相比有数量级的差异,可以忽略不计。