新能源电动汽车用高压接触器的磁吹灭弧技术与结构

万 建，应欣晓，李 萍，庄道建

（1.浙江环方汽车电器有限公司，浙江 台州 317607；2.浙江省环方电气控制技术研究院，浙江 台州 317607）

高压接触器广泛使用于新能源电动汽车、无人机、充电桩，以及蓄电池供电、变频器电容预充电、直流功率控制、电路保护及其他电动车辆（电动叉车）的电源开关控制，同时广泛用于不间断电源等电控系统［1-2］。高压接触器在高能量使用环境下，电弧冷却和熄灭得快，触头烧蚀就变慢［3］。常规的直流接触器等开关由于直流不过零的原因产生电弧难以熄灭，一般使用在DC100V以下的电压系统中。我们公司采用了“氢气+惰性气体+磁吹”的新型灭弧技术解决DC100V以上高压直流接触器电弧熄灭问题。

传统接触器的触头区域为空气，空气极易被电离生弧，高压接触器将触头密封在一密封的腔体内并充入氢气为主+惰性气体的混合气体，为接触的触点提供了稳定的接通和分断环境，这种环境消除了氧化作用，不容易被电离，电弧冷却速度快，也不容易燃烧产生污染物影响灭弧［4］。另外，在接触的触点两侧增加耐高温磁铁，产生相应的磁场，使电弧在洛伦兹力的作用下，迅速被拉长，极大缩短了电弧熄灭的时间，本文将讨论各种状态下磁吹结构和效果［5-7］。

1 负载有极性磁吹灭弧结构

1.1 双面磁吹灭弧结构（有极性）

1）结构分析：如图1a所示，在该结构中，在动静触点的前后，平行放置有两块N极朝向相同并且磁性强弱相当的方形磁铁，从而形成如图2所示的磁场，使得电弧在洛伦兹力的作用下被迅速拉长而熄灭。

图1 双面磁吹灭弧结构分布图

2）磁场分布分析：如图2所示，磁感线水平穿过动静触点间的间隙，从后方的方形磁铁的N极出发，回到前面的方形磁铁的S极，动静触点的接触点的电流一个竖直向上一个竖直向下，根据左手定则，从图1a可以得出，电弧受力分别朝向左右两边相反的方向，继而电弧被迅速拉长而熄灭。当电流反向接入时，如图1b所示，此时电弧反向受力，并向两个电极之间聚集，有可能会造成二次燃弧，从而缩短接触器的电气寿命，因此这种结构存在极性。

3）在磁吹灭弧结构中，磁铁产生的磁场大小直接影响灭弧效果，在相同结构下，磁场越强，灭弧效果越好。在物理学上，磁场强弱用磁感应强度来表示。特斯拉计可以通过霍尔元件检测磁性材料或物体产生的磁感应强度，因此我们使用特斯拉计测量了该结构下单块磁铁（磁铁材质为N35H）产生磁感应强度大小，单片中心表磁测试值为326～350mT。

4）结构优势与劣势：优点：磁铁产生的磁感应强度足够，并且结构合理，可以快速拉长电弧，极大地缩短电弧熄灭的时间，减少对触点表面的烧灼，提高接触器的使用寿命。劣势：①存在极性，如果用户在使用过程中将负载反向接入了，不仅大大降低了灭弧效果，并且通过阻性负载电气寿命测试发现接触器寿命会降低到负载正向接入时电气寿命的60%；②磁铁需要设计防呆，因为如果磁铁安装反向，同样会造成电弧聚集，灭弧效果差，导致接触器电气寿命降低。

图2 磁场分布图（俯视图）

1.2 单面磁吹灭弧结构（有极性）

1）该结构的特点是在动静触点的前面只放置一块方形磁铁，但是同样可以达到灭弧的效果，如图3a所示。

2）磁场分布分析。如图4所示，只有一块方形磁铁放置其中，在电弧产生处的磁场方向基本可以看作水平向前，电流方向如图3a接入，电弧产生时的电流方向在竖直方向上，根据左手定则，两端的电弧分别会受到左右两边相反方向的电磁力，因此电弧会被拉长，进而快速熄灭。该结构存在极性：如果电流反向接入如图3b所示，那么电弧受到的电磁力就会反向，此时电弧会向两个电极之间聚集，有可能会造成二次燃弧，灭弧效果降低，从而缩短接触器的电气寿命。

图3 单面磁吹灭弧结构分布图

3）我们使用特斯拉计测量了该结构中的单块磁铁（磁铁材料为N35H）产生的磁感应强度大小，单片中心表磁测试值为320～350mT。

4）结构优势与劣势。与双面磁吹灭弧结构相比，优势：结构简单，更加节省材料和成本。劣势：①灭弧效果相对差一些；②由于存在极性，用户在使用过程中存在不便利；③需要设计磁铁防呆。

图4 磁场分布图（俯视图）

2 负载无极性磁吹灭弧结构

2.1 中间磁吹灭弧结构（无极性）

1）该结构的特点是在触点左右两侧放置两块方形磁铁，在触点下方放一块环形磁铁，通过这3块磁铁的磁场相互作用，使得电弧在电磁力的作用下被快速向前或者向后吹出而冷却下来，达到快速灭弧的效果。研发设计时对3块磁铁的磁极位置和方向有一定的要求，以图5a为例，假如下方的环形磁铁N极朝上，那么两侧的方形磁铁相对的两个面必须是S极，目的是使得从环形磁铁N极出发的磁感线能回到方形磁铁的S极，从而扩大下方的环形磁铁的影响范围，反之，N极朝下也是同样的效果。

2）磁场分布分析：如图6所示，在电弧产生处磁场方向可以看作沿水平方向指向两侧，电流方向沿着竖直方向，根据左手定则，如图5a所示，电弧受力水平向后，因而电弧在电磁力作用下然后打到灭弧罩的壁上并且快速熄灭。当电流反向接入，由图5b可以看出，电弧所受的电磁力只是由向后变成了向前，灭弧效果并未受到影响，因此这种结构没有极性。如图5c所示，同时改变3块磁铁的极性朝向，磁场方向反向，电流方向不变，根据左手定则，电弧受力由向后变成向前，灭弧效果不受影响。

图5 中间磁吹灭弧结构分布图

3）我们使用特斯拉计分别测量了该结构中的3块磁铁产生的磁感应强度大小，左右两块方形磁铁（磁铁材质为铝镍钴LN10）的磁感应强度基本相同，单片中心表磁测试值为25～40mT，下方环形磁铁（磁铁材质为钐钴BTS18/19）单片中心表磁测试值为250～265mT。

4）结构优势与劣势。优势：①无极性的结构设计对于使用者有着极大的便利之处；②下方环形磁铁的磁场强度足够强，灭弧速度快，从而延长接触器使用寿命。它的劣势也很明显：①结构相对复杂；②对于3块磁铁的相对位置有一定要求，生产时存在不便；③使用了3块磁铁，材料成本相对其他结构会更高一些；④质量上相对其他结构会更重。

图6 磁场分布图（前视图）

2.2 电极下面磁吹灭弧结构（无极性）

1）该结构的特点是在动触点下方的两侧放置两块磁性强弱相当且大小相同的磁铁，并且两块磁铁N极一个朝上一个朝下，它的目的是在动静触点接触的位置即电弧产生的位置，制造水平方向的磁场方向，使得电弧在电磁力的作用下向前或者向后吹出，从而起到快速熄灭电弧的作用。如图7所示。

图7 电极下面磁吹灭弧结构分布图

2）磁场分布：如图8所示，磁感线水平穿过动静触点间隙。以图7a为例，电流方向在竖直方向上，根据左手定则，电弧受到水平向前或向后的电磁力，然后打到灭弧罩上，从而被快速熄灭。当接入的电流方向改变时，电弧所受的洛伦兹力的方向仅仅是由水平向前变为水平向后，没有影响到灭弧的效果，因此称这种结构没有极性。

3）我们使用特斯拉计测量了该结构中的单块磁铁（磁铁材质为N45SH）产生的磁感应强度大小，单片中心表磁测试值为402～435mT。

4）结构优势与劣势。优势：①这种无极性的结构能够给使用者带来便利；②单块磁铁产生的磁场相对较强，灭弧效果较好。劣势：①这种结构对于灭弧罩内部空间大小有所要求，必须足够大，才能保证电弧不会在灭弧罩内来回跑；②磁铁需要设计防呆。

图8 磁场分布图（前视图）

2.3 两侧磁吹灭弧结构（无极性）

1）结构分析：在触点的两侧放置两块磁极朝向相同的方形磁铁，即使更改两块磁铁极性的朝向，只要保证两块磁铁的N极或者S极朝向相同，就可以使得电弧被快速向前或者向后吹出，达到快速灭弧的效果。如图9所示。

图9 两侧磁吹灭弧结构分布图

2）磁场分布：如图10所示，磁感线水平穿过动静触点间隙。以图9a为例，电流方向沿竖直方向，根据左手定则，电弧受到向前或向后的电磁力，电弧被迅速拉长，从而快速熄灭。若更改电流接入的方向，则触点两端的电弧所受电磁力分别反向，电弧依旧能被迅速拉长，并未影响灭弧效果，因此该结构无极性。

3）我们使用特斯拉计测量了该结构中单块磁铁（磁铁材质为N45SH）产生的磁感应强度大小，单片中心表磁测试值为320～340mT。

4）结构优劣势。优点：①这种无极性的结构设计可以给生产安装带来便利；②电弧被向前后两边空间较大的位置吹出，可以很好确保灭弧效果。劣势：①磁铁需要设计防呆；②磁铁被放置在左右两侧，磁铁的作用距离较远，会削弱磁铁的磁效应，使灭弧效果降低。

图10 磁场分布图（前视图）

2.4 L型磁吹灭弧结构（无极性）

1）结构分析：该结构的特点是使用4块相同的方形磁铁置于触点四周，4块磁铁的极性朝向如图11a所示，使电弧被向外吹出，从而被快速拉长而熄灭。

2）磁场分布分析：磁场分布如图12所示，在图11a左侧部分，根据图12的磁场分布图可知，在电弧产生部位的磁场方向大致将其看做水平倾斜一定角度向左（磁场方向即磁感线切线方向），电流方向沿竖直方向，将磁场方向分解成水平向前和水平向左，根据左手定则，电弧同时受到水平向左和水平向后的电磁力，被快速向外吹出，迅速熄灭。在图11a的右侧部分，磁场方向大致看做水平倾斜一定角度向右，将磁场方向分解成水平向后和水平向左，那么电弧同时受到水平向左和水平向后的电磁力。当更改接入的电流方向时，电弧受力反向，如图11b所示，并未影响灭弧效果，因此这种结构无极性。

图11 L型磁吹灭弧结构分布图

3）我们使用特斯拉计测量了该结构下单块磁铁（材质为N45SH）产生的磁感应强度大小，单片中心表磁测试值为260～280mT。

4）结构优劣势。优势：①无极性的设计，有很大的便利之处。②这种结构下磁场更加集中，产生磁效应更大，灭弧效果更好，通过电气寿命试验后发现，该结构下接触器的电气寿命（相比较其他的结构下的电气寿命）高出10%。劣势：①使用4块磁铁增加了产品的质量，成本有所提高；②磁铁需要设计防呆。

图12 磁场分布图（俯视图）

2.5 单磁铁中间磁吹灭弧结构（无极性）

1）结构分析：在该结构中，两静触点中间的位置放有一块磁铁，磁铁两极朝向为水平左右朝向，例如图13a中是N极朝左，S极朝右，动触点采用了U形的形状设计，是为了确保磁铁能有足够的位置可以放置，在这种结构中磁铁的磁场方向与电流方向成垂直或近似垂直的角度，可以在很大程度上确保灭弧效果。

图13 单磁铁中间磁吹灭弧结构分布图

2）磁场分布分析：如图14a所示，磁感线水平穿过动静触头之间的间隙，电弧的电流方向在竖直方向上，与磁场方向垂直，根据左手定则，电弧会受到水平向后或者向前的力，从而被快速吹出，达到快速灭弧的效果。当磁铁反方向安装时，磁场方向也反向，但是依然是水平穿过动静触头间的间隙，所以磁场方向与电弧电流方向依然是垂直的，没有影响灭弧效果，因此这种结构无极性。

3）我们使用特斯拉计测量了该结构下单块磁铁产生的磁感应强度大小，单片中心表磁测试值为530～560mT。

图14 磁场分布图

4）结构优劣势。优势：①不用考虑磁铁安装的极性方向，可以提高生产效率；②只需要使用一块普通的磁铁就可以实现灭弧的效果，大大降低了生产成本；③不仅结构简单，使用的磁铁产生的磁感应强度也够大，可以很好确保灭弧的效果。劣势：由于磁铁的特殊位置，动触片需要加工成特殊的形状来保证磁铁有足够的安装位置，因此存在加工难度，也会增加成本。

3 结论

通过阻性负载切换电气寿命测试发现，使用有极性的磁吹灭弧结构的接触器反向接入电流时，电弧会向两个电极之间聚集，灭弧效果会大大降低，反向电流阻性负载切换寿命只能达到正向电流阻性负载切换寿命的60%～70%；而设计成无极性的磁吹灭弧结构的接触器反向电流阻性负载切换寿命，灭弧效果几乎不受影响，电气寿命与正向电流的次数几乎相当。从用户使用便利度上考虑，无极性的磁吹灭弧结构更优；从灭弧效果角度考虑，L型磁吹灭弧结构（无极性）相对较好，通过试验表明，L型磁吹灭弧结构（无极性）下的接触器电气寿命更高；从结构简单程度和生产成本上看，单面磁吹灭弧结构（有极性）和单磁铁中间磁吹灭弧结构（无极性）相对最为简单且成本最低，但是其中单磁铁中间磁吹灭弧结构（无极性）灭弧效果更好，且用户使用更加便利；从生产效率上考虑，单磁铁中间磁吹灭弧结构（无极性）生产效率最高，不仅结构简单，且无需设计防呆。