陈 晨，迟长春

（上海电机学院电气学院，上海 201306）

随着直流输电技术的迅速发展，作为直流输电技术中重要电器元件的直流接触器备受关注。与交流接触器的周期性过零点灭弧相比，直流接触器的灭弧相对困难得多，因此直流接触器通常都采用“磁吹弧”装置［1］。随着新能源的大力发展，直流接触器被广泛应用于新能源汽车、充电桩等设备中，但在电路发生短路故障时会产生很大的短路冲击电流，直流接触器的动静触头会由于过大的电动斥力而斥开，从而影响电路的其他元件正常工作，甚至会造成无法预知的严重后果。

本文对直流接触器触头系统中的永磁体进行研究，通过电磁仿真软件Maxwell分析不同排布方式下的永磁体，对灭弧能力和短时耐受电流的影响，为后续直流接触器的研究设计提供依据。

1 基础理论

直流接触器主要由铁芯、线圈、触头、灭弧装置等部分组成，其主要结构如图1所示。

图1 直流接触器结构图

直流接触器的工作原理：线圈在接通直流电后产生磁场，其方向可根据右手螺旋定则确定，从而使得静铁芯产生电磁吸力，并吸引动铁芯向上运动，由轴带着动触板向上靠近静触头，一直到动静触头相互接触，构成闭合回路；当直流接触器的线圈断开电流时，产生的磁场消失，则动铁芯受到的电磁吸力也消失，动静触头由于动触板向下运动而分开，闭合回路断开。

1.1 电动斥力

电流产生磁场，而载流导体若处在磁场中将会受到力的作用，载流导体之间的相互作用力就是电动力［2］，且电流方向相同时就会相吸，方向相反则相斥［3］。电动力的大小与电流有关，在电路发生短路时，其短路电流会很大，产生的电动力也会相当大，从而使得闭合的触头斥开，触头斥开的一瞬间产生电弧，电弧将触头熔焊，因此须考虑电动力的问题。对直流接触器触头系统的电动力进行分析，掌握其特点，充分利用其特性提高性能。

在触头间流过大电流时，在其回路中会产生很大的电动力，该电动力会将触头斥开，使触头在应该闭合的时候分开，产生误动作，从而破坏触头的工作，这种电动力被称为电动斥力。若触头间的电动斥力小于触头的终压力，那么触头可以继续保持闭合状态，从而保证其能正常工作，但是如果触头间的电动斥力大于触头的终压力，那么触头就会斥开［4］。电动斥力主要由两部分组成，如图2所示，一种是触头回路间产生的电动力，即洛伦兹力；另一种是触头的接触点附近因电流线收缩产生的电动力，即霍姆力［5-6］。

图2 动触板所受电动力

由图2可知，电动斥力为

式中：FL为触头间的洛伦兹力；FH为触头间的霍姆力；μ0为真空中的磁导率；I为流过触头的电流；r为导电斑点（接触点）的半径；R为动静触头的等效半径。

电动斥力中的霍姆力是由于动静触头间导电斑点处的电流收缩现象而产生的［7］，其大小与触头间预压力、触头材料的布氏硬度等有关［8］。

1.2 电弧

电弧是气体放电的一种形式［9］，电弧形成主要有以下因素：强电场发射、热电子发射、碰撞游离、热游离，但是电弧形成实际是个连续的过程。开关电器开断电路时，其电压电流在达到一定值后，动触头和静触头的分开瞬间会产生电弧，并且只有当电弧完全熄灭后，整个电路才完全断开［10］。有的电弧会长时间存在而不熄灭，造成难以预计的损失，甚至影响到人身财产安全［11］。

交流中的电弧有周期过零点，有助于控制电弧电压和电弧温度，但是直流中的电弧没有该特性［12］。针对提高直流中快速熄灭电弧的问题，“磁吹弧”是目前使用最多的一种方法，该方法利用磁场对电流的作用力熄灭电弧［13］，本文利用直流接触器系统中的永磁体产生电弧力吹灭电弧。

2 有限元模型

有限元分析法是近年来得到广泛应用的一种数值分析技术，由计算机技术和数值分析方法发展起来，并广泛运用于机械制造、土木工程、电气工程、材料科学、汽车能源等科学技术领域和工程实际问题中［14］。其中的电磁仿真软件Maxwell得到广泛应用，其可以进行电场、磁场、涡流场等仿真计算。

由于直流接触器触头系统内部较为复杂，在Maxwell中无法建模，需要通过三维建模软件SolidWorks搭建直流接触器触头系统的简化模型，包括静触头、动触板、动静触头上的银点、导电斑点、磁轭，并将其导入电磁仿真软件Maxwell中，其模型如图3所示。

图3 直流接触器触头系统简化模型

通过在动、静触头的银点之间建立圆柱导电桥模型模拟导电斑点［15-16］，导电斑点的半径为

式中：Fk为触头之间的预压缩力；ξ为触头的表面系数，表示触头的表面接触情况，一般取值范围为0.3～0.6，本文取0.45；H为触头材料的布氏硬度。

通过式（3）求得其导电斑点的半径［17］，导电桥的模型如图4所示，其高度一般在0.10～0.25 mm，这里取0.15 mm。

图4 导电桥模型

动静触头和导电斑的材料为铜（Cu），银点的材料为银（Ag），磁轭的材料为DT 4，磁化曲线如图5所示。

图5 DT4的磁化曲线

对于仿真计算电弧力大小的模型，需要通过SolidWorks软件在直流接触器触头系统的动、静银点之间画电弧块模拟电弧，其模型如图6所示。弧根部的厚度小一点，中间部分厚度大一点，将其导入到Maxwell中，电弧块受到的力就是电弧力。

图6 电弧模型

3 仿真计算

本文主要在图7所示的4种永磁体排布方式下进行仿真分析，永磁体都是贴着磁轭放置的。方案1是将两块矩形永磁体放置在动静触头的前后，并且其磁性是N极与N极相对的；方案2是在方案1的基础上，将下面一块永磁体的磁性反过来，即N极和S极相对；方案3是在方案2的基础上，将一整块矩形永磁体分成两块正方形的永磁体，即由原来的两块永磁体变成4块永磁体；方案4是在动静触头的两边分别放置一块永磁体。

图7 永磁体排布方式

3.1 电动斥力仿真计算

通过电磁软件Maxwell仿真计算4种不同方案下的电动斥力，其中永磁体材料为钕铁硼，其相对磁导率为1，电导率为625 kS/m，矫顽力为-860 kA/m，在触头间通过1～8 kA的电流，其仿真结果如表1所示。

表1 不同方案的电动斥力大小

由于4种方案的差距较小，为了能够更好地对比不同方案下电动斥力大小的变化情况，将数据转换到曲线图，如图8所示。

由图8可知，随着电流的不断增大，方案1、方案4的电动斥力更小，方案2的电动斥力最大，方案3的居于中间，说明方案1、方案4的永磁体排布方式对减小电动斥力的效果更好，使其在通过短路电流时，能承受更大的短路电流而不斥开。

图8 不同方案电动斥力F大小的折线图

3.2 电弧力仿真计算

由于在触头系统中放置永磁体的主要目的是为了吹灭电弧，故在考虑其对电动斥力的影响的同时，还要考虑4种方案对吹弧效果的影响。通过左手螺旋定则，可以判断出4种方案下电弧力的方向，如图9所示。

由图9可知，永磁体磁场实际产生的电弧力应指向没有放置永磁体的方向，使得灭弧效果更好。因此，方案1的磁吹电弧效果不如其他3个方案好。

图9 永磁体电弧力方向

通过Maxwell软件仿真计算在触头中通过电流为1 kA情况下4种方案的电弧力大小，其数据如表2所示。

表2 不同方案的电弧力大小 mN

从电弧力的大小来看，方案2、方案3的吹弧能力明显要强于方案1、方案4，电弧力越大，其吹灭电弧的速度越快，灭弧效果越好，因此方案2、方案3的灭弧效果更好。

3.3 仿真结果分析

从电动斥力和电弧力两个角度综合考虑，即从表1、表2和图8综合对比可知，方案3的电动斥力虽然不如方案1、方案4的电动斥力那么小，但却比方案2的电动斥力小，并且方案3的电弧力明显要大于方案1、方案4的电弧力，且其磁吹弧的方向与永磁体所在的方向不同。综合考虑下来，方案3的永磁体排布方式更好。

4 结 论

本文主要研究直流接触器中永磁体对直流接触器的短时耐受电流和灭弧效果的影响，通过SolidWorks软件搭建触头系统的简化模型，并通过电磁仿真软件Maxwell对其进行电动斥力和电弧力的仿真计算，对结果对比分析可得出，提高短时耐受电流和灭弧效果的最优方案，为以后进一步对直流接触器的设计优化提供了理论依据。