夏 林, 遲長(zhǎng)春, 陳晉生

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院, 上海 201306)

隨著可再生能源投入使用比例增加、電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)占比上升,人們對(duì)直流電氣設(shè)備的需求逐步增加[1-3]。因此,直流接觸器的安全性和可靠性越來(lái)越受到研究人員的關(guān)注。直流接觸器導(dǎo)體回路的電動(dòng)斥力由導(dǎo)體間的電動(dòng)力和觸點(diǎn)之間的霍爾姆力組成[4]。在短路電流故障下,電動(dòng)斥力會(huì)使得觸頭回路斷開(kāi)。觸頭自動(dòng)斷開(kāi)后產(chǎn)生的強(qiáng)大電弧會(huì)使觸頭表面熔化和汽化,最終導(dǎo)致觸頭材料或觸頭熔焊[5]。同時(shí),直流接觸器的突然斷開(kāi)也會(huì)影響電路中其他設(shè)備的運(yùn)行。

對(duì)電動(dòng)斥力的優(yōu)化一直是電器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)斷路器、繼電器的電動(dòng)斥力及其影響因素做了大量研究[6-9],但是針對(duì)直流接觸器電動(dòng)斥力的研究很少。李興文等[10]研究了長(zhǎng)方形觸頭導(dǎo)電橋的位置對(duì)電動(dòng)斥力的影響,但是沒(méi)有分析圓形觸頭導(dǎo)電橋的位置對(duì)電動(dòng)斥力的影響。對(duì)于電動(dòng)斥力的優(yōu)化,許多學(xué)者采用改變觸頭結(jié)構(gòu)的方式[11-14]。董華軍等[15]在真空滅弧室的觸頭之中添加不同形狀的環(huán)形隔磁塊DT4,有效地減小了觸動(dòng)間的電動(dòng)斥力。陳晉生等[16]則通過(guò)添加方形隔磁塊的方式優(yōu)化電動(dòng)斥力,但沒(méi)有討論隔磁塊厚度對(duì)電動(dòng)斥力的影響。

處在磁場(chǎng)中的隔磁塊能夠產(chǎn)生與該磁場(chǎng)相反的磁場(chǎng),可以削弱磁場(chǎng),進(jìn)而減小電動(dòng)斥力。本文將用于電動(dòng)汽車(chē)充電樁、充電站領(lǐng)域的NDZ3T-400/750 V直流接觸器作為研究對(duì)象,利用電磁仿真軟件ANSYS對(duì)其觸頭系統(tǒng)在不同短路電流下產(chǎn)生的電動(dòng)斥力進(jìn)行研究。仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn),導(dǎo)電橋在不同位置時(shí)的電動(dòng)斥力不同;當(dāng)電流小于4 k A時(shí)選取厚度為1.5 mm 的方形隔磁塊較為合適,當(dāng)電流大于4 k A 則選擇厚度為4 mm 的方形隔磁塊;厚度相同的情況下,U 形隔磁塊的優(yōu)化效果要明顯強(qiáng)于方形隔磁塊。

1 觸頭系統(tǒng)電動(dòng)斥力的數(shù)學(xué)模型和仿真

1.1 直流接觸器的電動(dòng)斥力

直流接觸器可以通過(guò)控制線(xiàn)圈電流的通斷,使得聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng),進(jìn)而控制電路的通斷,其主要由動(dòng)鐵芯、靜鐵芯、線(xiàn)圈、動(dòng)觸頭、靜觸頭等組成,如圖1所示。線(xiàn)圈通電后,動(dòng)觸頭和靜觸頭接觸,當(dāng)直流接觸器控制的電路短路時(shí),動(dòng)觸頭、靜觸頭以及動(dòng)觸板上的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)激增,進(jìn)而導(dǎo)體回路的電動(dòng)斥力也會(huì)大幅增加。在動(dòng)觸板上的平面上可以放置削弱磁場(chǎng)的隔磁塊,從而降低電動(dòng)斥力。

圖1 直流接觸器的結(jié)構(gòu)

導(dǎo)體回路垂直方向的電動(dòng)斥力FC由導(dǎo)體間的電動(dòng)力FL和觸點(diǎn)之間的霍爾姆力FH組成。工程上通常采用比奧 沙伐定理計(jì)算電動(dòng)力?？蓪⒂|頭系統(tǒng)中的各個(gè)導(dǎo)體看作處于同一平面上,則電動(dòng)力計(jì)算公式為

式中:μ0 為空氣磁導(dǎo)率,μ0=4π×0.1μH/m;I為流過(guò)觸頭系統(tǒng)的電流;Kh為回路系數(shù),與載流導(dǎo)體的長(zhǎng)度、導(dǎo)體間的相互位置、導(dǎo)體間的介質(zhì)有關(guān),不同的情形下,回路系數(shù)會(huì)不同。

將觸頭機(jī)構(gòu)的回路導(dǎo)體簡(jiǎn)化為兩個(gè)互相平行的導(dǎo)體并垂直于另一條導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)。對(duì)于兩個(gè)互相垂直的有限長(zhǎng)載流導(dǎo)體,回路系數(shù)表達(dá)式為

式中:l為靜觸頭長(zhǎng)度;d為動(dòng)觸板長(zhǎng)度;R為靜觸頭的半徑。

本文接觸器l=115 mm,d=25.5 mm,R=5.5 mm,由于R?l,則Kh簡(jiǎn)化為

簡(jiǎn)化的觸頭系統(tǒng)中電流流入的觸頭和動(dòng)觸板為互相垂直的兩個(gè)導(dǎo)體,電流流出的觸頭和動(dòng)觸板也是互相垂直的兩個(gè)導(dǎo)體,水平導(dǎo)體受到的總電動(dòng)力為

由于在觸點(diǎn)附近,電流線(xiàn)收縮,上下兩個(gè)觸頭之間會(huì)產(chǎn)生相反的電動(dòng)力,簡(jiǎn)稱(chēng)為霍爾姆力。兩對(duì)動(dòng)靜觸頭之間受到的霍爾姆力計(jì)算公式如下[17]:

式中:Fk為觸頭間的預(yù)壓縮力;H為觸頭材料的布氏硬度;ξ為觸頭表面的粗糙程度,通常情況下取ξ=0.45。

通過(guò)公式求得r=0.26 mm。

1.2 隔磁塊工作原理簡(jiǎn)介

隔磁塊被磁化時(shí),磁化強(qiáng)度表達(dá)式為

式中:Δv為磁化物質(zhì)的微小單元的體積;Δm為微小部分中磁化電流的磁矩。

當(dāng)隔磁塊處于磁場(chǎng)H0之中時(shí),會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的附加磁場(chǎng)H′,其表示如下:

式中:χm為磁化率;μrDT4 為DT4的相對(duì)磁導(dǎo)率。

附加磁場(chǎng)的方向與外部磁場(chǎng)的方向相反,從而削弱了隔磁塊附近的磁場(chǎng)。隔磁塊周?chē)拇艌?chǎng)表達(dá)式為

此時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度表達(dá)式為

式中:μr 為導(dǎo)電介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率。

利用隔磁塊削弱觸頭系統(tǒng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度,從而降低導(dǎo)體回路所受的電動(dòng)斥力。通過(guò)改變隔磁塊的厚度和形狀,確定不同參數(shù)下的隔磁塊對(duì)電動(dòng)斥力的影響。

1.3 觸頭系統(tǒng)的有限元建模

在ANSYS軟件中建立直流接觸器的觸頭系統(tǒng),模型如圖2(a)所示,其中隔磁塊放置在動(dòng)觸板的中間。對(duì)動(dòng)靜觸頭之間的導(dǎo)電橋單獨(dú)建模,如圖2(b)所示。假設(shè)導(dǎo)電橋是半徑為r的圓形區(qū)域,R為靜觸頭的半徑。一般導(dǎo)電橋的厚度在0.10～0.25 mm,這里取厚度為0.15 mm[18]。

圖2 觸頭系統(tǒng)模型及導(dǎo)電橋模型

設(shè)定該直流接觸器的動(dòng)靜觸頭、導(dǎo)電橋等參與導(dǎo)電的材料為銅,放置在動(dòng)觸板上的隔磁塊材料為DT4。模型搭建完成后,設(shè)置計(jì)算邊界為零切線(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度場(chǎng),并在觸頭表面施加短路電流激勵(lì)。劃分模型網(wǎng)格后,在動(dòng)觸板上設(shè)定求解參數(shù),即動(dòng)觸板所受的電動(dòng)斥力,求解后得到仿真結(jié)果。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 模型仿真計(jì)算驗(yàn)證

為了確保模型的可靠性,對(duì)直流接觸器的觸頭系統(tǒng)在不同短路電流下的電流電動(dòng)斥力進(jìn)行理論計(jì)算,并與實(shí)際的有限元仿真結(jié)果對(duì)比,結(jié)果如圖3所示。

圖3 電動(dòng)斥力(F)的理論值和仿真值對(duì)比

由圖3可知,總體上看,理論值和仿真值的計(jì)算結(jié)果相近,當(dāng)短路電流變大后,理論值和仿真值的差異逐漸增大,這是因?yàn)槔碚撚?jì)算結(jié)果是根據(jù)接觸器的觸頭系統(tǒng)簡(jiǎn)化后得來(lái)的,只能大致體現(xiàn)電動(dòng)斥力的變化,而有限元?jiǎng)t是對(duì)實(shí)際的觸頭系統(tǒng)進(jìn)行建模,計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。

2.2 導(dǎo)電橋所在位置對(duì)電動(dòng)斥力的影響

假設(shè)每個(gè)靜觸頭上只存在一個(gè)導(dǎo)電橋,按照?qǐng)D4中位置1～7號(hào)分別放置,其中4號(hào)位置處于觸頭的圓心,剩余的位置沿X軸分布在距離4號(hào)±1 mm,±2.5 mm,±4 mm 的位置。由于市場(chǎng)上直流接觸器的短時(shí)耐受電流最高為8 k A,故限定仿真中短路電流最高為8 k A。設(shè)置短路電流I=8 k A,則電動(dòng)斥力的結(jié)果如表1所示。

圖4 導(dǎo)電橋位置分布

表1 不同位置導(dǎo)電橋的電動(dòng)斥力

由表1可知,離動(dòng)觸板中心越近,觸頭系統(tǒng)的電動(dòng)斥力就越小,反之越大。位置1的電動(dòng)斥力最小,位置7的電動(dòng)斥力最大。

2.3 不同位置下方形隔磁塊對(duì)電動(dòng)斥力的影響

將12 mm×12 mm×1 mm 的方形隔磁塊放置在動(dòng)觸板上,隔磁塊的中心和動(dòng)觸板的中心重合。設(shè)降幅比例的計(jì)算公式為

式中:FC為不放置隔磁塊的電動(dòng)斥力;F′C為放置隔磁塊后的電動(dòng)斥力。

電流為2、4、6和8 k A 時(shí),仿真結(jié)果以及相應(yīng)降幅比例計(jì)算如表2所示。

表2 不同位置下方形隔磁塊對(duì)電動(dòng)斥力的降幅比例

由表2可知,當(dāng)導(dǎo)電橋處于位置4或者7時(shí),方形隔磁塊在不同的短路電流下都能一定程度上減小電動(dòng)斥力。在相同短路電流下,不同位置的降幅比相差小于5%,且降幅趨勢(shì)相同。因此,為了便于仿真,選擇處于位置4的導(dǎo)電橋模型進(jìn)行仿真。

2.4 不同厚度的隔磁塊對(duì)電動(dòng)斥力的影響

改變方形隔磁塊厚度h從1.0～4.5 mm,間隔為0.5 mm,仿真數(shù)據(jù)如表3所示。由表可知,短路電流不變的情況下,隨著隔磁塊厚度的增加,電動(dòng)斥力也有所下降,但是下降的趨勢(shì)越來(lái)越平緩?？紤]到觸頭的壓力為30 N,當(dāng)短路電流小于4 k A時(shí),無(wú)論選擇哪一種厚度的隔磁塊都能減小電動(dòng)斥力。

表3 不同厚度、不同電流下的方形隔磁塊的電動(dòng)斥力

設(shè)降幅變化率為

式中:ηh-為沒(méi)有增加0.5 mm 隔磁塊時(shí)對(duì)應(yīng)的電動(dòng)斥力降幅比例;ηh 為當(dāng)前隔磁塊厚度下的電動(dòng)斥力降幅比例。

特別地,當(dāng)h=1 mm 時(shí),取Δη=ηh,對(duì)應(yīng)的電動(dòng)斥力降幅變化率曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 不同厚度的方形隔磁塊的電動(dòng)斥力降幅變化率

由圖5可知,當(dāng)短路電流小于4 k A時(shí),厚度大于1.5 mm 的隔磁塊降幅的效果趨于平緩,即隔磁塊的厚度再增加也不會(huì)有明顯的電動(dòng)斥力優(yōu)化效果,故選擇厚度為1.5 mm 的隔磁塊較為合適。同理,當(dāng)短路電流大于4 k A 時(shí),隔磁塊越厚,電動(dòng)斥力越小,但是當(dāng)厚度達(dá)到4 mm 后,電動(dòng)斥力下降的趨勢(shì)越來(lái)越平緩。因此,當(dāng)短路電流大于4 k A時(shí),選擇厚度為4 mm 的隔磁塊較為合適。

2.5 U形隔磁塊對(duì)電動(dòng)斥力的影響

為了解決方形隔磁塊隨著厚度增加,電動(dòng)斥力不再明顯的問(wèn)題,對(duì)隔磁塊進(jìn)行改造。由于動(dòng)觸板中心的磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較小,而越靠近動(dòng)觸板邊緣以及導(dǎo)電橋的位置時(shí),磁場(chǎng)強(qiáng)度越大。根據(jù)動(dòng)觸板磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布,設(shè)計(jì)U 型隔磁塊,如圖6所示,覆蓋動(dòng)觸板的邊緣。

圖6 U形隔磁塊擺放示意圖

確定短路電流小于4 k A、厚度h=1.5 mm 與短路電流大于4 k A、厚度h=4 mm 的U 型隔磁塊對(duì)電動(dòng)斥力的仿真效果,仿真結(jié)果如表4所示。

表4 不同條件下方形隔磁塊和U形隔磁塊的電動(dòng)斥力

結(jié)合圖3中的仿真值,計(jì)算方形隔磁塊和U形隔磁塊在不同條件下對(duì)電動(dòng)斥力的降幅比例,計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同厚度下方形和U形隔磁塊的降幅比例

由圖7可知,當(dāng)電流小于4 k A 時(shí),1.5 mm 的U 型隔磁塊的優(yōu)化效果比1.5 mm 的方形隔磁塊更優(yōu),并且U 型隔磁塊的降幅比例至少比方形隔磁塊的降幅比例多11.51%;當(dāng)電流大于4 k A 時(shí),4 mm 的U 型隔磁塊的優(yōu)化效果要強(qiáng)于4 mm 的方形隔磁塊,并且U 型隔磁塊的降幅比例至少比方形隔磁塊的降幅比例多14.01%。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)直流接觸器的觸頭系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,在ANSYS之中建立觸頭系統(tǒng)的Maxwell 3D 模型。改變了靜觸頭上導(dǎo)電橋的位置,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電橋離動(dòng)觸板中心越遠(yuǎn),觸頭系統(tǒng)的電動(dòng)斥力就越強(qiáng)。當(dāng)短路電流小于4 k A 時(shí),選擇厚度為1.5 mm 的方形隔磁塊可以取得較好的電動(dòng)斥力優(yōu)化效果;當(dāng)短路電流大于4 k A 時(shí),則選擇厚度為4 mm 的方形隔磁塊。在隔磁塊厚度相同,短路電流相同的條件下,U 形隔磁塊的優(yōu)化效果要強(qiáng)于方形隔磁塊,且電動(dòng)斥力的降幅比例至少比方形隔磁塊的降幅比例多10%。本文通過(guò)研究隔磁塊厚度和形狀,提高了直流接觸器的短時(shí)電流耐受能力,增強(qiáng)了直流接觸器在短路電路下的安全性和可靠性,為后續(xù)相同類(lèi)型更大容量的直流接觸器的電動(dòng)力穩(wěn)定性?xún)?yōu)化研究提供了參考依據(jù)。