新能源電動汽車用高壓接觸器的磁吹滅弧技術與結構

萬 建，應欣曉，李 萍，莊道建

（1.浙江環方汽車電器有限公司，浙江 臺州 317607；2.浙江省環方電氣控制技術研究院，浙江 臺州 317607）

高壓接觸器廣泛使用于新能源電動汽車、無人機、充電樁，以及蓄電池供電、變頻器電容預充電、直流功率控制、電路保護及其他電動車輛（電動叉車）的電源開關控制，同時廣泛用于不間斷電源等電控系統［1-2］。高壓接觸器在高能量使用環境下，電弧冷卻和熄滅得快，觸頭燒蝕就變慢［3］。常規的直流接觸器等開關由于直流不過零的原因產生電弧難以熄滅，一般使用在DC100V以下的電壓系統中。我們公司采用了“氫氣+惰性氣體+磁吹”的新型滅弧技術解決DC100V以上高壓直流接觸器電弧熄滅問題。

傳統接觸器的觸頭區域為空氣，空氣極易被電離生弧，高壓接觸器將觸頭密封在一密封的腔體內并充入氫氣為主+惰性氣體的混合氣體，為接觸的觸點提供了穩定的接通和分斷環境，這種環境消除了氧化作用，不容易被電離，電弧冷卻速度快，也不容易燃燒產生污染物影響滅弧［4］。另外，在接觸的觸點兩側增加耐高溫磁鐵，產生相應的磁場，使電弧在洛倫茲力的作用下，迅速被拉長，極大縮短了電弧熄滅的時間，本文將討論各種狀態下磁吹結構和效果［5-7］。

1 負載有極性磁吹滅弧結構

1.1 雙面磁吹滅弧結構（有極性）

1）結構分析：如圖1a所示，在該結構中，在動靜觸點的前后，平行放置有兩塊N極朝向相同并且磁性強弱相當的方形磁鐵，從而形成如圖2所示的磁場，使得電弧在洛倫茲力的作用下被迅速拉長而熄滅。

圖1 雙面磁吹滅弧結構分布圖

2）磁場分布分析：如圖2所示，磁感線水平穿過動靜觸點間的間隙，從后方的方形磁鐵的N極出發，回到前面的方形磁鐵的S極，動靜觸點的接觸點的電流一個豎直向上一個豎直向下，根據左手定則，從圖1a可以得出，電弧受力分別朝向左右兩邊相反的方向，繼而電弧被迅速拉長而熄滅。當電流反向接入時，如圖1b所示，此時電弧反向受力，并向兩個電極之間聚集，有可能會造成二次燃弧，從而縮短接觸器的電氣壽命，因此這種結構存在極性。

3）在磁吹滅弧結構中，磁鐵產生的磁場大小直接影響滅弧效果，在相同結構下，磁場越強，滅弧效果越好。在物理學上，磁場強弱用磁感應強度來表示。特斯拉計可以通過霍爾元件檢測磁性材料或物體產生的磁感應強度，因此我們使用特斯拉計測量了該結構下單塊磁鐵（磁鐵材質為N35H）產生磁感應強度大小，單片中心表磁測試值為326～350mT。

4）結構優勢與劣勢：優點：磁鐵產生的磁感應強度足夠，并且結構合理，可以快速拉長電弧，極大地縮短電弧熄滅的時間，減少對觸點表面的燒灼，提高接觸器的使用壽命。劣勢：①存在極性，如果用戶在使用過程中將負載反向接入了，不僅大大降低了滅弧效果，并且通過阻性負載電氣壽命測試發現接觸器壽命會降低到負載正向接入時電氣壽命的60%；②磁鐵需要設計防呆，因為如果磁鐵安裝反向，同樣會造成電弧聚集，滅弧效果差，導致接觸器電氣壽命降低。

圖2 磁場分布圖（俯視圖）

1.2 單面磁吹滅弧結構（有極性）

1）該結構的特點是在動靜觸點的前面只放置一塊方形磁鐵，但是同樣可以達到滅弧的效果，如圖3a所示。

2）磁場分布分析。如圖4所示，只有一塊方形磁鐵放置其中，在電弧產生處的磁場方向基本可以看作水平向前，電流方向如圖3a接入，電弧產生時的電流方向在豎直方向上，根據左手定則，兩端的電弧分別會受到左右兩邊相反方向的電磁力，因此電弧會被拉長，進而快速熄滅。該結構存在極性：如果電流反向接入如圖3b所示，那么電弧受到的電磁力就會反向，此時電弧會向兩個電極之間聚集，有可能會造成二次燃弧，滅弧效果降低，從而縮短接觸器的電氣壽命。

圖3 單面磁吹滅弧結構分布圖

3）我們使用特斯拉計測量了該結構中的單塊磁鐵（磁鐵材料為N35H）產生的磁感應強度大小，單片中心表磁測試值為320～350mT。

4）結構優勢與劣勢。與雙面磁吹滅弧結構相比，優勢：結構簡單，更加節省材料和成本。劣勢：①滅弧效果相對差一些；②由于存在極性，用戶在使用過程中存在不便利；③需要設計磁鐵防呆。

圖4 磁場分布圖（俯視圖）

2 負載無極性磁吹滅弧結構

2.1 中間磁吹滅弧結構（無極性）

1）該結構的特點是在觸點左右兩側放置兩塊方形磁鐵，在觸點下方放一塊環形磁鐵，通過這3塊磁鐵的磁場相互作用，使得電弧在電磁力的作用下被快速向前或者向后吹出而冷卻下來，達到快速滅弧的效果。研發設計時對3塊磁鐵的磁極位置和方向有一定的要求，以圖5a為例，假如下方的環形磁鐵N極朝上，那么兩側的方形磁鐵相對的兩個面必須是S極，目的是使得從環形磁鐵N極出發的磁感線能回到方形磁鐵的S極，從而擴大下方的環形磁鐵的影響范圍，反之，N極朝下也是同樣的效果。

2）磁場分布分析：如圖6所示，在電弧產生處磁場方向可以看作沿水平方向指向兩側，電流方向沿著豎直方向，根據左手定則，如圖5a所示，電弧受力水平向后，因而電弧在電磁力作用下然后打到滅弧罩的壁上并且快速熄滅。當電流反向接入，由圖5b可以看出，電弧所受的電磁力只是由向后變成了向前，滅弧效果并未受到影響，因此這種結構沒有極性。如圖5c所示，同時改變3塊磁鐵的極性朝向，磁場方向反向，電流方向不變，根據左手定則，電弧受力由向后變成向前，滅弧效果不受影響。

圖5 中間磁吹滅弧結構分布圖

3）我們使用特斯拉計分別測量了該結構中的3塊磁鐵產生的磁感應強度大小，左右兩塊方形磁鐵（磁鐵材質為鋁鎳鈷LN10）的磁感應強度基本相同，單片中心表磁測試值為25～40mT，下方環形磁鐵（磁鐵材質為釤鈷BTS18/19）單片中心表磁測試值為250～265mT。

4）結構優勢與劣勢。優勢：①無極性的結構設計對于使用者有著極大的便利之處；②下方環形磁鐵的磁場強度足夠強，滅弧速度快，從而延長接觸器使用壽命。它的劣勢也很明顯：①結構相對復雜；②對于3塊磁鐵的相對位置有一定要求，生產時存在不便；③使用了3塊磁鐵，材料成本相對其他結構會更高一些；④質量上相對其他結構會更重。

圖6 磁場分布圖（前視圖）

2.2 電極下面磁吹滅弧結構（無極性）

1）該結構的特點是在動觸點下方的兩側放置兩塊磁性強弱相當且大小相同的磁鐵，并且兩塊磁鐵N極一個朝上一個朝下，它的目的是在動靜觸點接觸的位置即電弧產生的位置，制造水平方向的磁場方向，使得電弧在電磁力的作用下向前或者向后吹出，從而起到快速熄滅電弧的作用。如圖7所示。

圖7 電極下面磁吹滅弧結構分布圖

2）磁場分布：如圖8所示，磁感線水平穿過動靜觸點間隙。以圖7a為例，電流方向在豎直方向上，根據左手定則，電弧受到水平向前或向后的電磁力，然后打到滅弧罩上，從而被快速熄滅。當接入的電流方向改變時，電弧所受的洛倫茲力的方向僅僅是由水平向前變為水平向后，沒有影響到滅弧的效果，因此稱這種結構沒有極性。

3）我們使用特斯拉計測量了該結構中的單塊磁鐵（磁鐵材質為N45SH）產生的磁感應強度大小，單片中心表磁測試值為402～435mT。

4）結構優勢與劣勢。優勢：①這種無極性的結構能夠給使用者帶來便利；②單塊磁鐵產生的磁場相對較強，滅弧效果較好。劣勢：①這種結構對于滅弧罩內部空間大小有所要求，必須足夠大，才能保證電弧不會在滅弧罩內來回跑；②磁鐵需要設計防呆。

圖8 磁場分布圖（前視圖）

2.3 兩側磁吹滅弧結構（無極性）

1）結構分析：在觸點的兩側放置兩塊磁極朝向相同的方形磁鐵，即使更改兩塊磁鐵極性的朝向，只要保證兩塊磁鐵的N極或者S極朝向相同，就可以使得電弧被快速向前或者向后吹出，達到快速滅弧的效果。如圖9所示。

圖9 兩側磁吹滅弧結構分布圖

2）磁場分布：如圖10所示，磁感線水平穿過動靜觸點間隙。以圖9a為例，電流方向沿豎直方向，根據左手定則，電弧受到向前或向后的電磁力，電弧被迅速拉長，從而快速熄滅。若更改電流接入的方向，則觸點兩端的電弧所受電磁力分別反向，電弧依舊能被迅速拉長，并未影響滅弧效果，因此該結構無極性。

3）我們使用特斯拉計測量了該結構中單塊磁鐵（磁鐵材質為N45SH）產生的磁感應強度大小，單片中心表磁測試值為320～340mT。

4）結構優劣勢。優點：①這種無極性的結構設計可以給生產安裝帶來便利；②電弧被向前后兩邊空間較大的位置吹出，可以很好確保滅弧效果。劣勢：①磁鐵需要設計防呆；②磁鐵被放置在左右兩側，磁鐵的作用距離較遠，會削弱磁鐵的磁效應，使滅弧效果降低。

圖10 磁場分布圖（前視圖）

2.4 L型磁吹滅弧結構（無極性）

1）結構分析：該結構的特點是使用4塊相同的方形磁鐵置于觸點四周，4塊磁鐵的極性朝向如圖11a所示，使電弧被向外吹出，從而被快速拉長而熄滅。

2）磁場分布分析：磁場分布如圖12所示，在圖11a左側部分，根據圖12的磁場分布圖可知，在電弧產生部位的磁場方向大致將其看做水平傾斜一定角度向左（磁場方向即磁感線切線方向），電流方向沿豎直方向，將磁場方向分解成水平向前和水平向左，根據左手定則，電弧同時受到水平向左和水平向后的電磁力，被快速向外吹出，迅速熄滅。在圖11a的右側部分，磁場方向大致看做水平傾斜一定角度向右，將磁場方向分解成水平向后和水平向左，那么電弧同時受到水平向左和水平向后的電磁力。當更改接入的電流方向時，電弧受力反向，如圖11b所示，并未影響滅弧效果，因此這種結構無極性。

圖11 L型磁吹滅弧結構分布圖

3）我們使用特斯拉計測量了該結構下單塊磁鐵（材質為N45SH）產生的磁感應強度大小，單片中心表磁測試值為260～280mT。

4）結構優劣勢。優勢：①無極性的設計，有很大的便利之處。②這種結構下磁場更加集中，產生磁效應更大，滅弧效果更好，通過電氣壽命試驗后發現，該結構下接觸器的電氣壽命（相比較其他的結構下的電氣壽命）高出10%。劣勢：①使用4塊磁鐵增加了產品的質量，成本有所提高；②磁鐵需要設計防呆。

圖12 磁場分布圖（俯視圖）

2.5 單磁鐵中間磁吹滅弧結構（無極性）

1）結構分析：在該結構中，兩靜觸點中間的位置放有一塊磁鐵，磁鐵兩極朝向為水平左右朝向，例如圖13a中是N極朝左，S極朝右，動觸點采用了U形的形狀設計，是為了確保磁鐵能有足夠的位置可以放置，在這種結構中磁鐵的磁場方向與電流方向成垂直或近似垂直的角度，可以在很大程度上確保滅弧效果。

圖13 單磁鐵中間磁吹滅弧結構分布圖

2）磁場分布分析：如圖14a所示，磁感線水平穿過動靜觸頭之間的間隙，電弧的電流方向在豎直方向上，與磁場方向垂直，根據左手定則，電弧會受到水平向后或者向前的力，從而被快速吹出，達到快速滅弧的效果。當磁鐵反方向安裝時，磁場方向也反向，但是依然是水平穿過動靜觸頭間的間隙，所以磁場方向與電弧電流方向依然是垂直的，沒有影響滅弧效果，因此這種結構無極性。

3）我們使用特斯拉計測量了該結構下單塊磁鐵產生的磁感應強度大小，單片中心表磁測試值為530～560mT。

圖14 磁場分布圖

4）結構優劣勢。優勢：①不用考慮磁鐵安裝的極性方向，可以提高生產效率；②只需要使用一塊普通的磁鐵就可以實現滅弧的效果，大大降低了生產成本；③不僅結構簡單，使用的磁鐵產生的磁感應強度也夠大，可以很好確保滅弧的效果。劣勢：由于磁鐵的特殊位置，動觸片需要加工成特殊的形狀來保證磁鐵有足夠的安裝位置，因此存在加工難度，也會增加成本。

3 結論

通過阻性負載切換電氣壽命測試發現，使用有極性的磁吹滅弧結構的接觸器反向接入電流時，電弧會向兩個電極之間聚集，滅弧效果會大大降低，反向電流阻性負載切換壽命只能達到正向電流阻性負載切換壽命的60%～70%；而設計成無極性的磁吹滅弧結構的接觸器反向電流阻性負載切換壽命，滅弧效果幾乎不受影響，電氣壽命與正向電流的次數幾乎相當。從用戶使用便利度上考慮，無極性的磁吹滅弧結構更優；從滅弧效果角度考慮，L型磁吹滅弧結構（無極性）相對較好，通過試驗表明，L型磁吹滅弧結構（無極性）下的接觸器電氣壽命更高；從結構簡單程度和生產成本上看，單面磁吹滅弧結構（有極性）和單磁鐵中間磁吹滅弧結構（無極性）相對最為簡單且成本最低，但是其中單磁鐵中間磁吹滅弧結構（無極性）滅弧效果更好，且用戶使用更加便利；從生產效率上考慮，單磁鐵中間磁吹滅弧結構（無極性）生產效率最高，不僅結構簡單，且無需設計防呆。