電動汽車用直流接觸器的電動斥力仿真及優化

陳 晨， 遲長春

（上海電機學院電氣學院，上海 201306）

為了保護環境減少二氧化碳的排放，汽車正加速轉變以適應綠色低碳生活，其中電動汽車已成為未來汽車的發展方向［1］。直流接觸器是新能源電動汽車系統中的重要部件，其需要承受高電壓、大電流，應具備較好的可靠性和絕緣性。電動汽車在充電時會由于短路故障而產生很大的沖擊電流，從而導致直流接觸器的觸頭在短時間內因過大的電流而斥開，影響其他元件的正常工作，造成無法預知的嚴重后果，成為電動汽車發展中的一個隱患［2］。

張廣智等［3］在有限元電磁仿真中建立導電橋模型，進行觸頭系統穩定性的仿真計算，得出洛倫茲力和霍爾姆力，節省了觸頭系統電動穩定性計算的時間，同時計算霍爾姆力須考慮電流集膚效應，計算結果與實際情況更接近。周安康［4］利用有限元分析法，仿真分析交流中壓真空斷路器觸頭系統的電動斥力，分析表明橋式觸頭系統各觸頭片上的電流和霍爾姆力分布不均衡，靠外側觸頭片上的電流和霍爾姆力較大，靠內側觸頭片上的電流和霍爾姆力較小。有限元分析法在許多方面給研究提供了便利，且成本低，在實踐前可通過有限元分析法提供理論分析。

為了提高直流接觸器的短時耐受電流能力，主要通過降低觸頭系統中動靜觸頭間的電動斥力實現。本文基于Maxwell 軟件建立導電橋模型仿真，計算直流接觸器觸頭系統的電動斥力，并通過加隔磁塊來減小電動斥力，為直流接觸器以后的發展提供了參考。

1 觸頭間的電動斥力

1.1 電動斥力的產生

在觸頭間流過大電流時，其回路中會產生較大的電動斥力，導致觸頭相互斥開，使觸頭在本該閉合的時候分開，發生誤動作，從而影響直流接觸器的工作，造成一些無法預知的影響。電動斥力主要由兩部分組成，即洛倫茲力（觸頭的回路間產生）和霍爾姆力（觸頭間接觸點附近電流線收縮產生）［5-6］。若觸頭間的電動斥力小于觸頭的終壓力，則觸頭可保持閉合狀態，從而保證其正常工作。當兩部分電動斥力之和大于觸頭的終壓力時，動靜觸頭便會斥開，此時霍爾姆力會消失，只有洛倫茲力［7］。

1.2 電動斥力的計算

電動斥力中的霍爾姆力由電流自身磁場產生，并且和電流的平方成正比［8］，還與觸頭間預壓力、觸頭材料的布氏硬度等有關［9］。霍爾姆力的計算公式為

式中：ξ為觸頭的表面情況，在0.3～0.6 之間，本文取0.45；Fk為觸頭間的預壓縮力；H為觸頭材料的布氏硬度。

2 電動斥力的有限元分析

2.1 有限元模型

有限元分析法是近年來被廣泛應用的一種數值分析技術，也是一種可以解決工程實際問題的數值計算工具［10］。通過有限元分析法可將一些解決不了的復雜問題簡單化，再繼續求解計算，其中Maxwell軟件可以進行電場、磁場、渦流場等仿真計算［11］。

由于直流接觸器的內部構造較為復雜，不能直接在Maxwell軟件中搭建模型，因此，引入三維機械設計軟件SolidWorks。本文只研究直流接觸器的觸頭系統，對直流接觸器的電器機構不予考慮，在SolidWorks軟件中搭建直流接觸器觸頭系統的簡易模型。將模型導入電磁仿真軟件Maxwell中，依次進行材料設置、激勵源和邊界條件設置、網格剖分，設置驗證后可仿真計算該模型的電動斥力。

2.2 導電斑點

電接觸的實際接觸點總面積一般是整個接觸面的千分之幾，但是導電斑點的總面積比實際接觸斑點的面積小很多。電接觸的奠基人霍姆認為：任何金屬表面只是看著光滑，實際上很粗糙，當兩金屬表面相互接觸時，只有幾個極小點或者小面積真正接觸，并且只有少數金屬觸點能導電［12］。

觸頭在閉合情況下的接觸表面實際上并不是理想平面，也許兩個觸頭真正接觸的地方很小，可能只有幾個點在接觸［13-14］。電流會在接觸點處收縮，離接觸點較遠的電流線幾乎與接觸面平行［15-16］，如圖1所示。

圖1 導電斑點附近電流收縮現象

用Maxwell軟件仿真計算電動斥力時，為了模擬動靜觸頭之間的電流收縮現象，在動、靜觸頭的銀點之間建立導電橋模型，模擬導電斑點間電流收縮情況［17-18］。通過式（2）求出導電橋的半徑為0.26 mm；導電橋的高度一般都在0.10 ～0.25 mm，本文的導電橋高度取0.15 mm，導電橋模型如圖2所示。

圖2 導電橋模型

2.3 仿真計算步驟

Maxwell有自己的材料庫，可以在材料庫中找到導入模型的各個部件相對應的材料。若找不到所需要的材料可自行設置，或者將現有的材料克隆后，根據需要的材料進行屬性的修改。對于直流接觸器，其靜觸頭、動觸板、導電斑點的材料為無氧銅，設置為材料銅，其相對磁導率為0.999 991，電導率為58 MS/m；靜觸頭和動觸板上銀點的材料設置為銀（Ag），其相對磁導率為0.999 974，電導率為63.01 MS/m。

電磁場的分析計算可認為是求微分方程的解。Maxwell的邊界條件主要有：狄里克萊邊界條件、自然邊界條件、對稱邊界條件、主從邊界條件、氣球邊界條件、阻抗邊界條件以及電阻邊界條件。系統自動默認為自然邊界條件，即紐曼邊界條件，該邊界不需要專門去指定。本文對直流接觸器觸頭系統有限元分析的邊界條件設置是在模型外面建立空氣塊，貼住電流流入、流出的面，其他部位大約擴大到其1.5 倍。對觸頭系統進行激勵設置，分別在兩個靜觸頭的上表面設置大小相等但方向相反的激勵電流。

對于網格剖分，軟件可以自動剖分，但一般都是取自動剖分值除以2的值。網格剖分只是對計算的精度有影響，若設置太大，會使計算結果不夠準確；若太小，會使計算的時間過于緩慢。為了計算觸頭系統的電動斥力，在動觸板上設置力，計算得出豎直方向的力即為動觸板所受的電動斥力。上述參數設置完成后，對其進行檢驗，確認設置無誤。

2.4 模型仿真計算驗證

為了驗證導電橋仿真模型對計算霍爾姆力的可靠性，利用Maxwell 軟件仿真計算在電流0.4～8 kA 之間的霍爾姆力，并與式（1）計算出的霍爾姆力理論值進行對比分析，結果如表1所示。

表1 霍爾姆力仿真值與理論值對比

由表1可知，霍爾姆力仿真值與理論值的誤差在5%～7%，其誤差在接受范圍內，說明建立導電橋模型模擬直流接觸器觸頭系統的動靜觸頭間的導電斑點電流收縮情況是有效的，為電動斥力的仿真分析提供了依據。

3 電動斥力的優化仿真

為了減小觸頭間的電動斥力，在動觸板上增加磁性材料隔磁塊，以改變磁場分布，達到降低觸頭間電動斥力的效果。隔磁塊的材料設置為DT4，其磁化曲線如圖3 所示。圖中，B為磁感應強度；H為磁場強度。

圖3 DT4的磁化曲線

3.1 放置方型隔磁塊

本文主要對方型和U 型隔磁塊進行研究，首先討論在動觸板中間放置方型隔磁塊的情況，其大小為12 mm×8 mm×1 mm，加入方型隔磁塊的模型如圖4 所示。通過電磁仿真軟件Maxwell 進行仿真計算，將該模型仿真計算的數據和原始模型數據進行對比，如表2所示。

圖4 動觸板上放置方型隔磁塊

由表2可知，在通過1～8 kA的電流時，加上隔磁塊后，直流接觸器觸頭系統的電動斥力F明顯降低。該直流接觸器的觸頭壓力為29.2 N，原始模型可以保證在4 kA不斥開，加了隔磁塊后可以保證在5 kA不斥開，說明直流接觸器的短時耐受能力有所提高。

表2 數據對比

對比原始模型與加了隔磁塊后的模型在通過5 kA 電流時的磁場分布情況，在動觸板上加了隔磁塊后的磁場強度更大，其電動斥力更小，說明通過加隔磁塊可以改變磁場強度分布，從而改變電動斥力的大小。

分析隔磁塊在不同厚度下對電動斥力的影響，保證方型隔磁塊的長度和寬度不變，改變其厚度，對隔磁塊在1～5 mm厚度下分別進行電動斥力仿真計算，通過Maxwell仿真計算出的數據如表3所示。

表3 不同厚度隔磁塊下電動斥力數據對比

由于有些數據很接近，差距不大，為了能夠更加清楚地看出不同厚度下的變化情況，將其數據轉換成折線圖，如圖5 所示。由圖可知，隨著電流上升，隔磁塊在厚度為5 mm時，其電動斥力增長幅度遠遠高于其他厚度，而在厚度為4 mm時，其電動斥力增長幅度明顯低于其他厚度，表明方型隔磁塊其他條件不變時，在厚度為4 mm 時對降低電動斥力的效果最好。

圖5 不同厚度下電動斥力大小的折線圖

3.2 放置U型隔磁塊

對U 型隔磁塊在動觸板上不同位置的電動斥力大小進行對比分析，一種是開口朝下放置在動觸板上方，另一種是開口朝上放置在動觸板下方，具體模型如圖6 所示。通過電磁仿真軟件Maxwell仿真計算結果，如表4所示。

圖6 不同位置的U型隔磁塊

表4 不同U型隔磁塊位置下電動斥力數據對比

由表4 可知，U 型隔磁塊放置在動觸板上方相比放置在下方，其電動斥力更小為了更好地比較兩種方案與原始模型的情況，將數據轉換成折線圖，如圖7所示。

圖7 不同U型隔磁塊位置數據折線圖

由圖7 可知，U 型隔磁塊放置在動觸板下方的電動斥力不僅比動觸板上方的電動斥力大，而且比原始模型的電動斥力大，說明U型隔磁塊放置在動觸板下方，對電動斥力沒有減少的作用，且增大了電動斥力，實際需要對此引起注意，而U 型隔磁塊放置在動觸板上方對降低電動斥力效果更明顯。

3.3 方型和U型隔磁塊組合放置

將方型和U型隔磁塊組合放置在動觸板上，有不同的組合方式，本文主要討論3種組合方法。方案1是用U型隔磁塊全包住方型隔磁塊放置在動觸板上；方案2是將方型隔磁塊放置在動觸板上方，U型隔磁塊放置在動觸板下方；方案3是將方型隔磁塊放置在動觸板下方，U型隔磁塊放置在動觸板上方。3 個方案的具體模型如圖8 所示，通過電磁仿真軟件Maxwell仿真計算的結果如表5所示。

表5 不同隔磁塊組合方式數據對比

圖8 不同隔磁塊組合方式

為了能夠更加直觀地反映電動力大小的變化情況，將其數據轉換成折線圖，如圖9所示。

由圖9 可知，隨著電流的增大，方案3 的電動斥力略微大于原始模型，說明該方案不僅沒有降低電動斥力的效果，同時還增加了電動斥力，該方案不可行，在實際應用中，需要避開這樣的組合方式；而方案1 的電動斥力有明顯的減小，遠遠小于其他方案，說明方案1的組合方式對減小電動斥力有更明顯的效果。

圖9 不同隔磁塊組合方式折線圖

4 結 論

本文利用導電橋模型模擬觸頭間的電流收縮情況，對仿真計算直流接觸器觸頭系統的電動斥力有很好的實用性。在動觸板上放置隔磁塊能有效地減小觸頭間的電動斥力，通過以上仿真分析可以得出：

（1）方型隔磁塊長度、寬度一定時，在其厚度為4 mm時，隔磁塊對減小電動斥力的效果最好；

（2）U 型隔磁塊在開口朝下，放置在動觸板上方時對減小電動斥力的效果最好；

（3）將U型隔磁塊開口朝下包住方型隔磁塊組合放置在動觸板上時對減小電動斥力的效果最好。

通過上述方法可有效地減小觸頭間的電動斥力，提高直流接觸器的短時耐受特性，這為以后直流接觸器的優化提供了理論依據，也對頻繁使用直流接觸器的電動汽車來說，有了更好的發展前景。