CN111415839B - 一种高压直流接触器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压直流接触器，包括：壳体、以及设置在壳体内的两个静触头、动触头、衔铁、轭铁、复位线圈、弹簧、磁力驱动杆、灭弧室和磁力驱动机构；灭弧室位于壳体内腔上方，磁力驱动机构位于壳体内腔底部；两个静触头对称设置在灭弧室内腔两侧；磁力驱动杆竖直设置在壳体的中线位置处；其中，磁力驱动杆伸入灭弧室的一端与磁性动触头连接，另一端穿过轭铁后、通过衔铁与磁力驱动机构连接；复位线圈设置在轭铁与衔铁之间、位于磁力驱动机构的两侧；弹簧缠绕在磁力驱动杆上。本发明克服了现有高压直流接触器灭弧系统设计磁场分布导致的电弧方向偏离度低、偏置方向集中的问题，减少了电弧对接触器触头的烧蚀，延长了高压直流接触器的使用寿命。

Description

一种高压直流接触器

技术领域

本发明属于电子元器件技术领域，尤其涉及一种高压直流接触器。

背景技术

随着社会发展与科技进步，信息化、集成化、智能化不断深入，航空航天、武器系统、交通运输等行业对电力系统的电压、功率以及可靠性提出了越来越高的要求。大功率直流供电以其高性能、高可靠、高效率的特点被认为是未来航天器、武器装备、轨道交通、汽车供配电的必然趋势。大功率高压直流接触器作为高压直流配电系统中的核心器件，其性能与可靠性至关重要。

接触器闭合—断开过程中，动、静触头之间不可避免地发生电弧放电。在高电压、强电流的作用下，两电极间的气体在强电场作用下被激发为带电的等离子体发生电弧放电现象，激发出的放电电弧对触头材料有明显的烧蚀作用。进而，减少电弧对高压直流接触器触头的烧结，延长高压直流接触器的使用寿命，就成了本领域技术人员亟待解决的重要问题。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种高压直流接触器，克服了现有高压直流接触器灭弧系统设计磁场分布导致的电弧方向偏离度低、偏置方向集中的问题，减少了电弧对接触器触头的烧蚀，延长了高压直流接触器的使用寿命。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种高压直流接触器，包括：壳体、以及设置在壳体内的两个静触头、动触头、衔铁、轭铁、复位线圈、弹簧、磁力驱动杆、灭弧室和磁力驱动机构；

灭弧室位于壳体内腔上方，磁力驱动机构位于壳体内腔底部；

两个静触头对称设置在灭弧室内腔两侧；

磁力驱动杆竖直设置在壳体的中线位置处；其中，磁力驱动杆伸入灭弧室的一端与磁性动触头连接，另一端穿过轭铁后、通过衔铁与磁力驱动机构连接；

复位线圈设置在轭铁与衔铁之间、位于磁力驱动机构的两侧；

弹簧缠绕在磁力驱动杆上。

在上述高压直流接触器中，还包括：静触头磁钢槽和静触头磁钢；

静触头磁钢槽设置在灭弧室外部两侧；

静触头磁钢设置在静触头磁钢槽内。

在上述高压直流接触器中，还包括：动触头磁钢槽、动触头磁钢和动触头磁钢套；

动触头磁钢套设置在动触头外侧；

动触头磁钢槽呈水平设置在动触头内部；

动触头磁钢设置在动触头磁钢槽内。

在上述高压直流接触器中，动触头磁钢和静触头磁钢产生的偏置磁场与灭弧室两侧产生的磁场相互垂直，且均与z轴方向垂直，保证xy平面各方向都有磁场分量。

在上述高压直流接触器中，静触头磁钢和动触头磁钢的易磁化轴方向平行于磁场方向，防止磁钢的磁性能退化。

在上述高压直流接触器中，动触头采用钨铜合金材料加工得到。

在上述高压直流接触器中，灭弧室内填充有保护气体。

在上述高压直流接触器中，动触头采用桥式触头及双弹簧结构，桥式触头结构具有两处断开点。

本发明具有以下优点：

(1)本发明公开了一种高压直流接触器，克服了现有高压直流接触器灭弧系统设计磁场分布导致的电弧方向偏离度低、偏置方向集中的问题，减少了电弧对接触器触头的烧蚀，延长了高压直流接触器的使用寿命。

(2)本发明公开了一种高压直流接触器，在动触头下方的动触头磁钢产生偏置磁场，由于动触头磁钢距离动触头表面近，其磁感应强度

密度较大，因此可以显著增强动触头上方的磁场，进而明显提高电弧运动轨迹的偏离程度，增强动触头的抗烧蚀性。

(3)本发明公开了一种高压直流接触器，动触头磁钢产生的偏置磁场与静触头磁钢产生的磁场相互垂直，均与z轴方向垂直。在动触头所在平面形成了两个正交方向的磁场，保证xy平面各方向都有磁场分量，能够更加有效地改变各个方向电弧运动轨迹的偏离程度，增强动触头的抗烧蚀性。由于xy平面各方向都有磁场分量，受到y方向磁场偏置的电弧在zx平面族内做螺旋运动，受到x方向磁场偏置的电弧在zy平面族做螺旋运动。由于电弧本质上是带不同电荷的带电粒子及其形成的等离子体，两个平面族内电弧相互垂直，不同电荷相互中和的概率显著增加，电弧的烧蚀能力迅速减弱，进而增强了动触头的抗烧蚀能力。

(4)本发明公开了一种高压直流接触器，动触头可采用钨铜合金材料加工得到，传统的金属铜相比，可以大幅提高动触头的抗烧蚀性。

(5)本发明公开了一种高压直流接触器，弹簧可采用双弹簧设计，在保证两触点同时接触的同时，最大限度避免了在高频和随机振动条件下的触点分离，保证产品可靠接触并减小触点烧蚀。

附图说明

图1是本发明实施例中一种高压直流接触器的结构示意图；

图2是本发明实施例中一种高压直流接触器的磁场分布示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

实施例1

电弧的本质为带电粒子。当带电粒子受到与运动方向非平行的磁场时，会受到Lorentz力的作用：

其中，q代表带电粒子的电荷量，

表示带电粒子运动速度，

表示带电粒子受到的磁场(磁感应强度)。当放电电弧到Lorentz力作用时，电弧会偏离原有的运动轨迹。偏离原轨迹之后，电弧扭曲成螺旋状，最终使电弧烧蚀部位不再集中在触点上的某一区域，而是趋向于均匀分布，从而达到提高电寿命的作用。

由于电子在运动方向的垂直方向受到Lorentz力的磁场分量的影响做圆周运动。圆周运动的半径R可以作为表征偏离运动方向的程度的几何参数，圆周运动的半径越小说明磁场的偏置作用越强，当R→∞时，表明曲率半径趋于无穷(即直线)，说明没有偏置效果。在运动的垂直方向，Lorentz提供向心力：

由此可得：

因此增大电弧受到的实际磁场可以增强磁偏置效果。其中，v_⊥表示带电粒子运动速度垂直于磁场方向的分量的大小，B表示动触头磁钢和静触头磁钢相互作用产生的磁场的大小，m表示带电粒子的质量。

现有高压直流接触器灭弧系统设计，仅在静触头陶瓷腔体壁两侧设计有永磁磁钢。此类设计导致了静触头腔体壁附近的磁场分布最强，而最需要磁场偏置保护的动触头附近的磁场偏弱。除此之外，静触头陶瓷腔体壁产生的偏置磁场只沿某一特定方向，则与之垂直的方向则变成了磁场盲区。

在本实施例中，公开了一种高压直流接触器，如图1，该高压直流接触器具体可以包括：壳体4、以及设置在壳体4内的两个静触头1、动触头2、衔铁5、轭铁6、复位线圈7、弹簧8、磁力驱动杆9、灭弧室10和磁力驱动机构17。其中，灭弧室10位于壳体4内腔上方，磁力驱动机构17位于壳体4内腔底部；两个静触头1对称设置在灭弧室10内腔两侧；磁力驱动杆9竖直设置在壳体4的中线位置处，磁力驱动杆9伸入灭弧室10的一端与磁性动触头2连接，另一端穿过轭铁6后、通过衔铁5与磁力驱动机构17连接；复位线圈7设置在轭铁6与衔铁5之间、位于磁力驱动机构17的两侧；弹簧8缠绕在磁力驱动杆9上。

在本实施例中，该高压直流接触器还可以包括：静触头磁钢槽12和静触头磁钢14。其中，静触头磁钢槽12设置在灭弧室10外部两侧；静触头磁钢14设置在静触头磁钢槽12内。优选的，静触头磁钢槽12内放置静触头磁钢14，静触头磁钢14产生沿y轴方向的磁场，该y轴方向的磁场能够对具有垂直运动分量(平行于z轴方向)的电弧有明显的偏置作用。

在本实施例中，该高压直流接触器还可以包括：动触头磁钢槽3、动触头磁钢15和动触头磁钢套16。其中，动触头磁钢套16设置在动触头2外侧；动触头磁钢槽3呈水平设置在动触头2内部；动触头磁钢15设置在动触头磁钢槽3内。优选的，动触头磁钢15放置在动触头2下方，增大了动触头2附近的磁感应强度

进一步的，动触头磁钢15和静触头磁钢14产生的偏置磁场与灭弧室10两侧产生的磁场相互垂直、且均与z轴方向(动触头2的表面的法向)垂直，也即，在动触头2所在平面形成了两个正交方向的磁场，保证了xy平面(动触头2的表面所在平面)各方向都有磁场分量。由于电弧本质上是带不同电荷的带电粒子及其形成的等离子体，电弧受到磁场作用在与动触头2的表面所在平面的垂直方向的两个垂直平面族(xy平面和zy平面)内做螺旋运动，两个平面族内电弧相互垂直，不同电荷相互中和的概率显著增加，电弧的烧蚀能力迅速减弱，可以显著提高动触头的抗烧蚀性，进而延长高压直流接触器使用寿命。

在本实施例中，如前所述，动触头磁钢槽3内放置动触头磁钢15，动触头磁钢15磁化方向沿x轴方向、垂直于磁力驱动杆9(z轴方向)和静触头(y轴方向)。两块动触头磁钢15产生的磁场沿x轴方向，对具有垂直运动分量的电弧有明显的偏置作用。

优选的，为了延长灭弧装置使用寿命，静触头磁钢14和动触头磁钢15的易磁化轴方向平行于磁场方向，以防止磁钢的磁性能退化，可以选择钐钴磁钢或钕铁硼磁钢：当选择钐钴磁钢时，钐钴磁钢的易磁化轴平行于磁场方向；当选择钕铁硼磁钢时，钕铁硼磁钢的易磁化面垂直于磁场方向。

在本实施例中，动触头2可选用钨铜合金材料加工得到。金属钨为自然界熔点最高的金属，其抗烧蚀性远强于金属铜，但钨的导电性能低于铜。为了在提高动触头的抗烧蚀性的同时保证良好的导电性，动触头2采用钨铜合金材料，并在灭弧室内充保护气体，进一步提高了动触头2的抗烧蚀性。

在本实施例中，动触头2可采用桥式触头及双弹簧结构，桥式触头结构具有两处断开点。

在本实施例中，弹簧8可采用双弹簧设计，避免了在高频和随机振动条件下的触点分离，保证了产品可靠接触并减小了触点烧蚀。

实施例2

在上述实施例的基础上。下面结合一个具体例子进行详细说明。

首先，将动触头磁钢15置于所述位于动触头2内部的动触头磁钢槽3内，并将动触头磁钢套16安装在动触头2外侧；将静触头磁钢14置于所述位于灭弧室10外部两侧的静触头磁钢槽12内；将磁力驱动杆9伸入灭弧室10的一端与磁性动触头2连接，另一端穿过轭铁6后、通过衔铁5与磁力驱动机构17连接，同时，将复位线圈7置于轭铁6与衔铁5之间、所述磁力驱动机构17的两侧，以及，将弹簧8缠绕在磁力驱动杆9上；至此，完成动触头组件与静触头组件的组合。

然后，将组合完成的动触头组件与静触头组件封装在壳体4内，并在灭弧室内充保护气体(如：氢氦混合气等)进行密封。

在本实施例中，动触头磁钢15可以选择钐钴磁钢，动触头磁钢15的磁化方向如图2所示：沿x轴方向，垂直于动触头2所在平面。同样的，静触头磁钢14也可以选择钐钴磁钢，静触头磁钢14的磁化方向如图2所示：沿y轴方向，垂直于动触头2所在平面。

优选的，动触头2可选择选择铜含量50％的钨铜合金加工得到。

优选的，在动触头磁钢槽3内放置动触头磁钢15之后，在动触头磁钢槽3的外侧设置动触头磁钢套16以固定动触头磁钢15。动触头磁钢套16与动触头2可以采用钎焊方式焊接固定：钎焊焊料采用A63焊锡，A63焊锡液相温度约300℃，远低于钐钴磁钢的Cuire温度(约600℃)，不会导致磁钢退磁。动触头磁钢15的易磁化轴方向与磁场磁感线方向平行。磁钢布置磁场方向沿钐钴永磁材料的易磁化轴。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种高压直流接触器，其特征在于，包括：壳体(4)、以及设置在壳体(4)内的两个静触头(1)、磁性动触头(2)、动触头磁钢槽(3)、衔铁(5)、轭铁(6)、复位线圈(7)、弹簧(8)、磁力驱动杆(9)、灭弧室(10)、静触头磁钢槽(12)、静触头磁钢(14)、动触头磁钢(15)、动触头磁钢套(16)和磁力驱动机构(17)；

灭弧室(10)位于壳体(4)内腔上方，磁力驱动机构(17)位于壳体(4)内腔底部；

两个静触头(1)对称设置在灭弧室(10)内腔两侧；

磁力驱动杆(9)竖直设置在壳体(4)的中线位置处；其中，磁力驱动杆(9)伸入灭弧室(10)的一端与磁性动触头(2)连接，另一端穿过轭铁(6)后、通过衔铁(5)与磁力驱动机构(17)连接；

复位线圈(7)设置在轭铁(6)与衔铁(5)之间、位于磁力驱动机构(17)的两侧；

弹簧(8)缠绕在磁力驱动杆(9)上；

静触头磁钢槽(12)设置在灭弧室(10)外部两侧；

静触头磁钢(14)设置在静触头磁钢槽(12)内；

动触头磁钢套(16)设置在磁性动触头(2)外侧；

动触头磁钢槽(3)呈水平设置在磁性动触头(2)内部；

动触头磁钢(15)设置在动触头磁钢槽(3)内，动触头磁钢(15)为两块，两块动触头磁钢的磁场方向相反。

2.根据权利要求1所述的高压直流接触器，其特征在于，动触头磁钢(15)和静触头磁钢(14)产生的偏置磁场与灭弧室(10)两侧产生的磁场相互垂直，且均与磁性动触头(2)的表面的法向垂直，保证磁性动触头(2)的表面所在平面各方向都有磁场分量。

3.根据权利要求2所述的高压直流接触器，其特征在于，静触头磁钢(14)和动触头磁钢(15)的易磁化轴方向平行于磁场方向，防止磁钢的磁性能退化。

4.根据权利要求1所述的高压直流接触器，其特征在于，磁性动触头(2)采用钨铜合金材料加工得到。

5.根据权利要求1所述的高压直流接触器，其特征在于，灭弧室(10)内填充有保护气体。

6.根据权利要求1所述的高压直流接触器，其特征在于，磁性动触头(2)采用桥式触头及双弹簧结构，桥式触头结构具有两处断开点。

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