CN114695015B - 一种基于海尔贝克永磁体纵向磁场的真空灭弧室 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于海尔贝克永磁体纵向磁场的真空灭弧室,包括环形海尔贝克永磁体结构;所述环形海尔贝克永磁体结构为多个永磁体按照直线型海尔贝克阵列环绕一周形成;多个所述环形海尔贝克永磁体结构沿竖直方向套设在真空灭弧室的灭弧室外壳上形成多层海尔贝克永磁体结构,多个所述环形海尔贝克永磁体结构作用于静端电极触头和动端电极触头之间的电弧产生位置,用于给真空灭弧室提供纵向强磁场。能够在灭弧室中心区域提供超过100mT的纵向磁场。磁体套装在灭弧室外部,不会影响其内部的真空环境,还可以根据动触头动作情况上下滑动,跟随电弧中心位置,提供最有效的磁场分布。
Description
技术领域
本发明属于真空灭弧室领域,具体属于一种基于海尔贝克永磁体纵向磁场的真空灭弧室。
背景技术
外施磁场在现代真空开关中非常常见,对于真空电弧熄灭有着重要的意义。磁场约束电弧形态、推动电弧运动、维持触头间隙中等离子体的平衡,可以显著提高真空灭弧室的短路电流开断能力。上世纪70年代,日本东芝公司成功研制了可以产生纵向磁场的触头结构,可开断电流100kA以上。然而产生纵向磁场的触头结构较复杂,机械强度问题不易解决,对触头材料和力学设计要求高。
在短路电流水平和纵磁触头设计的限制下,目前短路电流激发的纵向磁场普遍在数十mT量级。要想施加更高强度的磁场,探究强纵向磁场下真空电弧形态演变和真空灭弧室开断能力,只有电磁铁和永磁体两种方案。电磁铁需要加装大直径的铜线圈甚至超导线圈以及相应的大功率电源,结构复杂,成本较高;普通永磁体结构磁场并不更强且磁力线对外发散,高场强区域局限于磁铁表面,难以满足真空开断对空间单向强磁场的要求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题,本发明提供一种基于海尔贝克永磁体纵向磁场的真空灭弧室,能够在灭弧室中心区域提供超过100mT的纵向磁场。磁体套装在灭弧室外部,不会影响其内部的真空环境,还可以根据动触头动作情况上下滑动,跟随电弧中心位置,提供最有效的磁场分布。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种基于海尔贝克永磁体纵向磁场的真空灭弧室,包括环形海尔贝克永磁体结构;
所述环形海尔贝克永磁体结构包括多个永磁体,多个永磁体按照直线型海尔贝克阵列环绕一周设置;
多个所述环形海尔贝克永磁体结构沿竖直方向套设在真空灭弧室的灭弧室外壳上形成多层海尔贝克永磁体结构,多个所述环形海尔贝克永磁体结构作用于静端电极触头和动端电极触头之间的电弧产生位置,用于给真空灭弧室提供纵向强磁场。
优选的,所述多层海尔贝克永磁体结构的层数为三层、四层、五层或六层。
优选的,多个所述环形海尔贝克永磁体结构之间紧密贴合,相邻两层的环形海尔贝克永磁体结构中的永磁体进行错位设置。
进一步的,错位设置的层间旋转角度在0~90°之间,包括0°和90°。
优选的,所述环形海尔贝克永磁体结构由多个形状、体积相同的永磁体拼接形成。
优选的,所述环形海尔贝克永磁体结构外侧设置有外壳,环形海尔贝克永磁体结构通过外壳固定在真空灭弧室的灭弧室外壳上。
进一步的,所述外壳采用黄铜、不锈钢或铁钴镍合金材料制成。
优选的,环形海尔贝克永磁体结构的内径大于灭弧室外壳的外径1mm以上。
优选的,环形海尔贝克永磁体结构的外侧设置有套箍进行固定,相邻永磁体的接触面采用粘接的连接方式。
优选的,所述环形海尔贝克永磁体结构的表面设置有镀层。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明提供了一种基于强永磁体提供纵向磁场的灭弧室结构,通过将海尔贝克磁体阵列引入真空开断,使用若干永磁体组成多层环形海尔贝克阵列,通过充磁方向与磁路设计使绝大多数磁力线竖直进入环形磁体的中心区域。将其套装在灭弧室外侧,可为灭弧室中心电弧产生位置提供强纵向磁场。本发明的灭弧室结构无需使用大电流和线圈来维持磁场,因此不需要外部供电系统,结构简单,使用方便,性能稳定。本结构产生的纵向磁场超过100mT,远高于传统灭弧室内部磁场强度,磁场在灭弧室中心区域为均匀分布,方向性良好,有望提高灭弧室开断性能。相比已经广泛应用的排布在灭弧室两侧或十字对称的永磁体阵列,环形海尔贝克永磁体阵列的体积更小、磁场更强、分布更合理,适合为灭弧室提供磁场。
与短路电流流经纵磁触头激发磁场相比,本发明采用的多层环形海尔贝克永磁体阵列将灭弧室内部纵向磁场强度提高了一个数量级,中心区域可以达到400mT,边缘区域可以更高。与电磁铁相比,本灭弧室结构无需使用大电流和线圈来维持磁场,因此不需要外部供电系统,结构简单,使用方便,性能稳定。相比已经广泛应用的排布在灭弧室两侧或十字对称的永磁体阵列,海尔贝克永磁体阵列通过充磁方向和磁路设计使绝大多数磁力线竖直进入环形磁体的中心区域,提高了对磁场的约束和磁铁性能的利用。
进一步的,永磁体层与层之间可以紧密贴合,相邻两层的环形海尔贝克永磁体结构中的永磁体进行错位设置,可旋转一定角度安装,提高结构稳定性。
进一步的,外壳采用黄铜、不锈钢或铁钴镍合金材料制成,可以获得更好的磁场分布效果。
进一步的,环形海尔贝克磁铁内径超过真空灭弧室外径1mm以上,保证磁铁可以套在灭弧室外侧。
进一步的,相邻永磁体的接触面采用粘接的连接方式,能够减小接触面应力,获得更好的紧固效果。
进一步的,海尔贝克永磁体表面有镀层,增强永磁体的抗腐蚀性能。
附图说明
图1为本发明的基于海尔贝克永磁体纵向磁场的真空灭弧室剖面示意图,采用三层磁体结构。
图2为安装四层环形海尔贝克永磁体的真空灭弧室剖面示意图。
图3为安装五层环形海尔贝克永磁体的真空灭弧室剖面示意图。
图4为三层海尔贝克永磁体阵列充磁方向剖面图。
图5为三层海尔贝克永磁体阵列充磁方向俯视图。
图6为四层海尔贝克永磁体阵列充磁方向剖面图。
图7为五层海尔贝克永磁体阵列充磁方向剖面图。
图8为海尔贝克永磁体阵列和外壳的组装示意图。
图9为海尔贝克永磁体阵列各层之间的粘接和错位示意图。
图10为实施例中磁铁和灭弧室区域轴向切面的磁场分布仿真计算结果。
图11为实施例中磁铁周围空间轴向切面的磁场分布仿真计算结果。
附图中:环形海尔贝克永磁体结构1、外壳2、静端端盖3、灭弧室外壳4、静端导电杆5、屏蔽罩6、静端电极触头7、静端电极触头片8、动端电极触头片9、动端电极触头10、动端导电杆11、波纹管12、动端端盖13。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明,所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提出一种基于海尔贝克永磁体纵向磁场的真空灭弧室,其整体结构如图1所示,包括真空灭弧室和外置的多层环形海尔贝克永磁体结构1。
真空灭弧室包括静端端盖3、灭弧室外壳4、静端导电杆5、屏蔽罩6、静端电极触头7、静端电极触头片8、动端电极触头片9、动端电极触头10、动端导电杆11、波纹管12和动端端盖13。
静端端盖3和动端端盖13设置在灭弧室外壳4的两端,静端导电杆5设置在静端端盖3的中部,动端导电杆11设置在动端端盖13的中部,静端电极触头7设置在静端导电杆5的端部,静端电极触头片8固定在静端电极触头7上,动端电极触头10设置在动端导电杆11的端部,动端电极触头片9固定在动端电极触头10上,波纹管12套设在动端导电杆11上,屏蔽罩6设置在静端电极触头7和动端电极触头10的外侧。
其中动静端电极触头包括普通平板触头和各种类型的横磁、纵磁触头。海尔贝克环形磁铁1固定在真空灭弧室外侧,负责给真空灭弧室提供强纵向磁场。固定方式包括紧固件连接、铆接和粘接等。
永磁体阵列设计
本发明借助直线型海尔贝克阵列,将其竖直放置,旋转一周得到多层环形海尔贝克永磁体结构1,如图1至图3所示,分别采用三、四、五层环形海尔贝克阵列。图4是三层环形海尔贝克阵列的轴向截面,图示箭头即为永磁体充磁方向,预期在灭弧室区域得到较强的竖直向下的磁场。图5为三层海尔贝克阵列的俯视图,圆圈加点代表垂直纸面向外的方向,与图4中竖直向上的分量对应;圆圈加叉代表垂直纸面向内的方向,与图4中竖直向下的分量对应。该示意图每层为四块小磁体,实际可以为任意数量。图6为四层环形海尔贝克阵列的轴向截面,箭头指明充磁方向,该结构也可视为图4的变体,即中间层磁体厚度增大。图7为五层环形海尔贝克阵列的轴向截面。实际多层环形海尔贝克永磁体阵列包括但不限于以上结构。
海尔贝克永磁体阵列为多层完整圆环形状,每层由多个形状、体积一致的小磁体拼接形成,小磁体数目任意。永磁体层与层之间可以紧密贴合,各层之间可旋转一定角度安装,提高结构稳定性;也可留有轴向均匀的间隙,间隙厚度与单层磁体厚度大小取决于所需的磁场强度和分布。
磁铁材料主要由两种选择,N52型钕铁硼磁铁可以获得最强磁场,但是工作温度不能超过80摄氏度;钐钴磁铁可以获得表面超过1T的磁场强度,而且工作温度能够达到180摄氏度。实施例中环形磁铁放置于普通真空灭弧室外侧,工作温度稍高于环境温度,选择N52型钕铁硼磁铁以追求最高场强。
永磁体阵列组装
实施例中采用外侧套箍,接触面粘接的方式对多层环形海尔贝克阵列进行固定,以抵消永磁体之间巨大的排斥作用,如图8所示。环形磁铁外部使用5mm厚度的黄铜圆环作为箍套,黄铜材料弹性和机械强度俱佳且不导磁,在承受强磁铁应力的同时对永磁体磁场无影响。如果采用不锈钢或铁钴镍合金材料,使海尔贝克磁铁磁场畸变,在一定情况下可以获得更好的磁场分布效果。环形磁铁内侧各小磁铁自然向中心挤压,互为支撑,形成一个圆形空腔,无需固定件,为灭弧室空出安装位置。各层磁体之间可旋转一定角度,错开排放,如图9所示。在各小磁铁接触面以及磁铁与黄铜箍套接触面采用强力胶水进行粘接,减小接触面应力,同时获得更好的紧固效果。
海尔贝克永磁体表面有镀层,增强抗腐蚀性能;外壳2采用黄铜、不锈钢或铁钴镍合金材料,黄铜、不锈钢或铁钴镍合金材料外侧可以包覆环氧树脂等绝缘材料增加绝缘强度,外壳2厚度不超过15mm,外壳2与永磁体之间的间隙不超过0.5mm;磁体内部各接触面采用粘接的方式进行固定。以上的材质之间的配合程度需确保永磁体可以稳定固定在真空灭弧室外侧,永磁体外壳2及其包裹的永磁体和真空灭弧室的轴心线处于同一条直线上。
环形海尔贝克磁铁内径应超过真空灭弧室外径1mm以上,保证磁铁可以套在灭弧室外侧。其他任何孤立导磁或磁性材料到永磁体的距离应超过其之间的产生显著作用力的距离,防止被吸引到永磁体上破坏其结构。
永磁体安装位置
图10和图11是三层环形海尔贝克永磁体结构的磁场分布仿真结果,环形中心区域存在400mT的纵向磁场。由于磁铁中心位置处磁场最强且磁场水平分量最少,为提高磁铁性能利用和纵向磁场品质,安装时应保证磁铁几何中心与电弧产生位置一致。同时,永磁体外壳到静端端盖和动端端盖的绝缘能力应大于真空灭弧室标称的绝缘能力。
与短路电流流经纵磁触头激发磁场相比,本发明采用的多层环形海尔贝克永磁体阵列将灭弧室内部纵向磁场强度提高了一个数量级,中心区域可以达到400mT,边缘区域可以更高。
与电磁铁相比,本灭弧室结构无需使用大电流和线圈来维持磁场,因此不需要外部供电系统,结构简单,使用方便,性能稳定。
相比已经广泛应用的排布在灭弧室两侧或十字对称的永磁体阵列,海尔贝克永磁体阵列通过充磁方向和磁路设计使绝大多数磁力线竖直进入环形磁体的中心区域,提高了对磁场的约束和磁铁性能的利用。
本发明的一种基于强永磁体提供纵向磁场的灭弧室结构,通过将永磁体套装在灭弧室外部,负责给灭弧室提供强纵向磁场。本灭弧室结构无需使用大电流和线圈来维持磁场,因此不需要外部供电系统,结构简单,使用方便,性能稳定。本结构产生的纵向磁场超过100mT,远高于传统灭弧室内部磁场强度,磁场在灭弧室中心区域为均匀分布,方向性良好,有望提高灭弧室开断性能。相比已经广泛应用的排布在灭弧室两侧或十字对称的永磁体阵列,环形海尔贝克永磁体阵列的体积更小、磁场更强、分布更合理,适合为灭弧室提供磁场。
Claims (7)
1.一种基于海尔贝克永磁体纵向磁场的真空灭弧室,其特征在于,包括环形海尔贝克永磁体结构(1);
所述环形海尔贝克永磁体结构(1)包括多个永磁体,多个永磁体按照直线型海尔贝克阵列环绕一周设置;
多个所述环形海尔贝克永磁体结构(1)沿竖直方向套设在真空灭弧室的灭弧室外壳(4)上形成多层海尔贝克永磁体结构,多个所述环形海尔贝克永磁体结构(1)作用于静端电极触头(7)和动端电极触头(10)之间的电弧产生位置,用于给真空灭弧室提供纵向强磁场;
所述多层海尔贝克永磁体结构的层数为三层、四层、五层或六层;
多个所述环形海尔贝克永磁体结构(1)之间紧密贴合,相邻两层的环形海尔贝克永磁体结构(1)中的永磁体进行错位设置;
所述环形海尔贝克永磁体结构(1)的表面设置有镀层。
2.根据权利要求1所述的一种基于海尔贝克永磁体纵向磁场的真空灭弧室,其特征在于,错位设置的层间旋转角度在0~90°之间,包括0°和90°。
3.根据权利要求1所述的一种基于海尔贝克永磁体纵向磁场的真空灭弧室,其特征在于,所述环形海尔贝克永磁体结构(1)由多个形状、体积相同的永磁体拼接形成。
4.根据权利要求1所述的一种基于海尔贝克永磁体纵向磁场的真空灭弧室,其特征在于,所述环形海尔贝克永磁体结构(1)外侧设置有外壳(2),环形海尔贝克永磁体结构(1)通过外壳(2)固定在真空灭弧室的灭弧室外壳(4)上。
5.根据权利要求4所述的一种基于海尔贝克永磁体纵向磁场的真空灭弧室,其特征在于,所述外壳(2)采用黄铜、不锈钢或铁钴镍合金材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种基于海尔贝克永磁体纵向磁场的真空灭弧室,其特征在于,环形海尔贝克永磁体结构(1)的内径大于灭弧室外壳(4)的外径1mm以上。
7.根据权利要求1所述的一种基于海尔贝克永磁体纵向磁场的真空灭弧室,其特征在于,环形海尔贝克永磁体结构(1)的外侧设置有套箍进行固定,相邻永磁体的接触面采用粘接的连接方式。
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