一种基于海尔贝克永磁体结构的真空灭弧室

1.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结构的真空灭弧室。


背景技术：

2.目前，各种结构类型的横向和纵向磁场触头应用于真空开断中，显著提高了真空灭弧室的短路电流开断能力。横向磁场可以减少电弧弧根在触头表面的长时间停留，降低电弧对触头的烧蚀，提高产生阳极斑点的临界电流水平；纵向磁场约束电弧形态，延缓聚集型真空电弧的到来。从而电流开断时的磁场强度大小是开断能力的关键之一。短路电流流经触头激发的磁场普遍在数十mt量级，想要施加更高强度的磁场目前只有永磁体和电磁铁两种方案。普通永磁体结构磁场并不更强且磁力线对外发散，磁场强度局限在磁铁表面，难以满足真空开断对单向强磁场的要求；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。


技术实现要素：

3.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结构的真空灭弧室，使得内部区域磁场集中，为灭弧室中心电弧产生位置提供强横向磁场。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种基于海尔贝克永磁体结构的真空灭弧室，包括环形海尔贝克永磁体结构；
6.所述环形海尔贝克永磁体结构包括八个或十二个永磁体充磁方向按照海尔贝克永磁体阵列排布；
7.所述环形海尔贝克永磁体结构套设在真空灭弧室的灭弧室外壳上，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横向强磁场。
8.优选的，所述环形海尔贝克永磁体结构呈整体或分体结构。
9.进一步的，所述环形海尔贝克永磁体结构的分体结构包括静侧永磁体和动侧永磁体，所述静侧永磁体为静触头提供磁场，动侧永磁体为动触头提供磁场。
10.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。
11.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。
12.优选的，所述环形海尔贝克永磁体结构的各个永磁体的形状、体积相同。
13.优选的，环形海尔贝克永磁体结构的永磁体为钕铁硼磁体或钐钴磁铁。
14.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。
15.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。
16.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
17.本发明提供一种基于海尔贝克永磁体结构的真空灭弧室，通过设置环形海尔贝克永磁体结构，能够在灭弧室中心区域提供超过200mt的单极或多极横向磁场，在灭弧室内部靠边缘区域磁场可以更强，使得电弧受到的磁吹作用不断增加。环形磁体结构将磁场约束在内部区域，充分利用了磁铁性能，同时磁场的叠加对各小磁体磁场强度和方向的精度要求放宽，在同样精度情况下提高了总磁场的品质。
18.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。本结构产生的磁场远高于传统灭弧室内部磁场强度，磁场在灭弧室内分布均匀，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。
19.与短路电流流经触头激发磁场相比，本发明采用的海尔贝克永磁体阵列将灭弧室内部区域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，使得电弧受到不断增强的磁吹效果。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更好地将磁场约束在内部区域，提高了磁铁性能的利用率；多磁体间磁场的叠加也放松了对单个磁体磁场强度和方向的精度限制，在相同磁体磁场精度情况下提高了合成总磁场的品质。
20.进一步的，海尔贝克永磁体的外壳采用黄铜、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，外壳厚度不超过15mm，外壳与永磁体之间的间隙不超过0.5mm，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。
21.进一步的，海尔贝克永磁体阵列为完整圆环形状，各小磁体形状、体积一致，环形磁铁内径应超过真空灭弧室外径1mm以上，保证磁铁可以嵌套在灭弧室外侧。
22.进一步的，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。
附图说明
23.图1为本发明的基于海尔贝克永磁体结构的真空灭弧室剖面示意图。
24.图2a为内部单极磁场的8阶海尔贝克阵列磁极取向示意图。
25.图2b为内部单极磁场的12阶海尔贝克阵列磁极取向示意图。
26.图3a为内部双极磁场的8阶海尔贝克阵列磁极取向示意图。
27.图3b为内部双极磁场的12阶海尔贝克阵列磁极取向示意图。
28.图4为内部三(多)极磁场的海尔贝克永磁体阵列磁极取向示意图，为12阶海尔贝克阵列。
29.图5为海尔贝克磁体阵列外壳和组装方式示意图。
30.图6为海尔贝克永磁体和真空灭弧室触头相对位置的剖面示意图。
31.图7为海尔贝克永磁体和真空灭弧室触头相对位置的侧面示意图。
32.图8为实施例中灭弧室区域中心位置轴向切面的磁场分布仿真计算结果。
33.图9为动静侧双海尔贝克永磁体结构的真空灭弧室剖面示意图。
34.图10为8阶海尔贝克永磁体安装位置与排列方式示意图。
35.图11为12阶海尔贝克永磁体安装位置与排列方式示意图。
36.图12为实施例中灭弧室区域中心位置径向切面的磁场分布仿真计算结果。
37.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
38.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。
39.实施例
40.本发明提出一种基于海尔贝克永磁体结构的真空灭弧室，其整体结构如图1所示，包括真空灭弧室和外置的环形海尔贝克永磁体结构1。
41.真空灭弧室
42.如图1所示，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。
43.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。
44.其中静端电极触头7和动端电极触头10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横向强磁场。
45.永磁体阵列设计
46.本发明采用环形海尔贝克阵列设计永磁体结构。如图2a、图2b、图3a和图3b所示，依照图中箭头标明的充磁方向，将8个或12个小磁体按照图示位置排列，获得内部单极和双极磁场；或者根据图4所示的充磁和排列方式，获得内部三(多)极磁场。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；钐钴磁铁也可以获得表面超过1t的磁场强度，而且工作温度能够达到180摄氏度。实施例中环形海尔贝克永磁体结构1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。
47.永磁体阵列组装
48.永磁铁之间存在巨大的排斥作用，常规手段不能满足安全可靠的阵列组装，实施例中采用外侧套箍，接触面粘接的方式进行固定，如图5所示。在环形海尔贝克永磁体结构1外部使用相同高度，5mm厚度的黄铜圆环作为箍套形成外壳2，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。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。小磁铁在上述充磁方向上的互相排斥作用主要体现在水平方向，在接触面粘接后竖直方向上不需要额外的紧固措施。环形海尔贝克永磁体结构1的固定方式包括紧固件连接、铆接、粘接等。
49.环形海尔贝克永磁体结构1的外壳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的厚度不超过15mm，外壳2与永磁体之间的间隙不超过0.5mm，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。海尔贝克永磁体阵列为完整圆环形状，各小磁体形状、体积一致，环形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。
50.永磁体安装位置
51.环形磁铁轴线方向中心位置处磁场最强，为提高磁铁性能利用，安装时应保证磁铁轴向中心与电弧产生位置一致，基本位于触头打开后的中间位置，如图6和图7所示。图8是灭弧室区域轴向中心切面的磁场分布，横坐标为径向位置，纵坐标为轴向位置。在轴向中心15～25mm处，磁场最强超过450mt，而真空灭弧室触头开距较小，一般在10mm左右，正好与强磁场区域吻合。或者可以分为静侧永磁体和动侧永磁体两个部分，如图9所示，各自独立为动触头和静触头提供磁场，使触头表面的弧根处于最强的磁场中，强化磁吹效果。
52.永磁体结构可以为一个整体永磁体并带有相应的永磁体外壳包裹支撑；或所述永磁体结构可以分为静侧永磁体和动侧永磁体两个部分，各自独立为动触头和静触头提供磁场，静侧永磁体与动侧永磁体所在平面相互平行且环形中心在同一直线上，且动侧永磁体的按照海尔贝克永磁体排列方式形成的磁场矢量与静侧永磁体的按照海尔贝克永磁体排列方式形成的磁场矢量所成夹角在0-180
°
之间，包含0
°
和180
°
。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。
53.图10是8阶海尔贝克永磁体安装位置与排列方式示意图，可为触头中心区域提供单极或双极强横向磁场。
54.图11是12阶海尔贝克永磁体安装位置与排列方式示意图。可为触头中心区域提供单极、双极和三(多)极强横向磁场。
55.图12是实施例中灭弧室区域中心位置径向切面的仿真计算结果，在灭弧室中心及其附近区域基本为400mt均匀磁场，边缘地区磁场强度存在对称交替的波动。
56.本发明的一种灭弧室结构，通过将永磁体安装在灭弧室外部，负责给灭弧室提供横向强磁场。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，磁场在灭弧室内分布均匀，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。