本发明属于真空断路器和真空直流开断技术领域，具体涉及一种多极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室及应用。
背景技术：
真空断路器经过快速的发展，目前已经广泛应用于交流的输配电领域。伴随着国内外电动汽车、太阳能发电等直流电领域的迅猛发展，以及真空电弧理论及其应用的深入，真空断路器优异的开断性能如何应用于直流开断成为了一个巨大的挑战，并形成了巨大的需求。
传统的真空断路器在交流电流系统的应用中，其真空电弧控制技术主要有两种类型：横向磁场控制技术(TMF)和纵向磁场控制技术 (AMF)。其中，横向磁场控制技术是通过特定的触头结构，使得电流流过该触头时在触头间隙中感应出垂直于电弧电流流向的横向磁场，使电弧在触头表面受力作高速旋转运动，避免电弧对触头表面的烧蚀过于集中，使触头的烧蚀更均匀，从而提高开关的开断能力。纵向磁场控制技术是通过特定的触头结构，使得电流流过该触头时在触头间隙中感应出平行于电弧电流流向的纵向磁场，纵向磁场可抑制大电流情况下电弧在阴极阳极表面的集聚，减轻电弧对于触头表面的烧蚀，同样提高了开关的开断能力。
研究表明，当在真空电弧燃弧过程中，在垂直电弧电流流向的横向施加高频的横向磁场时，其真空电弧的电压会有大幅的提升。目前，传统的纵向磁场触头作用下真空电弧电压范围为20-60V，而横向磁场触头作用下真空电弧电压的范围为50-100V。与气体电弧，特别是氢气电弧等相比，其电真空弧的电压较小。而在直流电流以及特殊的场合，需要电弧具有较高的电弧电压，以便顺利完成电流的开断。那么，传统触头结构的真空灭弧室及其真空电弧的电压特性不能满足应用的要求。经过大量的理论和实验研究，在高频的横向磁场作用下，真空电弧的电弧电压可以提升40-80％，并且还有很大的提升空间。
在真空电弧施加高频的横向磁场在实验室等条件下还是比较容易实现的，但是其结构系统太过复杂。一方面需要设置产生横向磁场的亥姆霍兹线圈，另外一方面还需要提供使得亥姆霍兹线圈产生磁场的高频电流。此种方法虽然在理论上达到了设计的预期，但是过度复杂的结构设计以及供电回路制约了高频横向磁场作用下的真空电弧在工业领域的广泛应用。
技术实现要素：
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种多极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室及应用，在杯状横向磁场结构触头的基础上，通过永磁体组合结构和触头杯座内部的导磁铁芯结构的配合，解决了在真空灭弧室燃弧过程中实现高频横向磁场外设结构过于复杂的问题；本发明在理论研究和实验的基础上，提出了具有工业应用前景的高频横向磁场作用下的，具有高电弧电压的真空灭弧室结构，可用于需要高电弧电压的电路开断领域。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种多极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室，包括真空灭弧室瓷壳122外侧配置的静侧永磁体组合结构201和动侧永磁体组合结构202，真空灭弧室瓷壳122内侧配置的静侧多极式导磁铁芯结构103 和动侧多极式导磁铁芯结构106；通过所述静侧永磁体组合结构201 和动侧永磁体组合结构202与静侧多极式导磁铁芯结构103和动侧多极式导磁铁芯结构106，在静侧杯状横向磁场结构触头102和动侧杯状横向磁场结构触头107间隙内产生多极的横向磁场；当电弧弧柱在触头间隙沿静侧环状触头材料104和动侧环状触头材料105做圆周运动的过程中，会经过并切割由静侧永磁体组合结构201和动侧永磁体组合结构202与静侧多极式导磁铁芯结构103和动侧多极式导磁铁芯结构106配合产生的横向磁场的磁场线；由于在大电流真空电弧的燃弧过程中，电弧弧柱受到静侧杯状横向磁场结构触头102和动侧杯状横向磁场结构触头107产生的磁场的作用，会在触头间隙快速的运动，从而实现在一个燃弧周期中的由静侧永磁体组合结构201和动侧永磁体组合结构202与静侧多极式导磁铁芯结构103和动侧多极式导磁铁芯结构106配合产生的横向磁场对于电弧的多次作用，使得所发明的真空灭弧室的永磁体励磁系统的作用与高频横向磁场的作用效果相类似，由此，极大的提升真空电弧的电弧电压。
经研究，在大电流杯状横向磁场触头燃弧过程中，真空电弧沿环形触头片旋转一圈的时间大概为2ms，如果横向永磁体组为6极，那么经过单个永磁体横向磁场的时间为0.33ms，相当于作用在真空电弧上的横向磁场的频率为3000Hz，考虑到整个燃弧过程电弧弧柱的旋转速度具有一定的波动性，那么作用在真空电弧的横向磁场的频率范围相当于为1000Hz以上。那么在永磁体组合结构和触头杯座内部的导磁铁芯结构的配合下，其作用效果和真空灭弧室外部的亥姆霍兹线圈产生的高频横向磁场相当。
具体设计如下
一种多极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室，包括静侧结构部分和动侧结构部分；
所述静侧结构部分包括静侧导电杆101，所述静侧导电杆101的上端焊接有真空灭弧室静端盖板121，在真空灭弧室静端盖板121的边缘焊接有真空灭弧室瓷壳122；静侧导电杆101的下端焊接有静侧杯状横向磁场结构触头102，静侧杯状横向磁场结构触头102的下端焊接有静侧环状触头材料104；所述静侧杯状横向磁场结构触头102 的内部底面焊接有静侧多极式导磁铁芯结构103，所述静侧环状触头材料104的焊接面较静侧多极式导磁铁芯结构103的外表面更突出；在所述静侧多极式导磁铁芯结构103的相应高度范围内，在真空灭弧室瓷壳122的外部周圈放置有静侧永磁体组合结构201；所述静侧永磁体组合结构201包括静侧永磁体支撑环109和均匀插接在静侧永磁体支撑环109周圈的多个静侧永磁体组110；
所述动侧结构部分包括动侧导电杆108，动侧导电杆108的上端焊接有动侧杯状横向磁场结构触头107，动侧杯状横向磁场结构触头 107的上端焊接有动侧环状触头材料105；所述动侧杯状横向磁场结构触头107的内部底面焊接有动侧多极式导磁铁芯结构106，所述动侧环状触头材料105的焊接面较动侧多极式导磁铁芯结构106的外表面更突出；在所述动侧多极式导磁铁芯结构106的相应高度范围内，在真空灭弧室瓷壳122的外部周圈放置有动侧永磁体组合结构202；所述动侧永磁体组合结构202包括动侧永磁体支撑环112和均匀插接在动侧永磁体支撑环112周圈的多个动侧永磁体组111；在所述动侧导电杆108的下侧焊接有波纹管连接环123，波纹管连接环123下方焊接有波纹管124，波纹管124的下端焊接有真空灭弧室动端盖板 125；
所述静侧多极式导磁铁芯结构103的极数和静侧永磁体组合结构201中静侧永磁体组110的永磁体极数相对应，极数大于等于两个；所述静侧多极式导磁铁芯结构103各个极的分布角度和静侧永磁体组合结构201中静侧永磁体组110的各个永磁体的分布角度完全相同；所述静侧永磁体组合结构201中的静侧永磁体组110中，各个永磁体的N极端和S极端的朝向和与其相差180°的永磁体的N极端和 S极端的朝向相同；所述静侧永磁体组110中永磁体为N极端朝灭弧室侧或S极端朝灭弧室侧；所述静侧永磁体组110中相邻的永磁体的 N极端和S极端的朝向相同或不同；所述静侧永磁体组合结构201) 所在的高度与静侧多极式导磁铁芯结构103所在的高度相同，或根据磁场控制需要与静侧多极式导磁铁芯结构103所在的高度不同；
所述动侧多极式导磁铁芯结构106的极数和动侧永磁体组合结构202中动侧永磁体组111的永磁体极数相对应，极数大于等于2个；所述动侧多极式导磁铁芯结构106各个极的分布角度和动侧永磁体组合结构202中动侧永磁体组111的各个永磁体的分布角度完全相同；所述动侧永磁体组合结构202中的动侧永磁体组111中，各个永磁体的N极端和S极端的朝向和与其相差180°的永磁体的N极端和 S极端的朝向相同；所述动侧永磁体组111中永磁体为N极端朝灭弧室侧或S极端朝灭弧室侧；所述动侧永磁体组111中相邻的永磁体的 N极端和S极端的朝向相同或不同；所述动侧永磁体组合结构202) 所在的高度与动侧多极式导磁铁芯结构106)所在的高度相同，或根据磁场控制需要与动侧多极式导磁铁芯结构106)所在的高度不同。
所述静侧永磁体组合结构201和动侧永磁体组合结构202中，静侧永磁体组110中和动侧永磁体组111中的永磁体端面，分别距离静侧多极式导磁铁芯结构103和动侧多极式导磁铁芯结构106相对应的各个极的端面的距离小于永磁体长度的3倍。
所述静侧永磁体组合结构201和动侧永磁体组合结构202独自分为静侧和动侧两个部分，或合成一个整体并带有相应的永磁体支撑环和相应的永磁体组。
一种真空断路器，包括所述的多极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室。
本发明的多极式横向永磁体结构的真空灭弧室，真空灭弧室瓷壳 122外侧配置有静侧永磁体组合结构201和动侧永磁体组合结构202，真空灭弧室瓷壳122内侧配置有静侧多极式导磁铁芯结构103和动侧多极式导磁铁芯结构106；通过所述静侧永磁体组合结构201和动侧永磁体组合结构202与静侧多极式导磁铁芯结构103和动侧多极式导磁铁芯结构106，在静侧杯状横向磁场结构触头102和动侧杯状横向磁场结构触头107间隙内产生多极的横向磁场；当电弧弧柱在触头间隙沿静侧环状触头材料104和动侧环状触头材料105做圆周运动的过程中，会经过并切割由静侧永磁体组合结构201和动侧永磁体组合结构202与静侧多极式导磁铁芯结构103和动侧多极式导磁铁芯结构 106配合产生的横向磁场的磁场线；由于在大电流真空电弧的燃弧过程中，电弧弧柱受到静侧杯状横向磁场结构触头102和动侧杯状横向磁场结构触头107产生的磁场的作用，会在触头间隙快速的运动，从而实现在一个燃弧周期中的由静侧永磁体组合结构201和动侧永磁体组合结构202与静侧多极式导磁铁芯结构103和动侧多极式导磁铁芯结构106配合产生的横向磁场对于电弧的多次作用，使得所发明的真空灭弧室的永磁体励磁系统的作用与高频横向磁场的作用效果相类似。由此，极大的提升真空电弧的电弧电压，从而实现直流电流的开断以及其他需要较高电弧电压条件的应用领域。这一设计，不仅充分考虑了高频横向磁场对于真空电弧电压的影响特性，同时充分利用的杯状横向磁场触头真空电弧在燃弧过程中的高速圆周运动特性。此外，本设计还提出了十分巧妙的横向磁场的磁路设计，成功通过多极永磁体结构实现了横向磁场的多极设计。本设计成功的实现了真空电弧的电压值的提升，为真空灭弧室及其应用的真空断路器在直流开断中的应用具有十分重要的推动作用。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)本发明实现了高频横向磁场对于真空电弧的作用，利用电弧在触头表面作高速旋转运动的特性，成功的通过灭弧室的结构设计，提升了真空灭弧室电弧电压的幅值，为相应设计的真空灭弧室及其应用的真空断路器在直流开断中的应用提供了可能。
2)本发明提出了十分巧妙的横向磁场的磁路设计，成功通过多极永磁体结构和导磁铁芯结构实现了多极横向磁场的设计。此设计不需要复杂的亥姆霍兹线圈和复杂的励磁电流的供电系统。
3)本发明结构简单，故障率低，可以极大地促进相关应用的真空灭弧室在工业领域的广泛应用。
4)传统横磁触头间隙中的横向磁场强度随着触头开距的增加迅速衰减，制约了横向磁场触头结构在更高电压等级的应用。本发明通过永磁体组合结构在触头间隙产生的较强的磁场，可以促进相关真空灭弧室在更高电压等级的应用。
附图说明
图1是本发明的新型多极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室中其中一种四极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室的触头及永磁励磁结构的轴向剖视图。
图2是本发明的新型多极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室中其中一种四极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室的触头及永磁励磁结构的侧面视图。
图3a和图3b分别是本发明的新型多极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室中其中一种四极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室的触头及永磁励磁结构位置配合图及其径向剖视图。
图4a是本发明的新型多极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室中其中一种四极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室的其中一组永磁体的N极和S极的配合示意图，图4b为另外一组永磁体的N 极和S极的配合示意图。
图5a、图5b和图5c分别是本发明的新型多极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室中四极式、六极式和八极式横向永磁体组合及其触头结构的配合示意图。
图6a和图6b分别是本发明的新型多极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室中四极式和六极式横向永磁体的N极和S极配合示意图。
图7是本发明的新型多极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室中四极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室的剖视图。
图8是本发明的新型多极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室中四极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室的侧面视图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
图1和图2分别是本发明的多极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室中其中一种四极式横向永磁体结构真空灭弧室的触头及永磁励磁结构的轴向剖视图和侧面视图。如图1和图2所示，静侧结构部分包括静侧导电杆101，静侧导电杆101的下端焊接有静侧杯状横向磁场结构触头102，静侧杯状横向磁场结构触头102的下端焊接有静侧环状触头材料104。所述静侧杯状横向磁场结构触头102的内部底面焊接有静侧多极式导磁铁芯结构103。所述静侧环状触头材料104 的焊接面较静侧多极式导磁铁芯结构103的外表面更突出。在所述静侧多极式导磁铁芯结构103的相应高度范围内，在真空灭弧室瓷壳 122的外部放置有静侧永磁体组合结构201。所述静侧永磁体组合结构201包括有静侧永磁体支撑环109和静侧永磁体组110。
如图1和图2所示，动侧结构部分包括动侧导电杆108，动侧导电杆108的上端焊接有动侧杯状横向磁场结构触头107，动侧杯状横向磁场结构触头107的上端焊接有动侧环状触头材料105。所述动侧杯状横向磁场结构触头107的内部底面焊接有动侧多极式导磁铁芯结构106。所述动侧环状触头材料105的焊接面较动侧多极式导磁铁芯结构106的外表面更突出。在所述动侧多极式导磁铁芯结构106的相应高度范围内，在真空灭弧室瓷壳122的外部放置有动侧永磁体组合结构202。所述动侧永磁体组合结构202包括有动侧永磁体支撑环 112和动侧永磁体组111。
静侧永磁体组110和动侧永磁体组111分别由4个永磁体组成，分别在静侧永磁体支撑环109和动侧永磁体支撑环112上沿圆周均匀分布。
图3a和图3b是本发明的多极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室中其中一种四极式横向永磁体结构真空灭弧室的触头及永磁励磁结构位置配合图及其径向剖视图。动侧永磁体组111由4个永磁体组成，其在动侧永磁体支撑环112上沿圆周均匀分布，并且与动侧杯状横向磁场结构触头107内部的动侧多极式导磁铁芯结构106的四极相对。所示动侧永磁体组合结构202中，动侧永磁体组111中的永磁体端面距离动侧多极式导磁铁芯结构106各个极的相对应的端面的距离为l，永磁体长度为g，那么l的变化范围0到3g。
图4a和图4b是本发明的多极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室中其中一种四极式横向永磁体结构真空灭弧室的永磁体的N极和S极的配合示意图。如图4a和图4b所示，静侧永磁体组合结构 201和动侧永磁体组合结构202中，各个永磁体的N极端和S极端的朝向与其相差180°的永磁体的N极端和S极端的朝向相同。
图5a、图5b和图5c是本发明的多极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室中四极式、六极式和八极式横向永磁体组合及其触头结构的配合示意图。动侧多极式导磁铁芯结构106的极数和动侧永磁体组合结构202中的永磁体极数相对应。动侧多极式导磁铁芯结构106 各个极的分布角度和动侧永磁体组合结构202中的各个永磁体的分布角度完全相同。
图6a和图6b是本发明的多极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室中四极式、六极式横向永磁体的N极和S极配合示意图。如图 6a和图6b所示，所述动侧永磁体组合结构202中的动侧永磁体组111 中，各个永磁体的N极端和S极端的朝向与其相差180°的永磁体的 N极端和S极端的朝向相同。所述动侧永磁体组111中永磁体可以是 N极端朝灭弧室侧，也可以是S极端朝灭弧室侧。所述动侧永磁体组111中相邻的永磁体的N极端和S极端的朝向可以相同，也可以不同。
图7是本发明的新型多极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室中四极式横向永磁体结构真空灭弧室的剖视图。如图7所示，所述静侧结构部分包括静侧导电杆101，静侧导电杆101的下端焊接有静侧杯状横向磁场结构触头102，静侧杯状横向磁场结构触头102的下端焊接有静侧环状触头材料104。所述静侧杯状横向磁场结构触头 102的内部底面焊接有静侧多极式导磁铁芯结构103。所述静侧环状触头材料104的焊接面较静侧多极式导磁铁芯结构103的外表面更突出。在所述静侧多极式导磁铁芯结构103的相应高度范围内，在真空灭弧室瓷壳122的外部放置有静侧永磁体组合结构201。所述静侧永磁体组合结构201包括有静侧永磁体支撑环109和静侧永磁体组 110。所述静侧导电杆101的上端焊接有真空灭弧室静端盖板121，在真空灭弧室静端盖板121的边缘焊接有真空灭弧室瓷壳122。动侧结构部分包括动侧导电杆108，动侧导电杆108的上端焊接有动侧杯状横向磁场结构触头107，动侧杯状横向磁场结构触头107的上端焊接有动侧环状触头材料105。所述动侧杯状横向磁场结构触头107的内部底面焊接有动侧多极式导磁铁芯结构106。所述动侧环状触头材料105的焊接面较动侧多极式导磁铁芯结构106的外表面更突出。在所述动侧多极式导磁铁芯结构106的相应高度范围内，在真空灭弧室瓷壳122的外部放置有动侧永磁体组合结构202。所述动侧永磁体组合结构202包括有动侧永磁体支撑环112和动侧永磁体组111。在动侧导电杆108的下侧焊接有波纹管连接环123，所述波纹管连接环123 下方焊接有波纹管124。所述波纹管124的下端焊接有真空灭弧室静端盖板125。
图8是本发明的新型多极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室中四极式横向永磁体结构真空灭弧室的侧面视图。如图8所示，真空灭弧室瓷壳122外部，在触头间隙的位置有两组永磁体组合结构即静侧永磁体组合结构201和动侧永磁体组合结构202。静侧永磁体组合结构201的静侧永磁体组110由4个永磁体组成，其在静侧永磁体支撑环109上沿圆周均匀分布。动侧永磁体组合结构202的结构组成与静侧永磁体组合结构201相同。所述静侧永磁体组合结构201和动侧永磁体组合结构202所在的高度分别与静侧多极式导磁铁芯结构 103和动侧多极式导磁铁芯结构106所在的高度差小于3倍的触头开距。
本发明不局限于上述优选实施方式，本领域的技术人员可以根据本发明的教导对本发明的新型多极式横向永磁体结构直流开断真空灭弧室及其应用的真空断路器做出修改和变化。所有这些修改和变化均应落在本发明的保护范围之内。