郭鳳儀，李 朋，李 斌，王智勇，李春光，王繼強(qiáng)，王喜利

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島 125105）

電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的電磁緩沖仿真實(shí)驗(yàn)研究

郭鳳儀，李 朋，李 斌，王智勇，李春光，王繼強(qiáng)，王喜利

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島 125105）

為彌補(bǔ)彈簧緩沖的不足，提出一種適用于電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)合閘過(guò)程的電磁緩沖控制思想。在觸頭合閘運(yùn)動(dòng)中對(duì)通過(guò)緩沖線圈施加反向激磁電流，利用反向電磁力來(lái)相對(duì)減小合閘吸力，從而降低機(jī)械沖擊、減少觸頭彈跳、實(shí)現(xiàn)合閘緩沖。采用ANSYS三維矢量分析法，針對(duì)不同緩沖電流以及不同緩沖位置時(shí)電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的合閘吸力特性進(jìn)行了仿真計(jì)算;利用實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)不同緩沖控制條件下的觸頭振動(dòng)情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。初步研究表明，緩沖電流的大小以及緩沖電流的施加位置、施加時(shí)間對(duì)電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的吸力特性具有重要影響，只有綜合考慮這三種因素、選擇合適的控制條件才能得到較為理想的合閘特性和緩沖效果。電磁緩沖控制對(duì)于其它操動(dòng)機(jī)構(gòu)中存在的合閘沖擊問(wèn)題也具有一定的借鑒意義。

電磁緩沖;電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu);反向激磁

1 引言

操動(dòng)機(jī)構(gòu)是開(kāi)關(guān)電器的關(guān)鍵部件之一，其吸力-反力特性的好壞將直接影響到開(kāi)關(guān)電器的通斷能力及其使用壽命［1］。目前，電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)仍在斷路器、接觸器等電磁式開(kāi)關(guān)電器中被廣泛應(yīng)用［2，3］。為解決電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)合閘操作末速度過(guò)快而引起的觸頭合閘彈跳問(wèn)題，目前普遍使用緩沖彈簧來(lái)減少合閘時(shí)的機(jī)械沖擊力。但這種解決辦法不僅具有機(jī)械裝置緩沖帶來(lái)的可靠性低的問(wèn)題，還具有因彈簧緩沖特性的可控性差而不利于實(shí)現(xiàn)合閘過(guò)程智能操作的不足。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種適用于電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)合閘過(guò)程的電磁緩沖控制思想。所謂電磁緩沖控制，就是在觸頭合閘運(yùn)動(dòng)至末端的某段時(shí)間內(nèi)對(duì)緩沖線圈施加合適的反向激磁電流，利用反向電磁力來(lái)相對(duì)減小合閘力，從而降低機(jī)械沖擊、減少觸頭彈跳，從而達(dá)到提高電磁式開(kāi)關(guān)電器合閘特性、延長(zhǎng)觸頭使用壽命的目的。

2 電磁緩沖技術(shù)仿真分析

論文以CJ20-10型接觸器的電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)為例，采用ANSYS三維矢量分析法，針對(duì)不同緩沖電流以及不同緩沖位置時(shí)電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的合閘吸力特性進(jìn)行了仿真計(jì)算［4-7］。該接觸器為U型直動(dòng)式結(jié)構(gòu)，觸頭開(kāi)距為4mm，繞組匝數(shù)13匝，合匝時(shí)施加120A的電流的激磁電流，反向激磁緩沖電流可以根據(jù)需要調(diào)整。該電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)加設(shè)緩沖線圈后在ANSYS環(huán)境下的仿真模型如圖1所示。

圖1 線圈緩沖式電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的ANSYS仿真模型Fig.1 ANSYS simulation model of electromagnetic actuator with buffer coil

為尋求合適的緩沖激磁電流，首先進(jìn)行了緩沖電流仿真計(jì)算。如果單從減小機(jī)械沖擊的角度考慮，在合閘階段施加的反向緩沖激磁電流越大，越能增強(qiáng)緩沖作用，從而減小彈跳。但隨著緩沖電流的增大，產(chǎn)生的電磁反力對(duì)電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的固有吸力的相互抵消作用會(huì)不斷增強(qiáng)，使其有效的合閘吸力越來(lái)越小。當(dāng)合閘吸力被降低到小于其固有的反力時(shí)，觸頭便不能完成合閘操作。為了既能保證觸頭可靠合閘，即有效吸力始終大于固有反力，在電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)合閘開(kāi)始時(shí)刻便分別施加15A、30A、40A反向激磁電流，得到合閘過(guò)程中不同緩沖電流一直作用下的電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)工作特性仿真曲線，如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，三種電磁緩沖電流作用下，電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的合閘吸力明顯減小。在合閘過(guò)程進(jìn)入超程區(qū)域以后，曲線5(即反向激磁電流為40A時(shí)的吸力曲線）與固有反力曲線的配合較好，既保證了觸頭能可靠合閘又能較大程度地提高緩沖性能，可以近似認(rèn)為是一個(gè)合適的緩沖電流值。

圖2 不同緩沖電流作用下電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作特性仿真曲線Fig.2 Operating characteristics simulation curves of electromagnetic actuator under different buffer-current conditions

但在合閘的起始階段，三種電磁緩沖作用下的電磁吸力曲線與固有反力特性的配合程度不是十分理想，這說(shuō)明，在合閘開(kāi)始時(shí)刻就施加緩沖電流是不合適的。同時(shí)，由于操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)存在一定的慣性，即從施加緩沖電流、產(chǎn)生電磁反力到運(yùn)動(dòng)速度的下降需要一定的過(guò)渡時(shí)間。因此，在合閘過(guò)程的最末端施加緩沖電流，可能存在著因緩沖作用時(shí)間較短而無(wú)法有效緩沖的不足。為此，在確定了合適的緩沖電流的前提下，選取一個(gè)合適的合閘位置進(jìn)行緩沖激磁就顯得十分必要。

圖3為在合閘過(guò)程的三個(gè)不同位置開(kāi)始施加40A反向激磁電流時(shí)的電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)工作特性仿真曲線?？梢?jiàn)，由于沒(méi)有在合閘開(kāi)始時(shí)就施加反向激磁，所以，在開(kāi)始合閘到施加反向緩沖電流的位置期間，電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)將按固有吸力特性進(jìn)行合閘運(yùn)動(dòng)，不僅可以有效地避免合閘初期因緩沖電流過(guò)大而造成不能可靠合閘的可能性，又可以較大程度地彌補(bǔ)因施加緩沖而帶來(lái)的合閘初期運(yùn)動(dòng)速度下降的不足。在合閘運(yùn)動(dòng)后期，緩沖電流的電磁反力開(kāi)始起作用，使有效的合閘吸力減小、觸頭運(yùn)動(dòng)速度下降，從而降低了合閘末端的機(jī)械沖擊作用、減少了觸頭彈跳，即實(shí)現(xiàn)了合閘過(guò)程的電磁緩沖控制。

圖3 不同位置施加40A緩沖電流時(shí)電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作特性仿真曲線Fig.3 Operating characteristics simulation curves of electromagnetic actuator under different applied locations of 40A buffer current conditions

3 電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)電磁緩沖實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)裝置由兩個(gè)牽引力電磁鐵組裝而成的電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)模擬裝置和以MMA7260Q型加速度傳感器為核心的控制器組成［8］，如圖4。該實(shí)驗(yàn)裝置的動(dòng)作與接觸器的吸合原理完全一致，與接觸器不同的是此實(shí)驗(yàn)裝置在動(dòng)鐵芯另一端裝有另一個(gè)電磁線圈(即緩沖線圈），此線圈用來(lái)施加反向激磁達(dá)到電磁緩沖的作用。

加速度傳感器測(cè)量原理本質(zhì)是兩片彈性間距的平板電容，改變間距即改變電容，因而改變輸出電壓。所以通過(guò)觀察示波器輸出的電壓波形大小，就可以知道電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)振動(dòng)的情況。實(shí)驗(yàn)將加速度傳感器固定于操動(dòng)機(jī)構(gòu)的靜鐵芯端部，通過(guò)示波器觀察輸出信號(hào)幅度及頻率，可以分析出觸頭振動(dòng)情況，進(jìn)而通過(guò)調(diào)節(jié)反向激磁線圈電流及通電時(shí)間，來(lái)達(dá)到減少動(dòng)鐵芯的振動(dòng)與觸頭的彈跳的目的。實(shí)驗(yàn)裝置中動(dòng)鐵芯行程為12mm，為了使觸頭吸合時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和彈跳最小的同時(shí)，得到最佳的反向激磁位置，實(shí)驗(yàn)中使用電子接近開(kāi)關(guān)作為動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)位置信號(hào)的檢測(cè)元件。

圖4 實(shí)驗(yàn)電路簡(jiǎn)圖與實(shí)驗(yàn)裝置Fig.4 Circuit and picture of experimental device

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的主勵(lì)磁線圈電源為AC220V，施加反向激磁的緩沖線圈電源為DC160V。市電通過(guò)調(diào)壓器降壓，再經(jīng)全橋整流后得到160V脈動(dòng)直流給儲(chǔ)能電容器充電［9］。當(dāng)電容器電壓符合條件時(shí)，控制器發(fā)出吸合信號(hào)，繼電器接通主勵(lì)磁線圈電源，電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)作。當(dāng)動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)到接近開(kāi)關(guān)限定位置后，控制器在收到傳感器發(fā)來(lái)的中斷信號(hào)后，發(fā)出一定時(shí)間的反向激磁信號(hào)，控制功率MOSFET導(dǎo)通，電磁緩沖線圈獲得電流，此時(shí)動(dòng)鐵芯受到反向的電磁力而使觸頭末速度大大降低，從而減輕了吸合時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度。通過(guò)示波器觀察由加速度傳感器檢測(cè)的觸頭對(duì)觸點(diǎn)撞擊的振動(dòng)波形，反復(fù)調(diào)整接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)位置，就可以研究動(dòng)鐵芯在不同位置施加緩沖激磁時(shí)的振動(dòng)規(guī)律［10］。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了在保證電磁機(jī)構(gòu)能夠可靠吸合的同時(shí)減少振動(dòng)和觸頭彈跳的不利影響，實(shí)驗(yàn)利用控制器對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行測(cè)量并且嚴(yán)格控制緩沖激磁線圈的通電時(shí)間，分別驗(yàn)證了動(dòng)鐵芯在不同位置時(shí)開(kāi)始緩沖激磁與動(dòng)鐵芯在同一位置而施加不同的緩沖激磁時(shí)間兩組實(shí)驗(yàn)效果，分別如圖5、圖6所示。

從圖5可以看出，電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)在不施加反向激磁和施加反向激磁的情況下有明顯的不同，無(wú)電磁緩沖時(shí)觸頭彈跳幅度大而且頻繁，施加電磁緩沖后彈跳幅度減小而且次數(shù)減少。同時(shí)也可以看出在不同位置施加反向激磁，激磁效果不同。當(dāng)緩沖激磁時(shí)間同為1ms時(shí)，在觸頭工作間隙為8mm時(shí)緩沖效果較好。

圖5 不同行程位置時(shí)施加反向激磁時(shí)的振動(dòng)波形Fig.5 Vibration waveforms under different applied location of reverse excitation conditions

圖6是電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)在觸頭行程相同而緩沖激磁時(shí)間不同時(shí)的振動(dòng)波形。由圖可見(jiàn)，因電磁緩沖通電時(shí)間的不同，起到減小振動(dòng)的效果也不同。通電3ms時(shí)的效果明顯好于其它情況。但激磁時(shí)間既不是越短越好，也不是越長(zhǎng)越好，太短起不到太好的緩沖作用，太長(zhǎng)又會(huì)使分合閘時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，所以選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)間施加是很重要的，同時(shí)也要配合在適當(dāng)位置施加才會(huì)達(dá)到較為理想的緩沖效果。

4 結(jié)論

圖6 不同反向激磁時(shí)間條件下的振動(dòng)波形Fig.6 Vibration waveforms under different reverse exciting time conditions

1）提出一種適用于電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)合閘過(guò)程的電磁緩沖控制思想，通過(guò)對(duì)緩沖線圈施加反向激磁電流，利用反向電磁力來(lái)降低機(jī)械沖擊，實(shí)現(xiàn)合閘緩沖。

2）初步研究表明，利用電磁緩沖控制方法的確可以起到降低合閘末端時(shí)的機(jī)械沖擊、減少觸頭彈跳的作用。但緩沖電流的大小以及緩沖電流的施加位置、施加時(shí)間對(duì)電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的吸力特性具有重要影響，只有綜合考慮這三種因素、選擇合適的控制條件才能得到較為理想的合閘特性和緩沖效果。

3）電磁緩沖控制對(duì)于其它操動(dòng)機(jī)構(gòu)中存在的合閘沖擊問(wèn)題也具有一定的借鑒意義，將該控制策略應(yīng)用于實(shí)際還需進(jìn)行大量而又深入的研究工作。

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Simulation and experimental research on electromagnetic buffer of electromagnetic actuator

GUO Feng-yi，LI Peng，LI Bin，WANG Zhi-yong，LI Chun-guang，WANG Ji-qiang，WANG Xi-li
(Liaoning Technical University，Huludao 125105，China）

To compensate the shortcomings of spring buffer method，a kind of electromagnetic buffer control idea used for electromagnetic actuator on the course of closing processes was introduced.Applying a proper reverse exciting current to the buffer coil during the closing movement，a reverse force generated by the reverse current will decrease the inherent closing suction，therefore，can reduce the mechanical impact and achieve the function of closing buffer.By 3D vector analysis method with ANSYS software，the simulation calculation on closing suction characteristics of electromagnetic actuator under different conditions was carried out.Meanwhile，the contactor vibration curves were observed by a special experimental device.Preliminary studies have shown that the buffer current and its imposing position and imposing time have an important influence on suction characteristics.Only with comprehensive consideration of these three factors and selection of the appropriate control conditions，it is possible to get more satisfactory closing properties and buffer effects.The electromagnetic buffer control idea has certain significance of reference for other actuators to solve the existing closing impact problem.

electromagnetic buffer;electromagnetic actuator;reverse excitation

TM561

A

1003-3076(2010）03-0068-04

2009-09-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50677027）;遼寧省優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(2007R22）

郭鳳儀(1964-），男，內(nèi)蒙籍，教授/博導(dǎo)，主要研究方向?yàn)殡娖髦悄芑?、電接觸理論及其應(yīng)用。