李廣 黃中 馬子文

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司712研究所，武漢 430064)

1 引言

傳統(tǒng)斷路器通常以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，帶動(dòng)操作機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)斷路器合閘動(dòng)作，并通過(guò)彈簧儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)進(jìn)行保持，保證斷路器的觸頭壓力。在應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力小，斷路器合閘不可靠的現(xiàn)象，對(duì)電力系統(tǒng)保護(hù)存在隱患。電動(dòng)機(jī)的改造和調(diào)整均不方便且成本較高。目前已經(jīng)出現(xiàn)用電磁鐵代替電動(dòng)機(jī)的技術(shù)趨勢(shì)，不僅完全適用斷路器的工作要求，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便。本文以ZDS斷路器為使用對(duì)象，采用有限元法建模分析計(jì)算了直流螺管電磁鐵的靜態(tài)磁場(chǎng)、靜態(tài)吸力特性，為直流螺管電磁鐵在斷路器操作機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究實(shí)踐。

有限元法被廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)研發(fā)的前期階段，能就其所被使用的系統(tǒng)進(jìn)行精確計(jì)算及性能預(yù)測(cè)。有限元法一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)在于其建模的靈活性，能夠很好地處理具有任意復(fù)雜形體地媒質(zhì)分布問(wèn)題，對(duì)一些用傳統(tǒng)方法無(wú)法獲得解析解的問(wèn)題，較容易得到精度很高且滿足工程實(shí)際應(yīng)用需要的數(shù)值解。利用有限元法對(duì)電磁鐵磁場(chǎng)進(jìn)行分析已經(jīng)成為工程領(lǐng)域中必不可少的手段。

2 直流螺管電磁鐵的設(shè)計(jì)

2.1 電磁鐵的設(shè)計(jì)輸入和結(jié)構(gòu)型式選擇

（1）設(shè)計(jì)對(duì)象直流電磁鐵是取代原來(lái) ZDS斷路器中的電動(dòng)機(jī)使用，ZDS斷路器中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)量保持不變。

圖1 ZDS斷路器中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

由此確定了電磁鐵結(jié)構(gòu)型式為螺管式結(jié)構(gòu)，直動(dòng)吸入式，立式安裝，最大工作行程18 mm，且電磁鐵的外形尺寸要求：直徑小于 110 mm，長(zhǎng)度小于120 mm。

電磁鐵在ZDS斷路器中工作原理為：在合閘線圈通電后，動(dòng)鐵心上移吸合，帶動(dòng)連桿驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使斷路器合閘，合閘信號(hào)使線圈斷電后，動(dòng)鐵心及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)因重力作用下落復(fù)位，不會(huì)影響斷路器分閘動(dòng)作并為下次合閘做好準(zhǔn)備。

（2）ZDS斷路器合閘時(shí)負(fù)載特性曲線，見(jiàn)下圖2：

圖2 ZDS斷路器合閘時(shí)負(fù)載特性曲線

電磁鐵吸力特性應(yīng)盡量匹配斷路器的負(fù)載特性。

由圖2知，電磁鐵在動(dòng)鐵心工作行程內(nèi)應(yīng)吸力較大且特性較為平緩。采用盆式磁極機(jī)構(gòu)及變截面磁分路，合理設(shè)置盆邊高度和厚度，并將動(dòng)鐵心端頭設(shè)計(jì)成截錐形，可以顯著消除電磁鐵吸力特性曲線的下凹部分而變得平滑起來(lái)。其結(jié)構(gòu)截面如圖3所示。上、下端蓋，動(dòng)鐵心均選用電工純鐵DT4的棒料。

盆式磁極機(jī)構(gòu)中，動(dòng)鐵心端面在整個(gè)行程中，始終在擋鐵的盆形內(nèi)腔滑動(dòng)，減少了工作氣隙磁阻，同時(shí)底蓋外套和動(dòng)鐵心形成的非工作氣隙由于內(nèi)套的圓柱形表面積很大而使非工作氣隙磁阻也很小。這些都使這種電磁鐵所需的激磁安匝較小，銅鐵材料的消耗比其他型式螺管電磁鐵要少。

圖3 直流螺管電磁鐵截面圖

2.2 磁場(chǎng)計(jì)算

螺管電磁鐵的磁場(chǎng)分布為軸對(duì)稱(chēng)場(chǎng)。根據(jù)靜態(tài)場(chǎng)的麥克斯韋爾方程組，可推導(dǎo)出軸對(duì)稱(chēng)場(chǎng)的非線性泊松方程，采用圓柱坐標(biāo)可得：

式中：Aa—矢量磁位的方向向量；μ—媒質(zhì)的磁導(dǎo)率；i、N、Sc—分別為線圈電流、匝數(shù)及銅占面積。

邊界?Ω為電磁鐵外輪廓線及軸對(duì)稱(chēng)線。

2.3 電磁力計(jì)算

根據(jù)麥克斯韋爾理論，磁場(chǎng)對(duì)某一媒質(zhì)空間的作用力可以通過(guò)計(jì)算包圍該媒質(zhì)的任一封閉面上的電磁應(yīng)力的面積分而得到，即

在軸對(duì)稱(chēng)場(chǎng)中，徑向合力為零，即 Fr＝0，故某一媒質(zhì)空間所受的作用力為軸向力FZ，求解（3）得：

取動(dòng)鐵心外表面為積分閉合面，應(yīng)用式（4）即可求出動(dòng)鐵心所受電磁吸力。

3 有限元計(jì)算及分析

3.1 網(wǎng)格劃分

由于機(jī)構(gòu)為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，為減小計(jì)算量，將直流螺管式電磁鐵簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱(chēng)模型，并進(jìn)一步忽略渦流和非工作氣隙磁阻影響，實(shí)踐表明，這不僅大大降低了計(jì)算工作量，而且對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算的精度影響不大。

為了仿真計(jì)算直流螺管式電磁鐵的動(dòng)態(tài)特性，需要計(jì)算動(dòng)鐵心不同位置的吸合力，計(jì)算動(dòng)鐵心、磁缸、上下端蓋內(nèi)部的磁場(chǎng)飽和情況，因此采用了ANSYS的參數(shù)化編程語(yǔ)言APDL進(jìn)行建模。圖2為有限元網(wǎng)格剖分圖。網(wǎng)格單元數(shù)為23602，節(jié)點(diǎn)數(shù)為71421。

3.2 邊界條件

載荷給元導(dǎo)體加電流，在 2D分析中，只有xOy坐標(biāo)平面的法線方向J的軸分量有效。對(duì)繞線型線圈來(lái)說(shuō)，電流一般是均勻分布，通常直接將源電流密度載荷加給單元，源電流密度載荷計(jì)算公式為：

式中：h—線圈高度（設(shè)計(jì)參數(shù)）；b—線圈厚度（設(shè)計(jì)參數(shù)）；k—線圈填充系數(shù)；N—線圈匝數(shù)；I—線圈電流。

3.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù) 2.1的負(fù)載特性、外形尺寸、工作行程等要求，在充分利用現(xiàn)有條件的基礎(chǔ)上，給出圖3所示結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)定值：dc＝70 mm，α＝45°，且h＝25 mm，d1＝16 mm；并設(shè)定充電電壓 U＝DC220 V，充電電流I＝60 A，計(jì)算出線圈匝數(shù)N＝344，線圈R＝2.67 Ω，線圈繞線直徑d0＝1.05 mm。

圖4 有限元網(wǎng)格剖分圖

由以上數(shù)據(jù)建立有限元模型，通過(guò)有限元軟件分析計(jì)算，可得到電磁鐵的磁力線分布圖(動(dòng)鐵心合閘過(guò)程的三個(gè)位置，工作氣隙18 mm)，如圖4所示。

4 直流螺管電磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

直流螺管電磁鐵的結(jié)構(gòu)型式確定以后，各部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定也是一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。實(shí)質(zhì)上就是為了更好地滿足負(fù)載特性、整個(gè)磁路不出現(xiàn)過(guò)飽和、采用更具現(xiàn)場(chǎng)條件的線圈電壓和電流，需要對(duì)動(dòng)鐵心直徑、上端蓋的盆式磁極的結(jié)構(gòu)參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化。因?yàn)橐惶缀侠淼慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)，是直流螺管電磁鐵能夠達(dá)到良好性能指標(biāo)的基礎(chǔ)。

以下將磁極的兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)（磁極高度 h，磁極端部直徑d1）作為設(shè)計(jì)變量，有限元仿真得到的吸力數(shù)據(jù)和特性曲線如下。

⑴ 磁極高度h為變量（d1=16 mm）時(shí)，電磁鐵吸力特性曲線如圖6a。

⑵ 磁極端部直徑d1為變量（h=25 mm）時(shí)，電磁鐵吸力特性曲線如圖6b。

分析以上兩個(gè)表格數(shù)據(jù)及圖6a、圖6b曲線，可知：當(dāng)d1和α相同時(shí)，隨著磁極高度h的增加，電磁鐵的吸力特性越趨平緩，但在h達(dá)到25 mm后電磁鐵吸力曲線平緩度變化不大；當(dāng)h和α相同時(shí)，隨著磁極端部直徑d1的增加，電磁鐵的吸力特性越趨平緩。

圖6 a 磁極高度h為變量時(shí)電磁鐵的吸力特性曲線

圖6 b 磁極端部直徑d1為變量時(shí)電磁鐵的吸力特性曲線

故選取磁極高度 h＝25 mm，磁極端部直徑d1＝16 mm，磁極錐形表面傾斜角α＝45°，為優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。其電磁吸力特性為圖6b中最下面那條曲線。圖7為本次仿真設(shè)計(jì)優(yōu)化的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖。

以上優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，完全滿足ZDS斷路器操作機(jī)構(gòu)用直流螺管電磁鐵的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以ZDS斷路器為適用對(duì)象，通過(guò)磁場(chǎng)有限元分析，采用基于ANSYS的參數(shù)化編程方法，設(shè)計(jì)了一種直流螺管電磁鐵，將斷路器電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式由傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)變?yōu)殡姶盆F驅(qū)動(dòng)。計(jì)算了直流螺管電磁鐵在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的磁力線分布情況、線圈參數(shù)，最后根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)電磁鐵的盆式磁極的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到對(duì)應(yīng)的電磁吸力特性曲線，確定了最終的直流螺管電磁鐵設(shè)計(jì)結(jié)果。本文采用的方法為螺管直流電磁鐵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種有效分析手段，對(duì)其在斷路器上的研發(fā)應(yīng)用具有參考價(jià)值。

圖7 動(dòng)鐵心處于合閘起始位置磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

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