姜 楠，曾晶晶，楊晨光，彭振東

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電磁斥力機(jī)構(gòu)仿真與試驗(yàn)對(duì)比研究

姜 楠，曾晶晶，楊晨光，彭振東

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

電磁斥力機(jī)構(gòu)因其特有優(yōu)勢(shì)成為了研究的熱點(diǎn)，本文簡(jiǎn)單介紹了其工作原理，然后進(jìn)行了有限元仿真，并生產(chǎn)樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。從仿真與試驗(yàn)的對(duì)比分析中，可以看出，電磁斥力機(jī)構(gòu)具有約300 μs的機(jī)械延時(shí)，將仿真結(jié)果在時(shí)間維添加機(jī)械延時(shí)的修正后，仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性得到極大的提高。

電磁斥力機(jī)構(gòu) 機(jī)械延時(shí)

0 引言

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其短路電流已達(dá)到甚至超過(guò)斷路器的開(kāi)斷能力，故障限流器在系統(tǒng)正常時(shí)呈現(xiàn)低阻抗，對(duì)系統(tǒng)幾乎無(wú)影響，在短路故障時(shí)，迅速表現(xiàn)為高阻抗，限制短路電流，因此，成為了研究的熱點(diǎn)。

一種混合式故障限流器，其關(guān)鍵設(shè)備之一為快速分閘開(kāi)關(guān)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)快速開(kāi)關(guān)），該快速開(kāi)關(guān)的快速性是限流器限流水平的決定因素之一，此外，還要求快速開(kāi)關(guān)具有極小的動(dòng)作分散性。

快速開(kāi)關(guān)的動(dòng)作特性由其操動(dòng)機(jī)構(gòu)決定，傳統(tǒng)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)如彈簧、液壓、氣動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動(dòng)部件多，其觸動(dòng)時(shí)間為毫秒級(jí)且具有較大的分散性，無(wú)法滿(mǎn)足快速開(kāi)關(guān)的要求。電磁斥力機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)部件少，其觸動(dòng)時(shí)間為百微秒級(jí)，動(dòng)作分散性為十微秒級(jí)，可以滿(mǎn)足快速開(kāi)關(guān)的要求。

1 電磁斥力機(jī)構(gòu)原理[1,2]

電磁斥力機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，它主要有勵(lì)磁線(xiàn)圈、斥力盤(pán)、傳動(dòng)軸和外電路組成。

當(dāng)接到操作命令時(shí)，預(yù)充電的儲(chǔ)能電容向勵(lì)磁線(xiàn)圈放電持續(xù)幾毫秒，在勵(lì)磁線(xiàn)圈周?chē)a(chǎn)生軸向和切向的磁場(chǎng)。磁場(chǎng)的軸向分量通過(guò)磁鏈金屬斥力盤(pán)在其中感應(yīng)出方向與勵(lì)磁電流相反的渦流；磁場(chǎng)切向分量與金屬斥力盤(pán)中的感應(yīng)渦流相互作用產(chǎn)生電磁斥力，推動(dòng)斥力盤(pán)運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)傳動(dòng)軸加速運(yùn)動(dòng)。此操作機(jī)構(gòu)可以與真空滅弧室直接相連，減少了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的零部件數(shù)量，可以提高產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)剛性，有助于減小觸頭彈跳，提高剛分、剛合速度，減小分、合閘時(shí)間，同時(shí)由于零部件數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作分散性降低，開(kāi)關(guān)機(jī)械系統(tǒng)可靠性大大提高。

2 有限元仿真[3]

電磁斥力機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是其動(dòng)作過(guò)程涉及電磁場(chǎng)、渦流場(chǎng)、力場(chǎng)以及運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的多物理場(chǎng)深度耦合，其各場(chǎng)的關(guān)系如圖2所示。因此快速準(zhǔn)確地計(jì)算其動(dòng)作過(guò)程具有一定的難度。目前，關(guān)于其計(jì)算方法主要分為路的方法和場(chǎng)的方法。路的方法計(jì)算速度較快，但是精度相對(duì)較低，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)難以計(jì)算；場(chǎng)的方法計(jì)算速度相對(duì)較慢，但精度相對(duì)較高，且有成熟的商業(yè)軟件。本文采用商業(yè)有限元仿真軟件Ansoft Maxwell對(duì)電磁斥力機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真分析。

本文中，電磁斥力機(jī)構(gòu)勵(lì)磁線(xiàn)圈采用紫銅扁平帶纏繞，斥力盤(pán)采用某型鋁合金制成中間厚邊緣薄的圓盤(pán)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。放電外電路如圖4所示，由脈沖電容C、晶閘管組件T和續(xù)流二極管組件D等組成。

機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及電氣參數(shù)如表1所示。

在Ansoft Maxwell中，建立機(jī)構(gòu)的瞬態(tài)電磁場(chǎng)模型，如圖5所示，其外電路及相關(guān)參數(shù)如圖6所示。相關(guān)前處理設(shè)置完畢后，進(jìn)行仿真計(jì)算，得到線(xiàn)圈的電流曲線(xiàn)和斥力盤(pán)位移曲線(xiàn)，如圖7所示。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)生產(chǎn)了原理樣機(jī)，并進(jìn)行了試驗(yàn)。電磁斥力機(jī)構(gòu)動(dòng)作速度快，常規(guī)的測(cè)量設(shè)備難以滿(mǎn)足要求，在缺少合適的測(cè)量設(shè)備的情況下，設(shè)計(jì)了一種測(cè)試電路，該測(cè)試電路可以測(cè)量機(jī)構(gòu)的觸動(dòng)時(shí)間以及一定開(kāi)距的時(shí)間，測(cè)試原理圖如圖8所示。試驗(yàn)波形如圖9所示，從圖中可以看出，線(xiàn)圈電流峰值約為5 kA，機(jī)構(gòu)觸動(dòng)時(shí)間為340 μs，3.5 mm行程時(shí)間為1.3 ms。試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比可知，機(jī)構(gòu)觸動(dòng)具有一定的時(shí)延，用該時(shí)延對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行修正后，基本與試驗(yàn)結(jié)果吻合，證明仿真結(jié)果具有設(shè)計(jì)參考性。

4 總結(jié)

電磁斥力機(jī)構(gòu)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而具有可觀的應(yīng)用前景，在商業(yè)有限元軟件Ansoft中建立了電磁斥力機(jī)構(gòu)的有限元模型，進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，測(cè)得了樣機(jī)的觸動(dòng)時(shí)間與3.5mm行程時(shí)間。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果修正后的仿真結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性，具備工程指導(dǎo)意義。

[1] Toshie Takeuchi，Kenichi Koyama，Mitsuru Tsukima．Electromagnetic analysis coupled with motion for high-speed circuit breakers of Eddy current repulsion using the tableau approach[J]．Electrical Engineering in Japan，2005，152(4)：8-16．

[2] Holaus W，F(xiàn)rohlich K. Ultra-fast switches- a new element for medium voltage fault current limiting switchgear[J]. Power Engineering Society Winter Meeting，2002, 1(27): 299-304.

[3] 劉國(guó)強(qiáng)，趙凌忠，蔣繼婭．Ansoft工程電磁場(chǎng)有限元分析[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2005．

Research on Electromagnetic Repulsion Mechanism by Simulink and Examination

Jiang Nan, Zeng Jingjing, Yang Chenguang, Peng Zhendong

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

the electromagnetic repulsion mechanism is the focus of research. In this paper, the principle is introduced, the finite element simulate is performed, and the sample is manufactured and experimented. It is found in the analysis of the simulation and the experimentation that the electromagnetic repulsion mechanism has about 300 microsecond machine time delay and the precision of the simulation can be improved by modifying the simulation results with the machine delay.

electromagnetic repulsion mechanism; machine time delay

TM153

A

1003-4862（2015）03-0006-02

2014-09-01

姜楠(1988-), 男，碩士。研究方向：開(kāi)關(guān)電器。