姜 楠，任 萍

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電磁斥力機(jī)構(gòu)觸動(dòng)時(shí)間研究

姜 楠，任 萍

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064）

本文在Ansys Workbench中，結(jié)合Maxwell 2D與Mechanical模塊對(duì)電磁斥力機(jī)構(gòu)的瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了聯(lián)合仿真，完成了電磁斥力計(jì)算，并將電磁斥力作為載荷對(duì)電磁斥力機(jī)構(gòu)進(jìn)行了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，得到了電磁斥力機(jī)構(gòu)傳動(dòng)部件在瞬態(tài)動(dòng)作過程中的應(yīng)力應(yīng)變，提取了動(dòng)觸頭處的位移曲線，得到了電磁斥力機(jī)構(gòu)的觸動(dòng)時(shí)間為210 μs，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果220 μs的誤差為4.5%，可以滿足工程設(shè)計(jì)需要，為電磁斥力機(jī)構(gòu)觸動(dòng)時(shí)間的計(jì)算提供了一種方法。

電磁斥力機(jī)構(gòu) 觸動(dòng)時(shí)間 計(jì)算方法

0 引言

隨著直流電力系統(tǒng)的發(fā)展，中壓混合式直流斷路器（以下簡(jiǎn)稱混合斷路器）得到了大量的研究，混合斷路器在短路故障時(shí)快速分離觸頭，并在觸頭達(dá)到一定開距下投入反向脈沖電流強(qiáng)迫觸頭電流過零，在短路電流上升階段，完成限流分?jǐn)?。混合斷路器具有限流分?jǐn)嗟奶匦?，可降低電力設(shè)備的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)難度。

混合斷路器關(guān)鍵技術(shù)之一是電磁斥力機(jī)構(gòu)，減小電磁斥力機(jī)構(gòu)的觸動(dòng)時(shí)間，可以使得混合斷路器在更小的電流下分離觸頭以及投入反向電流，對(duì)于減小混合斷路器的體積和重量有重要的作用[1-2]。

電磁斥力機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作迅速、動(dòng)作分散性小的優(yōu)點(diǎn)，其基本原理示意圖1所示。

當(dāng)接到操作命令時(shí)，預(yù)充電的儲(chǔ)能電容向勵(lì)磁線圈放電持續(xù)幾毫秒，與勵(lì)磁線圈相鄰的金屬斥力盤產(chǎn)生感應(yīng)渦流；勵(lì)磁電流與感應(yīng)渦流作用產(chǎn)生電磁斥力，推動(dòng)斥力盤及傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)。

電磁斥力機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是其物理過程涉及到電磁場(chǎng)與渦流場(chǎng)以及運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜耦合，如何準(zhǔn)確地計(jì)算電磁斥力機(jī)構(gòu)的觸動(dòng)時(shí)間是電磁斥力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一，本文通過在ANSYS中進(jìn)行仿真分析，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了計(jì)算電磁斥力機(jī)構(gòu)觸動(dòng)時(shí)間的一種仿真分析方法。

1 觸動(dòng)時(shí)間仿真計(jì)算

1.1電磁斥力計(jì)算

電磁計(jì)算模型如圖2所示，采用二維軸對(duì)稱模型，需要考慮模型中運(yùn)動(dòng)部件在電磁力作用下的實(shí)際位移，所以在電磁模型中需要添加一層空氣域，包裹住所有運(yùn)動(dòng)物體，該空氣域在Maxwell中稱為band。這就要求斥力盤與線圈外側(cè)的環(huán)氧不能完全貼緊，故在計(jì)算時(shí)留出0.5 mm縫隙。考慮到band內(nèi)實(shí)際運(yùn)動(dòng)的物體為多個(gè)，且材料不同，就需要在band內(nèi)部再加入一個(gè)小型空氣域，實(shí)現(xiàn)多體的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)。

如圖2所示，左側(cè)圖形深紅色部分為運(yùn)動(dòng)體，右側(cè)圖為帶有空氣域的整體計(jì)算模型。

圖2 Maxwell計(jì)算模型

整個(gè)運(yùn)動(dòng)部件受到的電磁力如圖3所示。

1.2瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

在Mechanical模塊中建立結(jié)構(gòu)有限元模型，并設(shè)置接觸對(duì)、反力彈簧等，瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析模型如圖4所示。

然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整體網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，采用自由網(wǎng)格劃分方法。由單元統(tǒng)計(jì)中顯示單元質(zhì)量柱狀圖，如圖5所示。

從圖5可以看出，單元質(zhì)量系數(shù)偏向于1，平均單元質(zhì)量為0.966。表示單元質(zhì)量非常好。

圖3運(yùn)動(dòng)部件受力

圖4瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析模型

圖5單元質(zhì)量柱狀圖

通過Imported Load來實(shí)現(xiàn)Maxwell計(jì)算的電磁力傳遞至Mechanical，導(dǎo)入Body Force Density，指定運(yùn)動(dòng)件為電磁力的接收體，作為結(jié)構(gòu)分析的外載荷。

從圖3中可以找出，幾個(gè)特征時(shí)刻點(diǎn)，見表1。電磁力載荷曲線發(fā)生三次波動(dòng)——三次載荷峰值時(shí)刻和三次載荷回零時(shí)刻。載荷曲線的上升和下降基本呈現(xiàn)線性特點(diǎn)。

在Mechanical中導(dǎo)入這些特征時(shí)刻的載荷數(shù)據(jù)，其他時(shí)刻的載荷采用軟件自帶的斜坡載荷進(jìn)行線性插值。斥力盤電磁力在=0.13 ms時(shí)刻的載荷矢量圖如圖6所示。

表1 Maxwell電磁力曲線特征時(shí)刻點(diǎn)

圖6斥力盤電磁力在=0.13 ms時(shí)刻的載荷矢量圖

完成仿真后，提取觸頭的局部位移隨時(shí)間的變化曲線，如圖7所示。

圖7 觸頭的局部位移隨時(shí)間的變化曲線

從圖7的曲線可以看出，運(yùn)動(dòng)開始時(shí)的一段時(shí)間內(nèi)觸頭并未發(fā)生明顯的運(yùn)動(dòng)，這段時(shí)間即為電磁斥力機(jī)構(gòu)的觸動(dòng)時(shí)間。通過提取曲線中的數(shù)據(jù)。觸頭運(yùn)行量為0.01 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為210 μs，此時(shí)觸頭的平均速度為0.382 m/s。

2 試驗(yàn)分析

對(duì)實(shí)際樣機(jī)進(jìn)行觸動(dòng)時(shí)間測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖8所示，圖中，曲線1為線圈電流波形，曲線2下降沿表示動(dòng)、靜觸頭分離時(shí)刻，曲線3為電容電壓。從圖中可以看出，從線圈投入電流到動(dòng)、靜觸頭分離時(shí)間約為220 μs。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差為4.5%，由此可見，仿真計(jì)算精度可以滿足工程設(shè)計(jì)需要。

圖8 電磁斥力機(jī)構(gòu)觸動(dòng)時(shí)間測(cè)試波形

3 結(jié)論

通過ANSYS建立電磁斥力機(jī)構(gòu)的有限元模型，仿真分析電磁斥力機(jī)構(gòu)傳動(dòng)部件在瞬態(tài)動(dòng)作過程中的應(yīng)力應(yīng)變并提取動(dòng)觸頭處的位移曲線，可以得到了電磁斥力機(jī)構(gòu)的觸動(dòng)時(shí)間，通過與試驗(yàn)對(duì)比，可見觸動(dòng)時(shí)間的計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果的誤差為4.5%，可以滿足工程設(shè)計(jì)需要。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王子建, 何俊佳, 尹小根, 陸佳政, 惠東, 張漢明. 基于電磁斥力機(jī)構(gòu)的10 kV快速真空開關(guān). 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2009, 24(11): 68-75.

[2] 孟軍. 快速斥力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究. 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2010．

Research on the Triggering Time of the Electromagnetic Repulsion Mechanism

Jiang Nan, Ren Ping

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

TM153

A

1003-4862（2016）10-0028-03

2016-03-28

姜楠(1988-)，男，碩士。研究方向：開關(guān)電器。