岳鵬

摘要：本文采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器的觸頭進(jìn)行電動(dòng)斥力的仿真，通過(guò)仿真分析了觸頭在閉合狀態(tài)下電流、磁場(chǎng)和電動(dòng)斥力的分布并將仿真的電動(dòng)斥力結(jié)果與理論結(jié)算結(jié)果相對(duì)比。

1 接觸系統(tǒng)的結(jié)果分析

本文分析的自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器的觸頭系統(tǒng)額定電流為63A，短時(shí)耐受沖擊電流為5000A，，簡(jiǎn)化后的觸頭模型如圖1所示。

本文中的結(jié)構(gòu)模型通過(guò)cero2.0軟件建立，該模型有動(dòng)觸頭、動(dòng)觸頭片、靜觸頭、靜觸頭片四部分組成。

2 接觸系統(tǒng)的仿真模型簡(jiǎn)化及分析

2.1 仿真模型的構(gòu)建

電動(dòng)斥力在本文中值得就是HOLM力，其只在動(dòng)靜觸頭接觸時(shí)存在，實(shí)際上觸頭的接觸表面都是凹凸不平的，因此都將導(dǎo)電斑點(diǎn)假設(shè)為理想體來(lái)計(jì)算HOLM力值，本文假設(shè)只有一個(gè)導(dǎo)電斑點(diǎn)存在于動(dòng)靜觸頭之間，并且導(dǎo)電斑點(diǎn)位于中心位置處。

當(dāng)按照?qǐng)A柱形導(dǎo)電斑點(diǎn)計(jì)算時(shí)，圓柱形導(dǎo)體的截面半徑b用式（1）[1]計(jì)算。

（1）

式中，P為動(dòng)靜觸頭接觸觸壓力，取20N；H為觸頭材料的硬度，取1000N/mm2；ξ為跟系統(tǒng)表面接觸狀況有關(guān)的系數(shù)，取0.5。

將實(shí)際中測(cè)得的觸頭壓力20N，帶入式（1）中，可求得接觸半徑b為0.1mm，因而取導(dǎo)電橋的半徑為0.1mm；本文經(jīng)過(guò)多次仿真發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)電橋高度為0.1～0.2mm區(qū)間內(nèi)的值時(shí)對(duì)仿真結(jié)果影響不大，所以本文中的導(dǎo)電橋高度取0.1mm。本文這種結(jié)構(gòu)電動(dòng)斥力主要是HOLM力產(chǎn)生的，平行導(dǎo)體電動(dòng)力是不存在的，所以仿真出的結(jié)果就是HOLM力。用cero2.0軟件創(chuàng)建的動(dòng)靜觸頭模型如圖2所示。

2.2 動(dòng)靜觸頭系統(tǒng)的電磁場(chǎng)分析

選用Workbench中的Magnetostatic模塊，并將上節(jié)所建模型導(dǎo)入，本文中只使用動(dòng)靜觸頭的一半體積。對(duì)導(dǎo)體部分賦予材料Copper（銅），在靜觸頭的一端面施加3535A電流，在動(dòng)觸頭一端面施加0V電壓，分別對(duì)不同的區(qū)域指定不同的網(wǎng)格尺寸，分析結(jié)果設(shè)置為currentdensity，求解后的電流密度矢量圖如圖3所示，由圖3可以看出在動(dòng)靜觸頭接觸表面有電流線的收縮。

其次，再對(duì)該系統(tǒng)所受的電動(dòng)斥力進(jìn)行求解，仿真結(jié)果為9.835N，全模型所受的電動(dòng)斥力為19.67N。

2.3 仿真結(jié)果與理論公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比

根據(jù)2.1節(jié)計(jì)算的導(dǎo)電橋半徑b=0.1mm，又已知觸頭的可視接觸面積W×L=8×8=64mm[2]，根據(jù)面積相等換算成可視接觸半徑B=4.5mm，真空磁導(dǎo)率為μ0=4π×10-7，根據(jù)公式（2），可求得F=22.05N。將計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)結(jié)果很接近，證明了仿真算法的準(zhǔn)確性；同時(shí)仿真結(jié)果和理論值存在一定的差異，原因可能是因?yàn)榫W(wǎng)格劃分不夠細(xì)致。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用ANSYS Workbench軟件作為有限元仿真工具，對(duì)ATSE進(jìn)行了電磁場(chǎng)分析，通過(guò)將分析結(jié)果和計(jì)算結(jié)果相對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩種結(jié)算結(jié)果很接近，證明了仿真算法的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]電氣工程電磁場(chǎng)數(shù)值分析[M].機(jī)械工業(yè)出版社，顏威利[等]著， 2005

[2]低壓斷路器觸頭系統(tǒng)電動(dòng)斥力的計(jì)算[J].孫海濤，陳德桂，劉慶.低壓電器.2002（03）