汪 浩，師慧倩，陳孟秋

（1.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2.武漢長海電氣科技開發(fā)有限公司，武漢 430064）

0 引言

脈沖脫扣器是一種對鐵磁物質(zhì)產(chǎn)生吸力，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電器部件。具有體積小、操作簡單、價(jià)格低廉、推力大、無油氣污染、固有動(dòng)作時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、自動(dòng)控制等領(lǐng)域[1～4]。

對于斷路器、接觸器、繼電器等開關(guān)電器而言，脈沖脫扣器是常用的動(dòng)力元件[5,6]，具有動(dòng)作快的特點(diǎn)。電磁吸力設(shè)計(jì)太小，脈沖脫扣器無法帶動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，開關(guān)不能正常工作。電磁吸力設(shè)計(jì)過大，動(dòng)鐵芯完全吸合時(shí)的沖量太大，操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行極限位置的沖擊變大，降低了開關(guān)的穩(wěn)定性；同時(shí)開關(guān)閉合時(shí)觸頭速度變大，觸頭彈跳增加，加速了觸頭電磨損；電磁吸力設(shè)計(jì)增大時(shí)，整個(gè)脈沖脫扣器的體積和重量也會相應(yīng)增大，對于有空間尺寸和重量限制的開關(guān)電器而言，這種設(shè)計(jì)并不可取。由于電磁吸力與脈沖脫扣器的工作氣隙不是簡單線性關(guān)系，掌握動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)過程中所受吸力的變化情況，對設(shè)計(jì)和分析開關(guān)觸頭的閉合時(shí)間、閉合速度以及彈跳都有著很大的意義[2,7]。

本文基于船用直流開關(guān)用的快速脈沖脫扣器，運(yùn)用麥克斯韋電磁場理論和能量轉(zhuǎn)換原理，聯(lián)合電路方程、空間磁場來求解其動(dòng)態(tài)特性，分析脈沖脫扣器的受力情況以及該電磁系統(tǒng)的吸合過程，并運(yùn)用Maxwell軟件對快速脈沖脫扣器的內(nèi)部電磁場等動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析研究，對脈沖脫扣器動(dòng)特性影響因素進(jìn)行分析，旨在研制出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行性能良好的快速脈沖脫扣器。

1 組成結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 組成結(jié)構(gòu)

圖1為脈沖脫扣器的組成結(jié)構(gòu)示意圖及控制電路圖。脈沖脫扣器的殼體、鐵芯和后蓋都是由導(dǎo)磁材料碳素結(jié)構(gòu)鋼做成[8]，以便線圈通電形成磁場回路。由具有一定自潤滑性能的塑料做的線圈骨架固定在殼體中，而線圈纏繞在線圈骨架中。

圖1 脈沖脫扣器的結(jié)構(gòu)組成

1.2 脈沖脫扣器工作原理

脈沖脫扣器工作原理是：通過直流電源→電阻R→電容C→直流電源回路給電容C充電；當(dāng)保護(hù)裝置輸出驅(qū)動(dòng)信號，使電容C對脈沖脫扣器的線圈放電產(chǎn)生脈沖電流，從而使脈沖脫扣器的動(dòng)鐵芯獲得軸向運(yùn)動(dòng)加速度，進(jìn)而帶動(dòng)其他機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，完成斷路器的快速分?jǐn)嗖僮鳎划?dāng)電容放電完成后，動(dòng)鐵芯又在彈簧力的作用下復(fù)位到初始位置。

動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是由脈沖脫扣器的線圈電流決定，而脈沖脫扣器線圈電流的大小取決于線圈的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)（如線圈的匝數(shù)等）和電容放電回路的電氣參數(shù)。因此，綜合考慮電容放電回路的電氣參數(shù)以及線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是脈沖脫扣器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

2 理論分析

2.1 脈沖脫扣器數(shù)學(xué)模型

脈沖脫扣器的吸力模型分析如下：

忽略動(dòng)鐵芯和非工作氣隙的磁壓降，如圖2（a）所示，鐵芯與殼體之間的磁壓降為[9]

圖2 脈沖脫扣器理論分析示意圖

式中：IN為磁路總磁勢

假設(shè)單位長度的漏磁導(dǎo)為τ，在x段鐵芯內(nèi)的漏磁通為

則在鐵芯x處的總磁通為

同理在殼體上凸出來與鐵芯相對的圓柱體中x處的總磁通為

因此，該螺管式電磁鐵系統(tǒng)的磁鏈為：

假設(shè)系統(tǒng)為線性，忽略鐵芯磁阻，并且dt=-dδ，由恒磁通下的磁力公式可求該電磁吸力如下：

由上式分析可知，脈沖脫扣器的電磁吸力由兩部分組成，其中一部分是，由主氣隙磁導(dǎo)和主磁場能量變化產(chǎn)生；另外一部分是由鐵芯的有效漏磁通產(chǎn)生。由于漏磁導(dǎo)很難確定，導(dǎo)致該力也很難計(jì)算，所以很難精確計(jì)算電磁吸力。

脈沖脫扣器的電壓平衡方程分析如下：

如圖2（b）所示，線圈可以等效成一個(gè)電阻和電感，從電磁上來分析，該回路存在以下電壓平衡方程[10]：

其中：L—線圈等效電感，R—線圈等效電阻而，故方程可以化簡如下：

其中：v—鐵芯運(yùn)動(dòng)速度

2.2 脈沖脫扣器有限元模型

根脈沖脫扣器結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立分析模型，脈沖脫扣器二維分析模型如圖3所示。

圖3 脈沖脫扣器有限元分析模型

3 脈沖脫扣器瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)分析

3.1 概述

對脈沖脫扣器進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析時(shí)，通過改變脈沖脫扣器控制電路的電氣參數(shù)，得到各個(gè)不同參數(shù)對脈沖脫扣器運(yùn)動(dòng)特性的影響，為脈沖脫扣器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。根據(jù)脈沖脫扣器控制電路圖可知，主要電氣參數(shù)有：電容值C、控制電壓U。

3.2 充電電容的影響

根據(jù)有限元分析模型，當(dāng)電壓為220 V、初始間隙為7 mm時(shí)，分析脈沖脫扣器在不同電容參數(shù)下的動(dòng)態(tài)特性，結(jié)果如圖4所示。

圖4 充電電容對脈沖脫扣器的影響

由圖可看出，隨著電容值的增大，電磁力逐漸的增大，但增長較為緩慢，脈沖脫扣器的磁路基本達(dá)到飽和；當(dāng)電容值較小時(shí)，線圈電流的峰值電流小，持續(xù)時(shí)間短，這是由于電容增大，電容中存儲能量增大，當(dāng)線圈不變時(shí)，電容給線圈放電電流峰值增大，持續(xù)時(shí)間延長；但隨著電容值增大，動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)相同位移時(shí)間差別不大；綜上所述，脈沖脫扣器的充電電容選用470 μF。

3.3 控制電壓的影響

根據(jù)有限元分析模型，當(dāng)電容為470 μF、初始間隙為7 mm時(shí)，分析脈沖脫扣器在不同控制電壓參數(shù)下的動(dòng)態(tài)特性，結(jié)果如圖5所示。

圖5 控制電壓對脈沖脫扣器的影響

隨著電壓的增大，電磁力逐漸的增大，但當(dāng)U=220 V時(shí)增長較為緩慢，脈沖脫扣器的磁路基本達(dá)到飽和；當(dāng)電壓較小時(shí)，線圈電流的峰值電流小，持續(xù)時(shí)間短，這是由于電壓增大，電容中存儲能量增大，當(dāng)線圈不變時(shí)，電容給線圈放電電流峰值增大，持續(xù)時(shí)間延長。

3.4 初始間隙的影響

根據(jù)有限元分析模型，當(dāng)電容為470 μF、控制電壓為220 V時(shí)，分析脈沖脫扣器在不同初始間隙參數(shù)下的動(dòng)態(tài)特性，結(jié)果如圖6所示。

圖6 初始間隙對脈沖脫扣器的影響

隨著初始間隙的增大，電磁力逐漸的減小，但變化較為緩慢，脈沖脫扣器的磁路基本達(dá)到飽和，由于初始間隙的改變對脈沖脫扣器的磁場分布有一定的影響，但在小范圍內(nèi)影響較小。

3.5 小結(jié)

綜上所述，電容值越高越有利于脈沖脫扣器快速動(dòng)作，但電容值增加對脈沖脫扣器動(dòng)態(tài)特性影響較??；電壓值越高也越有利于脈沖脫扣器快速動(dòng)作，但當(dāng)電壓高于220 V后增加較為緩慢，因此在設(shè)計(jì)脈沖脫扣器的控制電路時(shí)需要考慮電容值和電壓值的影響因素。

4 結(jié)論

本文結(jié)合脈沖脫扣器的仿真計(jì)算與樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，分析了脈沖脫扣器的動(dòng)態(tài)特性，結(jié)論如下：

1）通過對脈沖脫扣器控制電路的充電電容、電壓等參數(shù)對脈沖脫扣器動(dòng)態(tài)特性的影響分析，得到電容增大電磁力緩慢增大，電壓增大電磁力增大，但當(dāng)電壓增大到220 V后，電磁力增加緩慢。最終確定充電電容為470 μF；

2）建立了脈沖脫扣器有限元分析模型，通過仿真研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和電氣參數(shù)對脈沖脫扣器動(dòng)態(tài)特性的影響，為脈沖脫扣器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)；

3）脈沖脫扣器的電磁吸力隨著氣隙的減小而增大，但變化較為緩慢，最終確定脈沖脫扣器的初始間隙為7 mm；

4）脈沖脫扣器吸合過程中動(dòng)鐵芯所受的吸力逐漸增大然后再逐漸減小的過程。