鄒 順，李 杰，任志剛

電磁斥力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

鄒 順，李 杰，任志剛

（船舶綜合電力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430064）

為了提高快速斷路器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作性能，采用Ansoft和ADAMS聯(lián)合仿真以得到合適的設(shè)計(jì)參數(shù)。介紹了電磁斥力機(jī)構(gòu)工作原理、數(shù)學(xué)模型及雙穩(wěn)態(tài)彈簧保持裝置，對(duì)電磁斥力機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行了電磁場(chǎng)和動(dòng)力學(xué)仿真分析。研究了不同驅(qū)動(dòng)電壓以及不同儲(chǔ)能電容容量對(duì)電磁斥力機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的影響。通過對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出驅(qū)動(dòng)電壓越高，觸動(dòng)時(shí)間越短；電容量越大，運(yùn)動(dòng)時(shí)間越短的結(jié)論。本文研究方法對(duì)其他類型操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

電磁斥力機(jī)構(gòu) 雙穩(wěn)彈簧 虛擬樣機(jī)

0 引言

未來艦船電力系統(tǒng)主要發(fā)展方向?yàn)橹袎褐绷麟娏ο到y(tǒng)，相比于傳統(tǒng)艦船電力系統(tǒng)，其容量將大幅度提升，額定電流更大、線路阻抗更小[1]。

一般情況下，中壓直流斷路器要求快速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)真空滅弧室高速運(yùn)動(dòng)，對(duì)產(chǎn)生的短路電流限流分?jǐn)?。中壓直流斷路器的主要性能直接呈現(xiàn)于斷路器的動(dòng)靜觸頭的分閘、合閘動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作速度上，因此操動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能好壞會(huì)直接影響斷路器的工作穩(wěn)定性和可靠性[2]。

1 電磁斥力機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)或液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)，其零部件較多，機(jī)械系統(tǒng)尤其是各零部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜，導(dǎo)致動(dòng)作的分散性高，可控性差，響應(yīng)速度慢，難以實(shí)現(xiàn)同步動(dòng)作。雖然永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)零部件及連接機(jī)構(gòu)少，動(dòng)作的分散性小，可控性高，能滿足同期性的要求，但當(dāng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的電氣性能參數(shù)、機(jī)械特性參數(shù)以及運(yùn)行條件或所處的環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，動(dòng)作分散性將難以保證。電磁斥力操動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)部件少、響應(yīng)時(shí)間短、運(yùn)動(dòng)速度快，運(yùn)動(dòng)精度更高，運(yùn)動(dòng)分散性小，在滿足同期性要求的同時(shí)，環(huán)境適應(yīng)性更好，可靠性高[3]。

1.1 電磁斥力機(jī)構(gòu)工作原理

電磁斥力操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理為：當(dāng)收到系統(tǒng)發(fā)出的分閘信號(hào)后，開關(guān)K閉合，預(yù)先已儲(chǔ)能的電容對(duì)分閘線圈放電，產(chǎn)生持續(xù)幾個(gè)毫秒的脈沖電流，在此脈沖電流的作用下，分閘線圈周圍產(chǎn)生了瞬態(tài)磁場(chǎng)，同時(shí)金屬斥力盤中感應(yīng)出與線圈電流方向相反的渦流，因而在線圈與斥力盤之間產(chǎn)生了電磁斥力，該電磁斥力推動(dòng)著金屬斥力盤快速運(yùn)動(dòng)，并通過連桿驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)保持機(jī)構(gòu)進(jìn)而使真空滅弧室中的動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)快速分閘操作[4]。合閘操作與此類似。

圖1 電磁斥力操動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理

1.2 電磁斥力操動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

電磁斥力操動(dòng)機(jī)構(gòu)可等效為兩個(gè)圓盤狀線圈回路間的相互作用，如圖2所示：左側(cè)是由儲(chǔ)能電容C與分閘線圈構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)回路，即產(chǎn)生脈沖電流1，分閘線圈電阻與自感分別記作1、1；右側(cè)是由斥力盤的等效線圈構(gòu)成的感應(yīng)回路，即形成感應(yīng)電流2，“斥力盤線圈”電阻與自感分別記作2、2；由于分閘線圈與斥力盤開距小，且斥力盤為金屬導(dǎo)體，那么兩盤狀線圈間必然存在磁耦合，即為兩線圈互感[5]。

圖2 電磁斥力操動(dòng)機(jī)構(gòu)等效電路

可得到電磁斥力操動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)回路與感應(yīng)回路的基本電路方程:

式中

為了求解機(jī)構(gòu)變量，還需建立電磁斥力操動(dòng)機(jī)構(gòu)的解析式以及機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程。電磁斥力的解析式為：

式中d/d為互感隨開距變化率。此外，機(jī)構(gòu)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程如下，包括加速度、速度以及位移：

1.3 雙穩(wěn)彈簧保持裝置設(shè)計(jì)

電磁斥力機(jī)構(gòu)中采用的雙穩(wěn)彈簧保持裝置結(jié)構(gòu)圖見圖3，當(dāng)電磁斥力機(jī)構(gòu)在合位分閘時(shí)，在oa過程中雙穩(wěn)彈簧保持裝置是起阻力作用，而ab過程則為分閘提供作用力，在整個(gè)過程所受的力均為非線性力如式（5）；在分位合閘時(shí)則與之相反[6]。雙穩(wěn)彈簧保持裝置保持力如下所示：

式中：k為彈簧彈性系數(shù)；s為金屬盤運(yùn)動(dòng)位移；x0為連接桿處于水平位置時(shí)彈簧的被壓縮量；l0為連接桿長度，H為動(dòng)桿從合閘位置至連接桿處于水平位置，垂直方向距離，即圖中oa距離；n為分散均布彈簧支路數(shù)。

2 電磁斥力機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)技術(shù)

2.1 電磁斥力機(jī)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真分析

電磁斥力機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度快，運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)能大，會(huì)產(chǎn)生較大的操動(dòng)沖擊和彈跳，研究適用于高速驅(qū)動(dòng)條件的緩沖和保持技術(shù)，是提高電磁斥力操動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性并應(yīng)用于工程實(shí)際的重要問題。電磁斥力機(jī)構(gòu)采用磁分路結(jié)構(gòu)，將電磁斥力操動(dòng)機(jī)構(gòu)的斥力盤和驅(qū)動(dòng)線圈外圍通過高磁導(dǎo)率的鐵磁材料進(jìn)行封裝和固定，提高電磁斥力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)回路能量轉(zhuǎn)換的效率；采用緩沖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)觸頭在短開距要求和高速分?jǐn)嗲闆r下的有效緩沖，減小觸頭分合閘回彈。

此外，電磁斥力機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)過程涉及電能–磁能–動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，為此采用Ansoft對(duì)電磁斥力機(jī)構(gòu)進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真分析得到電磁斥力，再將得到的電磁斥力導(dǎo)入ADAMS作為驅(qū)動(dòng)力對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的分閘過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證分閘過程的可靠性及運(yùn)動(dòng)部件的位移和速度等。通過Ansoft和ADAMS聯(lián)合仿真得到合適的設(shè)計(jì)參數(shù)，指導(dǎo)電磁斥力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

電磁斥力機(jī)構(gòu)在Ansoft中建立的電磁場(chǎng)分析模型如圖4所示，外部激勵(lì)電路模型如圖5所示。仿真分析得到電磁斥力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)回路電流如圖6所示，電磁斥力機(jī)構(gòu)電磁力如圖7所示。

圖4 電磁斥力機(jī)構(gòu)電磁場(chǎng)分析模型

圖5 電磁斥力機(jī)構(gòu)外部激勵(lì)電路

2.2 電磁斥力機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析

雖然ADAMS自身具備建模功能但電磁斥力機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為此將電磁斥力機(jī)構(gòu)模型導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行分析然后再對(duì)模型進(jìn)行簡化，保證仿真模型中所研究的運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與實(shí)際相同，不影響所研究部分的運(yùn)動(dòng)。將Ansoft仿真得到的電磁力在ADAMS中通過AKISPL插值函數(shù)擬合作為輸入條件加載在斥力盤上作為驅(qū)動(dòng)力。

圖6 電磁斥力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)回路電流

圖7 電磁斥力機(jī)構(gòu)電磁力

定義各零件屬性，確定運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系，施加載荷，然后進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真得到電磁斥力機(jī)構(gòu)位移曲線和速度曲線。

圖8 電磁斥力機(jī)構(gòu)位移曲線

電磁斥力機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析的結(jié)果可以看出，電磁斥力機(jī)構(gòu)最終可靠分閘。

圖9 電磁斥力機(jī)構(gòu)速度曲線

3 電磁斥力機(jī)構(gòu)動(dòng)作特性試驗(yàn)

3.1 電磁斥力機(jī)構(gòu)試驗(yàn)回路搭建

電磁斥力操動(dòng)機(jī)構(gòu)利用脈沖放電電流通過盤狀斥力線圈時(shí)，與金屬斥力盤中感應(yīng)渦流產(chǎn)生斥力，從而推動(dòng)動(dòng)觸頭快速動(dòng)作。通常，斥力線圈可看作是由多個(gè)導(dǎo)電圓截面相同、半徑不同的同軸圓環(huán)線圈串聯(lián)而成。脈沖電流由斥力線圈外接線路中的電容放電產(chǎn)生，為延長斥力的作用時(shí)間，斥力線圈兩端并聯(lián)一個(gè)二極管，構(gòu)成續(xù)流回路。

機(jī)構(gòu)分為兩部分：外電路和機(jī)構(gòu)本體部分。外電路為分合閘盤式線圈供電，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖；供電回路如圖所示，HV為高壓充電電源，用于為儲(chǔ)能電容充電；K1為高壓接觸器，用于充電回路的接通和斷開；R1為充電電阻；C為儲(chǔ)能電容；D1為續(xù)流二極管；TVS1是真空觸發(fā)間隙，用于導(dǎo)通或關(guān)斷盤式線圈中電流；L1為線圈電感；L2為斥力盤等效電感；M為兩者間互感，R2為斥力盤等效電阻。

圖10 電磁斥力機(jī)構(gòu)等效試驗(yàn)電路

3.2 電磁斥力機(jī)構(gòu)參數(shù)對(duì)比試驗(yàn)

3.2.1驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)分閘動(dòng)作時(shí)間的影響

保持電磁斥力機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能電容容量不變，改變充電電壓得到電磁斥力機(jī)構(gòu)分閘運(yùn)動(dòng)特性數(shù)據(jù)，分析驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)觸動(dòng)時(shí)間和分閘動(dòng)作時(shí)間的影響：

圖11 電磁斥力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)回路典型波形

通過高速攝影儀拍攝記錄電磁斥力機(jī)構(gòu)分閘運(yùn)動(dòng)過程，進(jìn)而得到分閘到位所需時(shí)間。

圖12 電磁斥力機(jī)構(gòu)分閘運(yùn)動(dòng)過程

表1 儲(chǔ)能電容100 mF不同驅(qū)動(dòng)電壓的運(yùn)動(dòng)特性

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增加，觸動(dòng)時(shí)間雖隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增加而減小，但是當(dāng)電壓上升到一定程度后觸動(dòng)時(shí)間減小的效果并不明顯；隨著電壓的上升儲(chǔ)能電容儲(chǔ)存的能量更多，運(yùn)動(dòng)時(shí)間隨著電壓的增加有較為明顯的降低。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓上升到一定程度時(shí)，通過改變驅(qū)動(dòng)電壓方式來減小觸動(dòng)時(shí)間，難以獲得理想的效果。但是運(yùn)動(dòng)時(shí)間有較理想的改善。

3.2.2不同儲(chǔ)能電容值對(duì)分閘動(dòng)作時(shí)間的影響

表2 儲(chǔ)能電容200 mF相同能量下不同驅(qū)動(dòng)電壓運(yùn)動(dòng)特性

在保證線圈參數(shù)和輸入能量相同的前提下，開展不同放電電容參數(shù)對(duì)觸動(dòng)時(shí)間和分閘動(dòng)作時(shí)間的影響。

表3 儲(chǔ)能電容10 mF相同能量下不同驅(qū)動(dòng)電壓運(yùn)動(dòng)特性

在保證輸入能量相同的前提下，儲(chǔ)能電容容量與電容充電電壓值的平方之間呈反比關(guān)系，即電容容量越小，充電電壓越高；電容容量越大，充電電壓越低。在一定范圍內(nèi)，斥力機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能電容容量越高，驅(qū)動(dòng)回流與斥力線圈組成的等效LC振蕩頻率越低、放電電流脈寬越大，能量轉(zhuǎn)換效率越高，運(yùn)動(dòng)時(shí)間越短。

輸入能量相同時(shí)，儲(chǔ)能電容容量越高，觸動(dòng)時(shí)間越長，運(yùn)動(dòng)時(shí)間越短，隨著驅(qū)動(dòng)電壓的上升，觸動(dòng)時(shí)間隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增加而減小。

4 結(jié)論

本文采用雙穩(wěn)彈簧保持裝置的電磁斥力機(jī)構(gòu)，基于虛擬樣機(jī)技術(shù)得到相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)可用于指導(dǎo)試驗(yàn)樣機(jī)的制作，通過搭建試驗(yàn)回路，對(duì)比不同試驗(yàn)參數(shù)對(duì)電磁斥力機(jī)構(gòu)動(dòng)作特性的影響，初步掌握了電磁斥力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和運(yùn)動(dòng)特性規(guī)律。試驗(yàn)研究結(jié)果表明：

1）電磁斥力機(jī)構(gòu)觸動(dòng)時(shí)間：電容值一定時(shí)，在一定范圍內(nèi)，驅(qū)動(dòng)電壓越高，觸動(dòng)時(shí)間越短；輸入能量相同時(shí)，電容量越大，觸動(dòng)時(shí)間越長。

2）電磁斥力機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)間：電容值一定時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓越高，運(yùn)動(dòng)時(shí)間越短；輸入能量相同時(shí)，電容量越大，運(yùn)動(dòng)時(shí)間越短。

[1] 劉路輝, 莊勁武, 江壯賢, 王晨. 混合型中壓直流真空斷路器的研究[J]. 高壓電器, 2014, 50(05): 18-23.

[2] 黎小峰, 巫世晶, 李小勇, 李巧全. 高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性聯(lián)合仿真研究[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2019, 47(02): 70-75.

[3] 袁召, 喻新林, 魏曉光, 張寧, 何俊佳, 潘垣. 線圈型電磁斥力機(jī)構(gòu)綜合優(yōu)化[J]. 高電壓技術(shù), 2015, 41(12): 4207-4212.

[4] 高峰, 任力, 張博健, 劉志遠(yuǎn), 閆振華, 張冉. 基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的40.5 kV真空斷路器電磁斥力機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能電容優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J]. 高壓電器, 2017, 53(03): 223-229.

[5] 武瑾, 莊勁武, 王晨, 江壯賢. 電磁斥力機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的簡化與求解[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 33(24): 175-182+25.

[6] 吳文耿, 方春恩, 陳軍平, 李偉, 余建華, 李濤, 任曉, 田志強(qiáng). 超快速隔離開關(guān)電磁斥力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[J]. 高壓電器, 2017, 53(04): 156-163.

Design and experimental research of electromagnetic repulsion mechanism

Zou Shun, Li Jie, Ren Zhigang

（Key Laboratory of Marine Integrated Power Technology, Wuhan 430064, China；）

TM341

A

1003-4862（2022）08-0031-05

2022-02-10

鄒順（1993-），男，工程師。研究方向：混合式直流斷路器。E-mail: 457466246@qq.com