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        電磁斥力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

        2022-08-17 03:35:36任志剛
        船電技術(shù) 2022年8期
        關(guān)鍵詞:分閘電磁線圈

        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。

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        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

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