摘" 要：

在配電系統(tǒng)中，塑殼式斷路器（MCCB）可起到對線路的短路電流進行保護的作用。但是利用傳統(tǒng)的脫扣方式（螺管式、旋轉(zhuǎn)拍合式）實現(xiàn)短路電流保護時，存在其配用電結(jié)構(gòu)并不能隨著負載靈活變換等問題。為此，簡述磁可調(diào)電磁脫扣器結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點，基于Ansys軟件對電磁脫扣器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性進行分析，通過仿真實例和試驗等方法對設(shè)計進行驗證。結(jié)果表明磁可調(diào)電磁脫扣器動作可靠，提高了塑殼式斷路器的過電流保護性能。

關(guān)鍵詞：

塑殼式斷路器; 電磁脫扣器; 設(shè)計; 仿真

中圖分類號： TM561

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）10-0072-07

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.10.012

李賢凱（1990—），男，工程師，主要從事塑殼斷路器開發(fā)工作。

盧春榮（1991—），女，工程師，主要從事塑殼斷路器開發(fā)工作。

甘嘉奇（1998—），男，主要從事塑殼斷路器開發(fā)工作。

Design and Simulation Analysis of Magnetic Adjustable Electromagnetic Release

LI Xiankai，" LU Chunrong，" GAN Jiaqi

（Shanghai Liangxin Electric Co.， Ltd.， Shanghai 201315， China）

Abstract：

In power distribution systems，molded case circuit breaker（MCCB） play a role in protecting the short-circuit current of line.However，when using this traditional tripping method（screw tube type and rotary snap on type） to achieve protection against short-circuit current，the power distribution structure cannot flexibly change with the load.Therefore，the design points of the structure of the magnetic adjustable electromagnetic release is described.Based on Ansys software，the static and dynamic characteristics of the electromagnetic release are analyzed，and the design results are verified through simulation examples and experiments.The reliability of the magnetic adjustable electromagnetic release is verified，and the overcurrent protection performance of the molded case circuit breaker is improved.

Key words：

molded case circuit breaker; electromagnetic release device; design; simulation

0" 引" 言

電磁脫扣器是斷路器提供短路保護的關(guān)鍵部件，其吸合和釋放動作主要由電氣和機械機構(gòu)配合完成，是實現(xiàn)斷路器機構(gòu)脫扣和觸頭系統(tǒng)斷開的關(guān)鍵。現(xiàn)有的單極斷路器或多極斷路器都具有一定的短路保護功能，如過電流電磁脫扣器裝置。斷路器電磁脫扣器結(jié)構(gòu)形式有很多［1］，包括螺管式、旋轉(zhuǎn)拍合式、旋轉(zhuǎn)吸合式等。其中，旋轉(zhuǎn)拍合式電磁脫扣器主要實現(xiàn)預(yù)定的磁吸氣隙，配合斷路器的其他部件實現(xiàn)斷路器的短路保護功能;旋轉(zhuǎn)吸合式主要是實現(xiàn)快速斷開的目的。但是這種傳統(tǒng)的脫扣方式在實現(xiàn)短路大電流的保護時，其配用電結(jié)構(gòu)并不能靈活變換。隨著斷路器技術(shù)水平的提高及配電系統(tǒng)保護對斷路器提出新的需求，各斷路器廠家需要重新設(shè)計或改良設(shè)計電磁脫扣器以適應(yīng)新的需求。目前，業(yè)界已經(jīng)開始在磁可調(diào)電磁脫扣器結(jié)構(gòu)上進行設(shè)計，可以很好地解決負載靈活變換的問題，但也存在結(jié)構(gòu)設(shè)計復雜、保護精度差的問題。由于斷路器電磁脫扣器的特殊性，任何一點失效都會造成斷路器功能喪失等嚴重后果。本文從斷路器電磁脫扣器的幾個技術(shù)方面論述塑殼式斷路器（MCCB）電磁脫扣器的設(shè)計要點，總結(jié)出可行的設(shè)計方法用于提高磁可調(diào)電磁脫扣器保護精度以滿足市場需求，為斷路器的設(shè)計提供參考。

本文采用仿真軟件Ansys的仿真模塊對斷路器電磁脫扣器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性進行仿真分析，通過示例完成運動過程的動態(tài)模擬和分析，并利用試驗對優(yōu)化設(shè)計結(jié)果進行驗證，總結(jié)出提高磁可調(diào)脫扣器精度的有效措施，可為MCCB電磁脫扣器的設(shè)計提供參考，提高設(shè)計開發(fā)的效率。

1" 斷路器電磁脫扣器的動作過程

1.1" 斷路器磁可調(diào)電磁脫扣器工作原理和結(jié)構(gòu)

斷路器主要由操作機構(gòu)、滅弧系統(tǒng)、觸頭系統(tǒng)、脫扣系統(tǒng)和外殼組成。本文研究磁可調(diào)電脫扣器的設(shè)計要點和動靜態(tài)仿真方法，主要討論操作機構(gòu)和脫扣系統(tǒng)部分，包括操作機構(gòu)和電磁脫扣器。

斷路器的操作機構(gòu)［2］由傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)軸、鎖扣、牽引桿組成;電磁脫扣器由動銜鐵、靜鐵心、復位彈簧（拉簧）組成。操作機構(gòu)的動作狀態(tài)分為分閘/再扣、合閘、自由脫扣;電磁脫扣器的動作狀態(tài)分為保持、吸合、釋放。機構(gòu)合閘時的電磁脫扣器保持狀態(tài)簡圖如圖1所示;機構(gòu)合閘時的電磁脫扣器吸合狀態(tài)簡圖如圖2所示;機構(gòu)自由脫扣時的電磁脫扣器釋放狀態(tài)簡圖如圖3所示。

3種狀態(tài)簡圖中，A為旋鈕，B為調(diào)節(jié)桿，C為磁可調(diào)彈簧，D為推桿復位彈簧，E為推桿，G為杠桿，H為銜鐵，J為銜鐵反力彈簧，K為靜鐵心，M為主回路，P為機構(gòu)脫扣桿，O1為旋鈕轉(zhuǎn)動中心，O2為調(diào)節(jié)桿轉(zhuǎn)動中心，O3主機構(gòu)脫扣桿轉(zhuǎn)動中心，O4為推桿轉(zhuǎn)動中心，O5為杠桿轉(zhuǎn)動中心，O6為銜鐵轉(zhuǎn)動中心。當主回路M承載短路電流時，靜鐵心K和銜鐵H感應(yīng)電磁場產(chǎn)生吸合力矩，銜鐵H克服銜鐵反力彈簧J和磁可調(diào)彈簧C的反力，一旦吸合力矩超過銜鐵反力彈簧J和磁可調(diào)彈簧C的反力距，銜鐵H開始向靜鐵心K轉(zhuǎn)動;銜鐵H繞轉(zhuǎn)動軸O6順時針旋轉(zhuǎn)，銜鐵H驅(qū)動杠桿G、推桿E與機構(gòu)脫扣桿P，此時銜鐵H克服銜鐵反力彈簧J、磁可調(diào)彈簧C、推桿復位彈簧D和機構(gòu)脫扣桿P的總反力距，杠桿G繞轉(zhuǎn)動軸O5逆時針旋轉(zhuǎn)，推桿E繞轉(zhuǎn)動軸O4逆時針旋轉(zhuǎn)，機構(gòu)脫扣桿P繞轉(zhuǎn)動軸O3逆時針旋轉(zhuǎn)，使產(chǎn)品機構(gòu)脫扣，主回路分斷;斷路器機構(gòu)解扣后，銜鐵H在彈簧的反力作用下迅速回到釋放狀態(tài)。

業(yè)內(nèi)常用的磁可調(diào)電磁脫扣器的結(jié)構(gòu)原理：旋鈕A旋轉(zhuǎn)到不同位置，磁可調(diào)彈簧C提供給銜鐵H不同的反力，靜鐵心和銜鐵間的電磁吸力需要匹配不同的反力。電磁能量公式［2-3］為

F=12（IN）2μ0Sσ2（1）

式中：" F——電磁吸力;

I——產(chǎn)品通過的短路電流;

N——線圈匝數(shù);

μ0——真空中的導磁率，為常數(shù);

S——磁極面積;

σ——工作氣隙長度。

根據(jù)式（1），電磁吸力F和產(chǎn)品通過的短路電流I、線圈匝數(shù)N、磁極面積S呈正比關(guān)系，這也就達到了通過調(diào)節(jié)彈簧反力來實現(xiàn)電磁脫扣器動作電流可調(diào)的目的。

1.2" 斷路器磁可調(diào)電磁脫扣器受力分析

電磁脫扣器保持狀態(tài)受力分析簡圖如圖4所示。旋鈕A繞O1中心軸在旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)桿B被旋鈕A的斜面驅(qū)動，繞O2轉(zhuǎn)動，磁可調(diào)彈簧C的拉伸長度LC和拉力FC隨著調(diào)節(jié)桿的轉(zhuǎn)動方向變化而增大或減小，提供相對于杠桿G轉(zhuǎn)動軸O5順時針的增大或減小的力矩，使銜鐵H在保持狀態(tài)的力矩增大或減小;產(chǎn)品通過短路大電流時，靜鐵心和銜鐵間的電磁吸力克服銜鐵反力彈簧J和磁可調(diào)彈簧C的反力FJ和FC。銜鐵H運動到剛打到推桿E時，電磁脫扣器吸合狀態(tài)受力分析簡圖如圖5所示。靜鐵心和銜鐵間的電磁吸力克服銜鐵反力彈簧J、磁可調(diào)彈簧C和推桿復位彈簧D的反力;銜鐵H驅(qū)動推桿E剛打到機構(gòu)脫扣桿P時，靜鐵心和銜鐵間的電磁吸力克服銜鐵反力彈簧J、磁可調(diào)彈簧C、推桿復位彈簧D和機構(gòu)脫扣桿P的反力;當銜鐵H繼續(xù)驅(qū)動推桿E和機構(gòu)脫扣桿P轉(zhuǎn)動到一定角度，機構(gòu)實現(xiàn)自由脫扣，此時斷路器觸頭分開。本次設(shè)計中，銜鐵打擊全過程的動力與反力關(guān)系曲線如圖6所示［2，4］。反力包括銜鐵所受到的彈簧反力和牽引桿脫扣力，動力方面考慮到磁吸力并未疊加銜鐵轉(zhuǎn)動過程中的轉(zhuǎn)動慣量。

由圖4～圖6可知，根據(jù)幾何關(guān)系及力的傳遞情況，t0時刻，銜鐵處于保持狀態(tài)，銜鐵反力矩計算公式為

MF=FJd3+FCd0d1d2（2）

式中：" MF——彈簧對銜鐵反力矩;

d3——力FJ相對轉(zhuǎn)動中心O6的力臂;

d0——力FC相對轉(zhuǎn)動中心O5的力臂;

d1——力FG相對轉(zhuǎn)動中心O5的力臂;

d2——力FG相對轉(zhuǎn)動中心O6的力臂。

t1時刻，銜鐵處于吸合狀態(tài)，剛打到機構(gòu)脫扣桿時的銜鐵反力計算公式為

M′F=FJd3+FCd0d1d2+FDd6+FPd7d5d4（3）

式中：" M′F——彈簧和機構(gòu)脫扣桿對銜鐵反力矩;

d4——力FE相對轉(zhuǎn)動中心O6的力臂;

d5——力FC相對轉(zhuǎn)動中心O4的力臂;

d6——力FD相對轉(zhuǎn)動中心O4的力臂;

d7——力FP相對轉(zhuǎn)動中心O4的力臂。

由于摩擦力矩一般只存在于轉(zhuǎn)動中心，且遠小于彈簧和機構(gòu)提供反力距，計算中暫不考慮。

2" 斷路器磁可調(diào)電磁脫扣器的設(shè)計

作為斷路器發(fā)揮保護作用的核心部件，電磁脫扣器必須迅速有效地動作，使斷路器將主回路斷開。磁可調(diào)電磁脫扣器的瞬動脫扣電流范圍按GB/T 14048.2—2020《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分：斷路器》規(guī)定的5In～10In設(shè)定。在磁可調(diào)脫扣器鐵心、銜鐵、杠桿和推桿等關(guān)系已經(jīng)確定，且具有足夠穩(wěn)定的機構(gòu)脫扣反力的前提下，有必要對拉簧力值、保持狀態(tài)的氣隙等參數(shù)進行設(shè)計確認。

以下通過實例分析圖4、圖5中，磁可調(diào)電磁脫扣器通過5In和10In的短路電流時，但機構(gòu)未達到預(yù)定脫扣位置，磁可調(diào)彈簧C、推桿復位彈簧D、銜鐵反力彈簧J、機構(gòu)脫扣桿P傳遞給銜鐵的反力矩和短路電流激磁提供給銜鐵的吸合力矩。短路電流整定5In檔的反力矩計算參數(shù)如表1所示;短路電流整定10In檔的反力矩計算參數(shù)如表2所示。

根據(jù)式（2）和式（3），產(chǎn)品短路保護倍數(shù)整定在5In時，彈簧反力矩和機構(gòu)脫扣桿對銜鐵的反力矩分別為MF=50.58 N·mm，M′F=319.18 N·mm。

根據(jù)式（2）和式（3），產(chǎn)品短路保護倍數(shù)整定在10In時，彈簧反力矩和機構(gòu)脫扣桿對銜鐵的反力矩分別為MF=241.99 N·mm，M′F=494.39 N·mm。

通過以上算例可知，在斷路器磁可調(diào)電磁脫扣器的整定倍數(shù)不同的情況下，磁可調(diào)電磁脫扣器的銜鐵上的反力距是不同的。對5In和10In短路電流整定倍數(shù)下的銜鐵受到鐵心的電磁吸力進行電磁靜態(tài)特性仿真，通過仿真前的模型進行簡化和參數(shù)設(shè)置。5In短路電流銜鐵受到鐵心的吸力矩曲線如圖7所示;10In短路電流銜鐵受到鐵心的吸力矩曲線如圖8所示。

通過對銜鐵受到的吸合力矩和反力矩進行仿真計算，得到不同短路電流整定值下銜鐵的動力矩和反力矩的匹配關(guān)系。不同短路電流整定值的動力矩和反力矩如表3所示。

需要說明的是，采用仿真軟件Ansys的仿真模塊［5］對斷路器電磁脫扣器進行的靜態(tài)特性仿真沒有考慮銜鐵空行程的轉(zhuǎn)動慣量，即使t0時刻動力大于反力，但t1時刻動力小于反力，表明銜鐵雖然已經(jīng)能吸合，但不足以讓斷路器脫扣，因此靜態(tài)特性仿真無法滿足斷路器的脫扣特性要求。但是在實際產(chǎn)品測試中產(chǎn)品不存在不脫扣的情況，為了使磁脫扣器的虛擬設(shè)計模型和仿真計算更好地符合實際，考慮銜鐵的轉(zhuǎn)動慣量對銜鐵的吸合力矩有一定的影響，將電磁吸力、彈簧反力及機構(gòu)脫扣力添加到仿真軟件Ansys模型中，繼續(xù)進行斷路器電磁脫扣器的動態(tài)特性仿真，得到各預(yù)期短路電流下電磁脫扣器的動作過程曲線并進行分析，引出對其優(yōu)化設(shè)計的必要性。

3" 磁可調(diào)電磁脫扣器的動態(tài)特性仿真分析設(shè)計

3.1" 磁可調(diào)電磁脫扣器動態(tài)特性仿真模型的建立

首先建立Ansys電磁場3D模型仿真，選擇Transient求解類型，導入簡化模型，按照以下流程進行參數(shù)設(shè)置并對鐵心的運動域做出限制，包括運動類型、轉(zhuǎn)動軸、最大旋轉(zhuǎn)角度限制、反力矩、轉(zhuǎn)動慣量，之后創(chuàng)建計算方案進行計算，并對結(jié)果進行后處理及分析優(yōu)化。

3.1.1" 模型簡化

根據(jù)仿真需求在Solidworks中對磁可調(diào)電磁脫扣器的鐵心、銜鐵及導電主回路進行模型簡化［6］，同時建立運動域，去除無關(guān)特征，保留電磁仿真相關(guān)計算部件，進行簡化。磁可調(diào)電磁脫扣器Ansys動態(tài)仿真模型如圖9所示。

3.1.2" 設(shè)置零件材料

選擇模型中零件，進入Properties菜單，設(shè)置零件相應(yīng)材料屬性。材料設(shè)置界面如圖10所示。

3.1.3" 建立計算域

建立計算域時，計算域大小以1～5倍模型最大輪廓尺寸為宜，本次仿真選擇2倍。計算域設(shè)置界面如圖11所示。

3.1.4" 設(shè)置激勵

選擇導體兩端作為電流進出端口，設(shè)置電流激勵值。激勵設(shè)置界面如圖12所示。

3.1.5" 求解力矩設(shè)置

選中鐵心，設(shè)置求解力矩。求解值設(shè)置界面如圖13所示。

3.1.6" 網(wǎng)格劃分

采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，對一些重要的零件進行手動網(wǎng)格加密。網(wǎng)格劃分設(shè)置界面如圖14所示。

3.2" 仿真對比分析

對于斷路器的電磁脫扣器，當試驗電流為短路整定電流的80%時，脫扣器應(yīng)不動作，電流持續(xù)時間為0.2 s;當試驗電流為短路整定電流的120%時，脫扣器應(yīng)在0.2 s內(nèi)動作。初步確定仿真時需要加載的電流范圍為4In～6In以及8In～12In。

對電磁脫扣器加載大小為4In的電流激勵，發(fā)現(xiàn)電磁脫扣器在0.2 s內(nèi)并未脫扣。磁可調(diào)整定4In檔動態(tài)仿真的吸力矩曲線如圖15所示。這說明其符合國家標準的規(guī)定;之后將電流激勵更改為區(qū)間中點值5In，發(fā)現(xiàn)其能夠在0.2 s內(nèi)完成脫扣。磁可調(diào)整定5In檔動態(tài)仿真的吸力矩曲線如圖16所示。這也符合國家標準的規(guī)定［2，7］。

對電磁脫扣器加載大小為8In的電流激勵，發(fā)現(xiàn)電磁脫扣器在0.2 s內(nèi)并未脫扣。磁可調(diào)整定8In檔動態(tài)仿真的吸力矩曲線如圖17所示。說明其符合國家標準的規(guī)定;之后將電流激勵更改為區(qū)間中點值10In，發(fā)現(xiàn)其能夠在0.2 s內(nèi)完成脫扣。磁可調(diào)整定10In檔動態(tài)仿真的吸力矩曲線如圖18所示。這也符合國家標準的規(guī)定。

3.3" 試驗對比驗證結(jié)果

對磁可調(diào)電磁脫扣器的動態(tài)特性仿真分析結(jié)果表明，磁可調(diào)電磁脫扣器的保護特性符合標準要求，且斷路器測試保護特性數(shù)據(jù)在設(shè)計范圍內(nèi)，能保證斷路器脫扣特性的可靠性。

3.4" 歸納總結(jié)

通過上述各種分析與驗證得出：

（1） 采用理論計算和靜態(tài)/動態(tài)特性仿真的方法進行設(shè)計，有利于提高磁可調(diào)電磁脫扣器設(shè)計的可靠性。

（2） 合理設(shè)計t0時刻和t1時刻反力距，考慮5In和10In短路保護整定倍數(shù)下的彈簧參數(shù)和杠桿傳遞與反力距的互相匹配，動態(tài)仿真加入銜鐵的轉(zhuǎn)動慣量，增加吸合力矩，有利于提高設(shè)計可靠性。

（3） 仿真分析因沒考慮軸孔配合、摩擦力等，磁可調(diào)電磁脫扣器仿真計算結(jié)果與實際反力有微小差異，但總體結(jié)果一致，能夠保證保護特性性能非?？煽俊?/p>

4" 結(jié)" 語

本文主要分析了磁可調(diào)電磁脫扣器的各工作狀態(tài)的受力情況，采用簡單理論計算和靜態(tài)/動態(tài)特性仿真進行分析。通過理論的計算和仿真分析進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，再結(jié)合保護特性試驗對比新方案驗證結(jié)果，提出一些設(shè)計與計算的思路。該技術(shù)同樣適用于MCCB系列開關(guān)產(chǎn)品，仿真和試驗驗證結(jié)果均表明此理論計算方法和仿真設(shè)計方案能夠可靠地實現(xiàn)保護特性的效果，也證明了電磁脫扣器的動作可靠性。本文的設(shè)計方法及所得結(jié)論具有一定實際應(yīng)用價值，可以為低壓斷路器的磁可調(diào)電磁脫扣器結(jié)構(gòu)研究設(shè)計提供參考。

【參 考 文 獻】

［1］" 顧惠民.斷路器過電流保護脫扣器的設(shè)計研究［J］.電器與能效管理技術(shù)，2016（2）：9-15，22.

［2］" 黃佳，史克少，趙明，等.小型斷路器操作機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計［J］.電器與能效管理技術(shù)，2022（10）：62-64.

［3］" 魏波，趙質(zhì)勝，任昌賓，等.小型斷路器螺管式電磁系統(tǒng)的理論分析與計算［J］.電器與能效管理技術(shù)，2022（6）：69-74.

［4］" 丁飛，蔣顧平.直流塑殼斷路器磁脫扣器對比分析［J］.現(xiàn)代建筑電氣，2020，11（9）：51-54.

［5］" 胡金利.小型斷路器磁脫扣優(yōu)化仿真分析及實驗研究［J］.電器與能效管理技術(shù)，2022（1）：51-56，72.

［6］" 梁慧敏，朱旭晴，張坤，等.直動式電磁機構(gòu)電磁吸力與線圈安匝數(shù)關(guān)系研究［J］.電器與能效管理技術(shù)，2021（1）：22-28.

［7］" 李沛原.低壓直流斷路器電磁脫扣器性能分析與容差設(shè)計［D］.天津：河北工業(yè)大學，2023.

收稿日期： 20240824