電磁斥力機(jī)構(gòu)仿真與試驗對比研究

姜 楠，曾晶晶，楊晨光，彭振東

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電磁斥力機(jī)構(gòu)仿真與試驗對比研究

姜 楠，曾晶晶，楊晨光，彭振東

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

電磁斥力機(jī)構(gòu)因其特有優(yōu)勢成為了研究的熱點，本文簡單介紹了其工作原理，然后進(jìn)行了有限元仿真，并生產(chǎn)樣機(jī)進(jìn)行了試驗驗證。從仿真與試驗的對比分析中，可以看出，電磁斥力機(jī)構(gòu)具有約300 μs的機(jī)械延時，將仿真結(jié)果在時間維添加機(jī)械延時的修正后，仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性得到極大的提高。

電磁斥力機(jī)構(gòu) 機(jī)械延時

0 引言

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其短路電流已達(dá)到甚至超過斷路器的開斷能力，故障限流器在系統(tǒng)正常時呈現(xiàn)低阻抗，對系統(tǒng)幾乎無影響，在短路故障時，迅速表現(xiàn)為高阻抗，限制短路電流，因此，成為了研究的熱點。

一種混合式故障限流器，其關(guān)鍵設(shè)備之一為快速分閘開關(guān)（以下簡稱快速開關(guān)），該快速開關(guān)的快速性是限流器限流水平的決定因素之一，此外，還要求快速開關(guān)具有極小的動作分散性。

快速開關(guān)的動作特性由其操動機(jī)構(gòu)決定，傳統(tǒng)的操動機(jī)構(gòu)如彈簧、液壓、氣動操動機(jī)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動部件多，其觸動時間為毫秒級且具有較大的分散性，無法滿足快速開關(guān)的要求。電磁斥力機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、傳動部件少，其觸動時間為百微秒級，動作分散性為十微秒級，可以滿足快速開關(guān)的要求。

1 電磁斥力機(jī)構(gòu)原理[1,2]

電磁斥力機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，它主要有勵磁線圈、斥力盤、傳動軸和外電路組成。

當(dāng)接到操作命令時，預(yù)充電的儲能電容向勵磁線圈放電持續(xù)幾毫秒，在勵磁線圈周圍產(chǎn)生軸向和切向的磁場。磁場的軸向分量通過磁鏈金屬斥力盤在其中感應(yīng)出方向與勵磁電流相反的渦流；磁場切向分量與金屬斥力盤中的感應(yīng)渦流相互作用產(chǎn)生電磁斥力，推動斥力盤運動，并帶動傳動軸加速運動。此操作機(jī)構(gòu)可以與真空滅弧室直接相連，減少了傳動機(jī)構(gòu)的零部件數(shù)量，可以提高產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)剛性，有助于減小觸頭彈跳，提高剛分、剛合速度，減小分、合閘時間，同時由于零部件數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡單，動作分散性降低，開關(guān)機(jī)械系統(tǒng)可靠性大大提高。

2 有限元仿真[3]

電磁斥力機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是其動作過程涉及電磁場、渦流場、力場以及運動場的多物理場深度耦合，其各場的關(guān)系如圖2所示。因此快速準(zhǔn)確地計算其動作過程具有一定的難度。目前，關(guān)于其計算方法主要分為路的方法和場的方法。路的方法計算速度較快，但是精度相對較低，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜時難以計算；場的方法計算速度相對較慢，但精度相對較高，且有成熟的商業(yè)軟件。本文采用商業(yè)有限元仿真軟件Ansoft Maxwell對電磁斥力機(jī)構(gòu)的運動過程進(jìn)行仿真分析。

本文中，電磁斥力機(jī)構(gòu)勵磁線圈采用紫銅扁平帶纏繞，斥力盤采用某型鋁合金制成中間厚邊緣薄的圓盤，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。放電外電路如圖4所示，由脈沖電容C、晶閘管組件T和續(xù)流二極管組件D等組成。

機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及電氣參數(shù)如表1所示。

在Ansoft Maxwell中，建立機(jī)構(gòu)的瞬態(tài)電磁場模型，如圖5所示，其外電路及相關(guān)參數(shù)如圖6所示。相關(guān)前處理設(shè)置完畢后，進(jìn)行仿真計算，得到線圈的電流曲線和斥力盤位移曲線，如圖7所示。

3 試驗驗證及分析

為了驗證仿真結(jié)果，設(shè)計生產(chǎn)了原理樣機(jī)，并進(jìn)行了試驗。電磁斥力機(jī)構(gòu)動作速度快，常規(guī)的測量設(shè)備難以滿足要求，在缺少合適的測量設(shè)備的情況下，設(shè)計了一種測試電路，該測試電路可以測量機(jī)構(gòu)的觸動時間以及一定開距的時間，測試原理圖如圖8所示。試驗波形如圖9所示，從圖中可以看出，線圈電流峰值約為5 kA，機(jī)構(gòu)觸動時間為340 μs，3.5 mm行程時間為1.3 ms。試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比可知，機(jī)構(gòu)觸動具有一定的時延，用該時延對仿真結(jié)果進(jìn)行修正后，基本與試驗結(jié)果吻合，證明仿真結(jié)果具有設(shè)計參考性。

4 總結(jié)

電磁斥力機(jī)構(gòu)因其獨特的優(yōu)勢而具有可觀的應(yīng)用前景，在商業(yè)有限元軟件Ansoft中建立了電磁斥力機(jī)構(gòu)的有限元模型，進(jìn)行了仿真分析，并對樣機(jī)進(jìn)行了試驗，測得了樣機(jī)的觸動時間與3.5mm行程時間。根據(jù)試驗結(jié)果修正后的仿真結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性，具備工程指導(dǎo)意義。

[1] Toshie Takeuchi，Kenichi Koyama，Mitsuru Tsukima．Electromagnetic analysis coupled with motion for high-speed circuit breakers of Eddy current repulsion using the tableau approach[J]．Electrical Engineering in Japan，2005，152(4)：8-16．

[2] Holaus W，F(xiàn)rohlich K. Ultra-fast switches- a new element for medium voltage fault current limiting switchgear[J]. Power Engineering Society Winter Meeting，2002, 1(27): 299-304.

[3] 劉國強(qiáng)，趙凌忠，蔣繼婭．Ansoft工程電磁場有限元分析[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2005．

Research on Electromagnetic Repulsion Mechanism by Simulink and Examination

Jiang Nan, Zeng Jingjing, Yang Chenguang, Peng Zhendong

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

the electromagnetic repulsion mechanism is the focus of research. In this paper, the principle is introduced, the finite element simulate is performed, and the sample is manufactured and experimented. It is found in the analysis of the simulation and the experimentation that the electromagnetic repulsion mechanism has about 300 microsecond machine time delay and the precision of the simulation can be improved by modifying the simulation results with the machine delay.

electromagnetic repulsion mechanism; machine time delay

TM153

A

1003-4862（2015）03-0006-02

2014-09-01

姜楠(1988-), 男，碩士。研究方向：開關(guān)電器。