高磁性背板對(duì)斥力機(jī)構(gòu)能量利用率的影響研究

孫良友

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高磁性背板對(duì)斥力機(jī)構(gòu)能量利用率的影響研究

孫良友

（海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室，湖南 411101）

隨著中壓直流混合斷路器的發(fā)展，電磁斥力機(jī)構(gòu)因其優(yōu)越的快速性與可靠性而得到關(guān)注與研究，本文通過在ANSYS EM軟件中對(duì)電磁斥力機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模仿真，分別對(duì)背板材料為高導(dǎo)磁材料與非導(dǎo)磁材料進(jìn)行了仿真分析，從仿真分析的結(jié)果可以看出，高導(dǎo)磁的背板材料可以提高電磁斥力機(jī)構(gòu)的能量利用率，減小電容體積。

電磁斥力機(jī)構(gòu) 高導(dǎo)磁背板 能量利用率

0 引言

隨著艦船電力系統(tǒng)的發(fā)展，中壓直流區(qū)域配電因其固有優(yōu)勢(shì)而得到重視與研究。與此同時(shí)，中壓直流斷路器的缺失成為影響其發(fā)展的瓶頸。

目前，大量研究的中壓直流斷路器主要為混合式直流斷路器。該型斷路器的關(guān)鍵技術(shù)之一為快速機(jī)械開關(guān)，其快速性對(duì)斷路器的體積和成本有重要影響。

電磁斥力機(jī)構(gòu)具有觸動(dòng)時(shí)間短（百微秒級(jí)）、分散性小（微秒級(jí)），可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因此，目前在研究的混合式斷路器中基本都采用電磁斥力機(jī)構(gòu)。其基本原理示意圖如圖1所示a為勵(lì)磁線圈，b為斥力盤，C為儲(chǔ)能電容，儲(chǔ)能電容對(duì)勵(lì)磁線圈脈沖放電，與勵(lì)磁線圈臨近的斥力盤感應(yīng)出與勵(lì)磁電流方向相反的渦流，從而產(chǎn)生電磁斥力驅(qū)動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電磁斥力機(jī)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)行了一些研究[1-2]，本文主要從實(shí)際工程設(shè)計(jì)角度出發(fā)，仿真分析了電磁斥力機(jī)構(gòu)安裝固定用的背板的材料對(duì)電磁斥力機(jī)構(gòu)的影響。

1不同背板材料下的仿真分析

1.1仿真模型建立

在ANSYS EM中建立電磁斥力機(jī)構(gòu)的二維軸對(duì)稱仿真模型，如圖2所示。圖中，1為線圈，匝數(shù)為40匝，2為斥力盤，3為band域（運(yùn)動(dòng)域），4為線圈背板，5為斥力盤背板，4和5的材料設(shè)定為高導(dǎo)磁材料（電工純鐵Iron）或非導(dǎo)磁材料（真空Vacuum）。

線圈由外電路供電，電路圖如圖3所示，圖中，C1為儲(chǔ)能電容，容量為100uF，初始電壓為5kV，LWinding1代表線圈，DD為續(xù)流二極管，Rc為電容內(nèi)阻及線路電阻之和，RL為線圈電阻以及線路電阻之和，LL1、LL2、LL3均為線路電感。

運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量為m=6kg，負(fù)載反力為Fh=5kN。

1.2背板材料設(shè)定為Iron

將背板材料設(shè)置為電工純鐵Iron，其相對(duì)磁導(dǎo)率為4000，進(jìn)行仿真。

仿真結(jié)果如圖4、圖5所示，從圖中標(biāo)記點(diǎn)可以看出，960 μs時(shí)刻，機(jī)構(gòu)行程約為3.5 mm，此時(shí)的速度為5.614 m/s。

1.3背板材料設(shè)定為Vacuum

將背板材料設(shè)置為真空Vacuum，其相對(duì)磁導(dǎo)率為1，其他條件保持不變，進(jìn)行仿真。

仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。從圖中標(biāo)記點(diǎn)可以看出，1.03 ms時(shí)，機(jī)構(gòu)行程約為3.5 mm，此時(shí)的速度為5.025 m/s。

為確保3.5 mm行程時(shí)間與1.2節(jié)仿真結(jié)果一致，即為960 μs。分別對(duì)儲(chǔ)能電容的初始電壓以及電容容量進(jìn)行參數(shù)掃描。

電容容量不變條件下，電容初始電壓為5.28 kV時(shí)，滿足上述要求。此條件下的仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。此時(shí)的速度為5.518 m/s。

電容電壓不變條件下，電容容量為5.28 kV時(shí)，滿足上述要求。此條件下的仿真結(jié)果如圖10、圖11所示。此時(shí)的速度為5.493 m/s。

2 結(jié)果分析

將上一節(jié)中仿真分析的結(jié)果進(jìn)行匯總并進(jìn)行處理，其數(shù)據(jù)見表1。從表1中數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論：

1)同等條件下，高導(dǎo)磁背板材料可減小機(jī)構(gòu)

行程3.5 mm的時(shí)間；

2) 3.5 mm行程時(shí)間保持一定的情況下，高導(dǎo)磁的背板材料可以提高電容能量利用率。

3 總結(jié)

本文通過在ANSYS EM軟件中對(duì)電磁斥力機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模仿真，分別對(duì)背板材料為高導(dǎo)磁材料與非導(dǎo)磁材料進(jìn)行了仿真分析，從仿真分析的結(jié)果可以看出，高導(dǎo)磁的背板材料可以提高電磁斥力機(jī)構(gòu)的能量利用率，減小電容體積。

[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. Electrical Engineering in Japan, 2005,152（4）.

[2] 李慶民, 劉衛(wèi)東, 錢家驪. 電磁推力機(jī)構(gòu)的一種分析方法.電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2004, 19（2）: 20-24.

Research on Influence of High Magnetic Back Board on Energy Utilization of Repulsion Mechanism

Sun Liangyou

(Naval Representatives Office in Hunan, Xiangtan 411101, Hunan, China)

TM561

A

1003-4862（2016）05-0031-03

2016-03-09

孫良友(1977-)，男，工程師。研究方向：電力電子技術(shù)。