高速電磁斥力機構的基本原理與仿真分析

安德紅，江壯賢

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高速電磁斥力機構的基本原理與仿真分析

安德紅1，江壯賢2

（1. 92118部隊，浙江舟山 31600；2. 海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

混合型限流斷路器是現代直流電力系統有效的短路保護設備，其中用于驅動高速限流斷路器機械觸頭高速分閘的電磁斥力機構性能決定了混合型限流斷路器的限流水平及分斷的可靠性。分析了電磁斥力機構的工作原理，通過理論推導得到了電磁斥力的解析表達式，在此基礎上得到其運動方程。介紹了電磁斥力機構的瞬態場有限元仿真方法，建立了1000 V/400 A樣機的仿真模型，樣機試驗結果驗證了理論分析與仿真計算的正確性，為電磁斥力機構的進一步優化設計打下堅實基礎。

高速機械觸頭 電磁斥力機構 有限元仿真 混合型限流斷路器

0 引言

近年來一種具備機械開關大通流能力和電力半導體開關快速、無弧分斷特性的混合型限流斷路器在直流短路電流的限流分斷方面表面出優異的性能和潛力，成為直流斷路器發展的一個新方向[1]。混合型限流斷路器一般由高速機械開關和電力半導體開關并聯組成，正常工作時電流從機械開關上流過，由于機械開關的接觸電阻小，通流損耗低，因而通流容量大。而當電路需要分斷或出現短路故障時，機械開關迅速打開，電流從機械開關轉移至電力半導體開關支路，由功率半導體完成電流的無弧分斷。由于功率半導體的動作速度快，可以在短時間內分斷短路電流，因而如何提高觸頭機構的反應速度使其在接到分斷信號后盡快使機械開關分離將電流轉移至半導體支路，以及如何提高機械開關在分離初期的運動速度使開關在半導體支路關斷短路電流時有足夠的空氣間隙承受關斷過電壓的沖擊，成為混合型限流斷路器高速機械觸頭機構研制的關鍵。

為了達到快速反應、高速運動的目的，機械開關觸頭一般采用高速電磁斥力機構驅動。電磁斥力機構利用電磁感應原理動作，反應迅速、傳動過程直接[2-7]，在一些需要高速動作的觸頭機構中已得到廣泛應用，如新型混合型斷路器[8]、高速真空斷路器[9]、新型混合式超導限流器[10]等等。

電磁斥力機構在動作過程中涉及了電路放電、電磁感應和機械運動等多個相互耦合的子過程，該過程中斥力金屬盤與斥力線圈的相對位置不斷變化，它們之間的互感也不斷變化，其動態過程的解析求解困難很大。文獻[11]運用電路理論對斥力機構中放電回路電阻及動盤初始電感對動盤運動特性的影響，以及包括動盤質量在內的斥力機構主要機械參數之間的關系進行分析，并指出斥力機構能達到的最大效率約為30％。文獻[12]利用基于時間和位移的雙層循環離散迭代算法計算了高速電磁斥力機構的運動情況并對不同機械參數對斥力的動態性能的影響進行分析，從而得到電磁斥力機構的優化以簡設計原則。

1 原理分析

高速電磁斥力機構原理如圖1所示，包括由電容C、晶閘管T、二極管D構成的儲能脈沖放電電路、扁平的斥力線圈和金屬斥力盤三個部分組成。機構未動作時，金屬斥力盤位于斥力線圈上方，靠近線圈放置，電容通過外電路預先充電儲能；開關動作時，通過給晶閘管T觸發信號使其導通，預先儲能的脈沖放電電路對斥力線圈發出脈沖電流，脈沖電流通過斥力線圈產生的脈沖磁場在斥力金屬盤上感應渦流，方向與脈沖電流相反，兩者產生的脈沖磁場相互作用，在斥力金屬盤上形成巨大的電磁斥力，通過連桿帶動機械開關動觸頭高速分閘。

圖1 電磁斥力機構工作示意圖

2 斥力機構數學模型

圖2所示為電磁斥力機構等效電路，儲能電容C與斥力線圈構成脈沖放電回路，產生脈沖電流i，R、L分別為斥力線圈電阻與自感。斥力盤可視為等效的感應回路，形成感應電流i，R、L分別為其電阻與自感；記M為斥力線圈與斥力盤間的互感，其耦合程度與兩者的距離關系密切，在機構動作過程中，隨著斥力盤的運動，距離越來越大，互感M越來越小。

圖2 電磁斥力機構等效電路

由圖2可得到電磁斥力機構驅動回路與感應回路基本電路方程，

根據文獻[10]的推導結果，高速電磁斥力機構動作時，電磁斥力的表達式為：

3 有限元理論及ansoft仿真方法

有限元仿真是采用數值計算的方法對模型微分方程進行求解，隨著計算機性能的提高和有限元法的發展，限元仿真計算方法在工程領域得到廣泛的應用，商業化的有限元仿真軟件已囊括各工程領域，甚至出現集成不同學科的多場耦合的計算軟件。目前對于電磁場的有限元仿真計算來說，Ansoft是使用最廣的一種軟件。Ansoft Maxwell 是世界著名的商用低頻電磁場有限元軟件之一，在各個工程電磁領域都得到了廣泛的應用，它基于麥克斯韋微分方程，采用有限元離散形式，采用先進的算法，將工程中的電磁場計算轉變為矩陣求解。選用ansoft中的2維瞬態電磁場運動仿真功能，對電磁斥力機構進行仿真計算，具體仿真分析過程如下：

1）分析電磁斥力機構模型，在對模型進行適當簡化的基礎上，建立其2維軸對稱幾何模型；

2）根據實際情況，對電磁斥力機構部件賦以對應的材料屬性；

3）邊界條件的選擇以及以實際相應的脈沖放電電路的建立，其中斥力線圈電感應與電路計算耦合；

4）對電磁斥力機構的機械特性賦值，如負載力、彈簧彈性系數、運動部件等效質量、運動邊界等參數。

5）設定模型的計算時間、計算步長等動態參量，最后進行有限元的網格剖分。

在完成上述5個步驟之后，就可以開始對模型進行有限元求解，求解所用時間與模型的復雜程度、網格數量、總步數等關系密切，可根據計算精度要求與計算機的性能進行適當調整。

4 仿真建模與試驗驗證

為了驗證仿真分析的可行性與正確性，課題組設計了1000 V/400 A混合型限流斷路器中的高速電磁斥力機構樣機，根據樣機實際參數建立仿真模型。

樣機的機械參數：斥力外半徑40mm、內半徑5 mm、厚度4 mm、運動部件質量0.45 kg，其中動盤質量0.1 kg；斥力線圈匝數20匝、外半徑40 mm、內半徑10 mm、線寬度1 mm、線厚度2mm，動盤與斥力線圈的材料為紫銅、它們之間的初始氣隙1 mm；放電路參數：電容100 μF，初始電壓1000 V。

圖3是對樣機的二維軸對稱建模后網格劃分的結果，考慮到計算的時間對于不同區域用不同大小的網格進行劃分，對于計算區域和運動區域用較大網格，斥力盤與斥力線圈用小網格。

圖3 機構樣機仿真模型

采用與仿真對應的電路參數，對高速電磁斥力機構進行動作試驗，監測放電電流波形與斥力盤運動特性曲線，并將試驗結果與仿真計算結果進行對比，如圖4所示。顯然，仿真數據能夠很好地反映機構樣機的實際動作性能，因此基于圖3的仿真模型是可信的。

從圖4結果可知，采用100 μF斥力電容充電1000 V對1000 V/400 A電磁斥力機構放電產生脈沖電流峰值2.7 kA，峰值時間50 μs，可在1 ms內將形成1 mm觸頭開距。

人之行，莫大于孝。我們為信仰、為主義勇于犧牲自己，包括生命在內的一切，但我們始終沒有忘記生我們養我們的父母，同志們今天所付出的一切，都是為了讓我們的父母，還有未來的父母們活得更陽光，更有尊嚴。但在理想實現之前，注定我們是犧牲的一代人，國難當前，我們無法親恭奉養我們的父母，甚至明天，或者今天我們就將犧牲在生我們養我們的土地上，但我們后悔嗎？”

5 電磁斥力機構的磁場分析

圖5所示為電磁斥力機構在斥力最大時的磁力線分布圖，由圖5可以看出紫銅盤具有很強的祛磁能力，在該時刻斥力線圈產生的磁場幾乎沒有能夠穿過它的。這是因為電磁斥力機構在斥力為最大值時紫銅盤中的反向渦流也為最大，它產生的反向磁場阻止了斥力線圈產生磁場的磁力線從銅盤中間穿過，而這也是電磁斥力產生的原因。

從圖5還可看出，斥力線圈產生的磁場大部分經空氣形成磁回路，而由于空氣的磁阻很大，所以斥力線圈產生的能量大部消耗在空氣中，極大地降低了機構的效率。

為提高電磁斥力機構效率，可對機構增加導磁回路以減少機構能量在空氣中的損耗。在已建模型中加入導磁回路，材料為高導磁率的電工純鐵，并對磁場進行分析，如圖6所示。

由圖6看出，增加磁路之后斥力線圈產生的磁力線大部分由磁路通過，由于磁路的材料選用具有高導磁率的電工純鐵，因而磁場能量在其中的消耗很少，大部分作用于銅盤產生斥力，機構的作用效果得到增強。圖7為兩種條件下斥力的仿真結果，從圖中可以看出增加磁路后斥力盤所受斥力峰值由7.9 kN增加到9.6 kN，峰值增加21%，效果好于未加磁路的情況。

圖7增加磁路后機構斥力對比

6 結論

1）推導出電磁斥力的計算公式，在此基礎上得到電磁斥力機構運動方程；

2）建1000 V/400 A電磁斥力機構有限元仿真計算模型，實驗驗證了仿真計算的準備性。

3）分析了電磁斥力機構的磁場分布，采用增加磁路的方法減少機構能量損失，可將同等條件下斥力峰值提高21%。

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Basic Principle and Simulation Analysis of High Speed Electro-magnetic Repulsion Mechanism

An Dehong1, Jiang Zhuangxian2

（1. Unit No. 92118 of PLA, Zhoushan 31600, Zhejiang, China; 2. Department of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China）

TM561

A

1003-4862（2016）08-0001-04

2016-03-10

國家自然科學基金(51207166)

安德洪(1982-)，男，工程師。專業方向：艦船電氣。