電磁斥力機構觸動時間研究

姜 楠，任 萍

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電磁斥力機構觸動時間研究

姜 楠，任 萍

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064）

本文在Ansys Workbench中，結合Maxwell 2D與Mechanical模塊對電磁斥力機構的瞬態運動過程進行了聯合仿真，完成了電磁斥力計算，并將電磁斥力作為載荷對電磁斥力機構進行了瞬態動力學分析，得到了電磁斥力機構傳動部件在瞬態動作過程中的應力應變，提取了動觸頭處的位移曲線，得到了電磁斥力機構的觸動時間為210 μs，計算結果與試驗結果220 μs的誤差為4.5%，可以滿足工程設計需要，為電磁斥力機構觸動時間的計算提供了一種方法。

電磁斥力機構 觸動時間 計算方法

0 引言

隨著直流電力系統的發展，中壓混合式直流斷路器（以下簡稱混合斷路器）得到了大量的研究，混合斷路器在短路故障時快速分離觸頭，并在觸頭達到一定開距下投入反向脈沖電流強迫觸頭電流過零，在短路電流上升階段，完成限流分斷。混合斷路器具有限流分斷的特性，可降低電力設備的設計要求和設計難度。

混合斷路器關鍵技術之一是電磁斥力機構，減小電磁斥力機構的觸動時間，可以使得混合斷路器在更小的電流下分離觸頭以及投入反向電流，對于減小混合斷路器的體積和重量有重要的作用[1-2]。

電磁斥力機構具有結構簡單、動作迅速、動作分散性小的優點，其基本原理示意圖1所示。

當接到操作命令時，預充電的儲能電容向勵磁線圈放電持續幾毫秒，與勵磁線圈相鄰的金屬斥力盤產生感應渦流；勵磁電流與感應渦流作用產生電磁斥力，推動斥力盤及傳動軸運動。

電磁斥力機構雖然結構簡單，但是其物理過程涉及到電磁場與渦流場以及運動的復雜耦合，如何準確地計算電磁斥力機構的觸動時間是電磁斥力機構設計的難點之一，本文通過在ANSYS中進行仿真分析，并進行試驗驗證，得到了計算電磁斥力機構觸動時間的一種仿真分析方法。

1 觸動時間仿真計算

1.1電磁斥力計算

電磁計算模型如圖2所示，采用二維軸對稱模型，需要考慮模型中運動部件在電磁力作用下的實際位移，所以在電磁模型中需要添加一層空氣域，包裹住所有運動物體，該空氣域在Maxwell中稱為band。這就要求斥力盤與線圈外側的環氧不能完全貼緊，故在計算時留出0.5 mm縫隙。考慮到band內實際運動的物體為多個，且材料不同，就需要在band內部再加入一個小型空氣域，實現多體的聯合運動。

如圖2所示，左側圖形深紅色部分為運動體，右側圖為帶有空氣域的整體計算模型。

圖2 Maxwell計算模型

整個運動部件受到的電磁力如圖3所示。

1.2瞬態動力學分析

在Mechanical模塊中建立結構有限元模型，并設置接觸對、反力彈簧等，瞬態動力學分析模型如圖4所示。

然后進行網格劃分，整體網格尺寸為0.5 mm，采用自由網格劃分方法。由單元統計中顯示單元質量柱狀圖，如圖5所示。

從圖5可以看出，單元質量系數偏向于1，平均單元質量為0.966。表示單元質量非常好。

圖3運動部件受力

圖4瞬態動力學分析模型

圖5單元質量柱狀圖

通過Imported Load來實現Maxwell計算的電磁力傳遞至Mechanical，導入Body Force Density，指定運動件為電磁力的接收體，作為結構分析的外載荷。

從圖3中可以找出，幾個特征時刻點，見表1。電磁力載荷曲線發生三次波動——三次載荷峰值時刻和三次載荷回零時刻。載荷曲線的上升和下降基本呈現線性特點。

在Mechanical中導入這些特征時刻的載荷數據，其他時刻的載荷采用軟件自帶的斜坡載荷進行線性插值。斥力盤電磁力在=0.13 ms時刻的載荷矢量圖如圖6所示。

表1 Maxwell電磁力曲線特征時刻點

圖6斥力盤電磁力在=0.13 ms時刻的載荷矢量圖

完成仿真后，提取觸頭的局部位移隨時間的變化曲線，如圖7所示。

圖7 觸頭的局部位移隨時間的變化曲線

從圖7的曲線可以看出，運動開始時的一段時間內觸頭并未發生明顯的運動，這段時間即為電磁斥力機構的觸動時間。通過提取曲線中的數據。觸頭運行量為0.01 mm時對應的時刻為210 μs，此時觸頭的平均速度為0.382 m/s。

2 試驗分析

對實際樣機進行觸動時間測試，測試結果如圖8所示，圖中，曲線1為線圈電流波形，曲線2下降沿表示動、靜觸頭分離時刻，曲線3為電容電壓。從圖中可以看出，從線圈投入電流到動、靜觸頭分離時間約為220 μs。仿真結果與試驗結果的誤差為4.5%，由此可見，仿真計算精度可以滿足工程設計需要。

圖8 電磁斥力機構觸動時間測試波形

3 結論

通過ANSYS建立電磁斥力機構的有限元模型，仿真分析電磁斥力機構傳動部件在瞬態動作過程中的應力應變并提取動觸頭處的位移曲線，可以得到了電磁斥力機構的觸動時間，通過與試驗對比，可見觸動時間的計算值與試驗結果的誤差為4.5%，可以滿足工程設計需要。

參考文獻：

[1] 王子建, 何俊佳, 尹小根, 陸佳政, 惠東, 張漢明. 基于電磁斥力機構的10 kV快速真空開關. 電工技術學報, 2009, 24(11): 68-75.

[2] 孟軍. 快速斥力機構的設計與應用研究. 山東大學碩士學位論文, 2010．

Research on the Triggering Time of the Electromagnetic Repulsion Mechanism

Jiang Nan, Ren Ping

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

TM153

A

1003-4862（2016）10-0028-03

2016-03-28

姜楠(1988-)，男，碩士。研究方向：開關電器。