高壓斷路器電磁鐵仿真設計及優化

王亞輝，張全民，顧根泉

（平高集團有限公司，河南 平頂山 467001）

0 引 言

電磁鐵是高壓斷路器操動機構中的重要元件之一。電磁鐵的結構形式多樣，根據電磁鐵的負載和動作行程，在斷路器的操動機構中一般采用直流螺管電磁鐵。在操動機構中，要求電磁鐵的吸力特性與操動機構的動作特性相匹配，動作時間短，具有高可靠性。基于電磁鐵設計理論進行電磁鐵初步設計，確定電磁鐵的各個結構參數，再通過仿真軟件計算，優化參數，可以快速、低成本實現產品研發[1]。

1 電磁鐵設計理論

電磁鐵是一種電磁鐵線圈通電后對電磁鐵鐵心產生吸力將電能轉換為機械能的電器元件。

1.1 電磁鐵結構

電磁鐵結構見圖1，由上磁軛、動鐵芯、下磁軛、線圈、隔磁環和隔磁墊等組成。電磁鐵在電流的作用下打開電磁閥先導閥，以控制電磁閥動作。

圖1 電磁鐵結構

1.2 電磁鐵理論分析

在工程上，常采用等值磁路來分析、計算電磁鐵的磁場，以簡化計算。合理建立模型，有助于控制計算誤差處于允許范圍，使計算精度滿足工程需要。

電磁鐵電壓方程：

電磁鐵的感應電動勢：

電磁鐵機械運動方程：

電磁鐵吸力計算：

式中，U表示線圈兩端電壓（V）；R表示線圈電阻（Ω）；L表示線圈電感（T）；di/dt表示電流對時間的變化率；i表示線圈中電流（A）；uf表示線圈感應電動勢（V）；v表示動鐵芯運動速度（m/s）；F表示電磁鐵吸力（N）；f表示電磁鐵負載（N）；m表示動鐵芯質量（kg）；x表示動鐵芯運動位移（m），N表示線圈匝數（匝）；μ0表示真空導磁率[Mx/（A·cm）]；S表示動鐵芯截面積（cm2）；δ表示氣隙長度（cm）。

電磁鐵的動作過程分2個階段：第1階段，電磁鐵線圈通電到電磁鐵動鐵芯開始動作時刻；第2階段，電磁鐵動鐵芯開始動作時刻到鐵芯最后吸合時刻。

第1階段，電磁鐵線圈剛通電，由于線圈為感性元件，線圈電流不能突變到穩態電流，而是由0逐漸增大到穩態電流。同時，電磁鐵的吸力逐漸增大，直到使動鐵芯動作。第2階段，線圈電流逐漸增大到動作電流，即電磁鐵吸力剛超過電磁鐵負載力，動鐵芯開始運動，使得電路中又增加了一項感應電動勢。此時，線圈電流將比鐵芯開始運動時的電流要小，而且動鐵芯運動速度越快，感應電動勢越大，線圈電流減少得越多。動鐵芯到達最終吸合位置，停止運動。電磁鐵線圈電流再次逐漸增大，直到達到穩態電流。

2 電磁鐵仿真與分析

對電磁鐵建模，進行靜態仿真分析和動態分析。

2.1 電磁鐵靜態仿真分析

上面采用電磁有限元分析軟件Maxwell對電磁鐵進行了靜態分析，通過分析對電磁鐵的材料特性有了一定的了解，并再現了電磁鐵的磁路分布情況，但得到的結果只是靜態特性。

2.1.1 仿真模型

為便于分析，利用電磁鐵軸對稱結構，取其一半結構，在有限元軟件中建立電磁鐵的仿真模型，如圖2所示。仿真過程中，為提高分析精度，采用自適應網格分析，并利用系統的迭代求解，對最大誤差存在的區域進行網格細化得到較高的網格密度，從而生成更加準確的解[2]。

圖2 電磁鐵模型

2.1.2 仿真結果

（1）電磁鐵磁路分析。針對不同電磁鐵氣隙進行仿真，觀察磁力線分布。不同氣隙下磁力線分布，如圖3～圖6所示。可見，隨著氣隙的增大，漏磁增大。

圖3 氣隙為0.2 mm磁路圖

圖4 氣隙為1.2 mm磁路圖

圖5 氣隙為2.2 mm磁路圖

圖6 氣隙為3.2 mm磁路圖

（2）電磁鐵靜態吸力分析。假設電磁鐵線圈電流保持為穩定值，改變電磁鐵的氣隙，計算不同氣隙下電磁鐵靜態吸力，可得到電磁鐵靜態吸力曲線，見圖7。從圖7可以看出，靜態吸力隨著氣隙的減小而增大。氣隙在2.2～3.2 mm，輸出力增加迅速；氣隙在1.4～2.2 mm，輸出力變化幅度較小；氣隙在0.2～1.4 mm，電磁力迅速增大。

圖7 電磁鐵靜態吸力特性

（3）鐵芯長度對靜態輸出力的影響。軸向推力隨著銜鐵長度的增加而增大，但是軸向推力上升速率呈下降趨勢。產生這種現象的原因在于銜鐵長度變化引起磁路的閉合路徑發生變化進而導致磁阻變化。因銜鐵長度變短而引入的后端非工作氣隙導致整個磁路磁阻變大，引起磁力大幅度減小[3]。銜鐵作為電磁鐵的重要組成部分，是其唯一的可動工作部件。減少銜鐵長度、降低銜鐵質量可縮短其動作時間，但電磁鐵的推力減小。過長的銜鐵長度并不能增加軸向推力，因而應選取合適的鐵芯長度。

圖8 鐵芯長度對靜態輸出力的影響

2.2 電磁鐵動態仿真

2.2.1 建立仿真模型

仿真模型主要由電磁鐵模型、先導閥閥口節流模型、先導閥閥芯靜壓力模型、先導閥質量模型等構成。電磁鐵、先導閥模型建立基于AMESim系統仿真軟件下的HCD（Host Controller Driver）液壓元件仿真模塊建立仿真模型，見圖9。

圖9 電磁鐵—先導閥模型

2.2.2 仿真結果

通過仿真計算，提取電磁鐵在運動過程中的電流曲線、吸力特性曲線、先導閥閥芯動作位移曲線。

（1）電磁鐵電流曲線。從仿真中提取電磁鐵電流曲線，可以看出電磁鐵驅動先導閥運動，先導閥約在4 ms時開始動作，約5 ms時先導閥打開（見圖10）。電磁鐵基本完成了其在電磁閥中所承擔的任務。

圖10 電磁鐵時間—電流曲線

（2）電磁鐵吸力特性曲線。從仿真中提取電磁鐵吸力特性曲線，可以看出電磁鐵隨時間變化的出力情況，見圖11。

圖11 電磁鐵時間—吸力曲線

（3）電磁鐵先導閥閥芯動作行程曲線。從仿真中提取先導閥閥芯動作行程曲線，可以看出閥芯隨時間變化的位移變化情況，5 ms時先導閥完全打開（見圖12）。

圖12 先導閥閥芯打開時間—行程曲線

通過對電磁鐵、先導閥動態仿真，可以了解到電磁鐵線圈電流、電磁鐵吸力、先導閥閥芯動作行程，了解三者的動作匹配關系。根據計算結果，該優化后的電磁鐵驅動先導閥的動作時間可以滿足與控制閥匹配的需要，但需要將研制的電磁鐵裝配在電液控制閥上。此外，配斷路器進行空載機械特性，還需滿足斷路器機械特性參數要求[4-8]。

3 試驗驗證

電磁鐵裝配到某型液壓機構的電液控制閥上，并進行配斷路器的空載機械特性測試，測試曲線見圖13和圖14。

圖13 斷路器合閘測試曲線

圖14 斷路器分閘測試曲線

從圖13可以讀出斷路器的機械特性參數，滿足該型斷路器技術參數的要求。從圖14可以了解斷路器測試過程中電磁鐵的電流曲線，可以讀出先導閥打開時間等。通過試驗驗證，確認了電磁閥設計可滿足產品使用要求。

4 結 論

仿真計算在產品研發過程中得到了廣泛應用，減少了傳統設計需依靠大量試驗驗證結果修正設計結構的過程，縮短了產品研制周期，節約了研發費用。仿真計算已成為產品研發中的必備工具。