基于Maxwell脈沖脫扣器動態特性的研究

汪 浩，師慧倩，陳孟秋

（1.武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2.武漢長海電氣科技開發有限公司，武漢 430064）

0 引言

脈沖脫扣器是一種對鐵磁物質產生吸力，將電能轉換成機械能的電器部件。具有體積小、操作簡單、價格低廉、推力大、無油氣污染、固有動作時間短等優點，被廣泛應用于液壓傳動、氣壓傳動、自動控制等領域[1～4]。

對于斷路器、接觸器、繼電器等開關電器而言，脈沖脫扣器是常用的動力元件[5,6]，具有動作快的特點。電磁吸力設計太小，脈沖脫扣器無法帶動操動機構，開關不能正常工作。電磁吸力設計過大，動鐵芯完全吸合時的沖量太大，操動機構運行極限位置的沖擊變大，降低了開關的穩定性；同時開關閉合時觸頭速度變大，觸頭彈跳增加，加速了觸頭電磨損；電磁吸力設計增大時，整個脈沖脫扣器的體積和重量也會相應增大，對于有空間尺寸和重量限制的開關電器而言，這種設計并不可取。由于電磁吸力與脈沖脫扣器的工作氣隙不是簡單線性關系，掌握動鐵芯運動過程中所受吸力的變化情況，對設計和分析開關觸頭的閉合時間、閉合速度以及彈跳都有著很大的意義[2,7]。

本文基于船用直流開關用的快速脈沖脫扣器，運用麥克斯韋電磁場理論和能量轉換原理，聯合電路方程、空間磁場來求解其動態特性，分析脈沖脫扣器的受力情況以及該電磁系統的吸合過程，并運用Maxwell軟件對快速脈沖脫扣器的內部電磁場等動態特性進行了分析研究，對脈沖脫扣器動特性影響因素進行分析，旨在研制出結構設計合理，運行性能良好的快速脈沖脫扣器。

1 組成結構及工作原理

1.1 組成結構

圖1為脈沖脫扣器的組成結構示意圖及控制電路圖。脈沖脫扣器的殼體、鐵芯和后蓋都是由導磁材料碳素結構鋼做成[8]，以便線圈通電形成磁場回路。由具有一定自潤滑性能的塑料做的線圈骨架固定在殼體中，而線圈纏繞在線圈骨架中。

圖1 脈沖脫扣器的結構組成

1.2 脈沖脫扣器工作原理

脈沖脫扣器工作原理是：通過直流電源→電阻R→電容C→直流電源回路給電容C充電；當保護裝置輸出驅動信號，使電容C對脈沖脫扣器的線圈放電產生脈沖電流，從而使脈沖脫扣器的動鐵芯獲得軸向運動加速度，進而帶動其他機構運動，完成斷路器的快速分斷操作；當電容放電完成后，動鐵芯又在彈簧力的作用下復位到初始位置。

動鐵芯運動狀態是由脈沖脫扣器的線圈電流決定，而脈沖脫扣器線圈電流的大小取決于線圈的物理結構參數（如線圈的匝數等）和電容放電回路的電氣參數。因此，綜合考慮電容放電回路的電氣參數以及線圈結構參數的優化設計是脈沖脫扣器結構設計的關鍵技術。

2 理論分析

2.1 脈沖脫扣器數學模型

脈沖脫扣器的吸力模型分析如下：

忽略動鐵芯和非工作氣隙的磁壓降，如圖2（a）所示，鐵芯與殼體之間的磁壓降為[9]

圖2 脈沖脫扣器理論分析示意圖

式中：IN為磁路總磁勢

假設單位長度的漏磁導為τ，在x段鐵芯內的漏磁通為

則在鐵芯x處的總磁通為

同理在殼體上凸出來與鐵芯相對的圓柱體中x處的總磁通為

因此，該螺管式電磁鐵系統的磁鏈為：

假設系統為線性，忽略鐵芯磁阻，并且dt=-dδ，由恒磁通下的磁力公式可求該電磁吸力如下：

由上式分析可知，脈沖脫扣器的電磁吸力由兩部分組成，其中一部分是，由主氣隙磁導和主磁場能量變化產生；另外一部分是由鐵芯的有效漏磁通產生。由于漏磁導很難確定，導致該力也很難計算，所以很難精確計算電磁吸力。

脈沖脫扣器的電壓平衡方程分析如下：

如圖2（b）所示，線圈可以等效成一個電阻和電感，從電磁上來分析，該回路存在以下電壓平衡方程[10]：

其中：L—線圈等效電感，R—線圈等效電阻而，故方程可以化簡如下：

其中：v—鐵芯運動速度

2.2 脈沖脫扣器有限元模型

根脈沖脫扣器結構參數，建立分析模型，脈沖脫扣器二維分析模型如圖3所示。

圖3 脈沖脫扣器有限元分析模型

3 脈沖脫扣器瞬態運動分析

3.1 概述

對脈沖脫扣器進行動態仿真分析時，通過改變脈沖脫扣器控制電路的電氣參數，得到各個不同參數對脈沖脫扣器運動特性的影響，為脈沖脫扣器的優化設計提供理論基礎。根據脈沖脫扣器控制電路圖可知，主要電氣參數有：電容值C、控制電壓U。

3.2 充電電容的影響

根據有限元分析模型，當電壓為220 V、初始間隙為7 mm時，分析脈沖脫扣器在不同電容參數下的動態特性，結果如圖4所示。

圖4 充電電容對脈沖脫扣器的影響

由圖可看出，隨著電容值的增大，電磁力逐漸的增大，但增長較為緩慢，脈沖脫扣器的磁路基本達到飽和；當電容值較小時，線圈電流的峰值電流小，持續時間短，這是由于電容增大，電容中存儲能量增大，當線圈不變時，電容給線圈放電電流峰值增大，持續時間延長；但隨著電容值增大，動鐵芯運動相同位移時間差別不大；綜上所述，脈沖脫扣器的充電電容選用470 μF。

3.3 控制電壓的影響

根據有限元分析模型，當電容為470 μF、初始間隙為7 mm時，分析脈沖脫扣器在不同控制電壓參數下的動態特性，結果如圖5所示。

圖5 控制電壓對脈沖脫扣器的影響

隨著電壓的增大，電磁力逐漸的增大，但當U=220 V時增長較為緩慢，脈沖脫扣器的磁路基本達到飽和；當電壓較小時，線圈電流的峰值電流小，持續時間短，這是由于電壓增大，電容中存儲能量增大，當線圈不變時，電容給線圈放電電流峰值增大，持續時間延長。

3.4 初始間隙的影響

根據有限元分析模型，當電容為470 μF、控制電壓為220 V時，分析脈沖脫扣器在不同初始間隙參數下的動態特性，結果如圖6所示。

圖6 初始間隙對脈沖脫扣器的影響

隨著初始間隙的增大，電磁力逐漸的減小，但變化較為緩慢，脈沖脫扣器的磁路基本達到飽和，由于初始間隙的改變對脈沖脫扣器的磁場分布有一定的影響，但在小范圍內影響較小。

3.5 小結

綜上所述，電容值越高越有利于脈沖脫扣器快速動作，但電容值增加對脈沖脫扣器動態特性影響較小；電壓值越高也越有利于脈沖脫扣器快速動作，但當電壓高于220 V后增加較為緩慢，因此在設計脈沖脫扣器的控制電路時需要考慮電容值和電壓值的影響因素。

4 結論

本文結合脈沖脫扣器的仿真計算與樣機實驗，分析了脈沖脫扣器的動態特性，結論如下：

1）通過對脈沖脫扣器控制電路的充電電容、電壓等參數對脈沖脫扣器動態特性的影響分析，得到電容增大電磁力緩慢增大，電壓增大電磁力增大，但當電壓增大到220 V后，電磁力增加緩慢。最終確定充電電容為470 μF；

2）建立了脈沖脫扣器有限元分析模型，通過仿真研究了不同結構參數和電氣參數對脈沖脫扣器動態特性的影響，為脈沖脫扣器的優化設計提供了理論基礎；

3）脈沖脫扣器的電磁吸力隨著氣隙的減小而增大，但變化較為緩慢，最終確定脈沖脫扣器的初始間隙為7 mm；

4）脈沖脫扣器吸合過程中動鐵芯所受的吸力逐漸增大然后再逐漸減小的過程。