基于Workbench的觸頭峰值耐受性能優(yōu)化

陳 瑞，李唯草

應(yīng)用研究

基于Workbench的觸頭峰值耐受性能優(yōu)化

陳 瑞1，李唯草2

(1. 中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064；2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

接觸器是配電系統(tǒng)的一個(gè)重要部件。根據(jù)實(shí)際使用需求，需具備較強(qiáng)的峰值電流耐受能力。本文對(duì)某型接觸器進(jìn)行了三維有限元分析，計(jì)算了在短路試驗(yàn)電流條件下，接觸器觸頭的承載電流及受到的電動(dòng)力，并根據(jù)所得電動(dòng)力分析了限制接觸器峰值耐受能力的原因，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)該型接觸器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真計(jì)算與優(yōu)化方案的正確性。

接觸器 峰值耐受電流 電動(dòng)力 形變

0 引言

接觸器是配電系統(tǒng)的一個(gè)重要元件，其能接通、承載和分?jǐn)嗾ｋ娐窏l件下（包括過載運(yùn)行條件）下的電流。

在部分配電系統(tǒng)中，接觸器在使用中需要短時(shí)耐受過載、短路電流要求時(shí)，就要考慮接觸器的短時(shí)耐受電流能力。接觸器在經(jīng)過短時(shí)耐受電流后，不得產(chǎn)生觸頭熔焊、斷開和機(jī)械零部件及絕緣件的變形、移位、損傷等現(xiàn)象。

某型接觸器的觸頭系統(tǒng)三維簡化模型如圖1所示。其動(dòng)觸頭桿采用兩邊對(duì)稱的斷點(diǎn)結(jié)構(gòu)，并且動(dòng)觸頭桿采用可在豎直平面轉(zhuǎn)動(dòng)的刀臂結(jié)構(gòu)。動(dòng)靜觸頭間采用面接觸，動(dòng)觸頭桿依靠外部結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，以圍繞動(dòng)轉(zhuǎn)軸中心旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)接觸器的合分操作。

該型接觸器試驗(yàn)樣機(jī)在進(jìn)行峰值耐受電流試驗(yàn)時(shí)，在40 kA的峰值試驗(yàn)電流下出現(xiàn)了觸頭斥開現(xiàn)象，觸頭部分被破壞。本文將對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于Workbench的仿真計(jì)算分析并尋求合適的優(yōu)化方案。

圖1 觸頭結(jié)構(gòu)簡化模型

1 計(jì)算方法

當(dāng)大電流流過觸頭時(shí)，在觸頭回路將產(chǎn)生強(qiáng)大的電動(dòng)力，根據(jù)觸頭的不同結(jié)構(gòu)，該電動(dòng)力可能是吸力也可能是斥力；觸頭中的電流還會(huì)在周圍產(chǎn)生磁場，在磁場的作用下觸頭周圍的導(dǎo)磁體也會(huì)對(duì)觸頭產(chǎn)生作用力；同時(shí)由于動(dòng)靜觸頭間的實(shí)際接觸面積很小，在接觸區(qū)域附近還會(huì)發(fā)生電流線收縮，使得流經(jīng)動(dòng)靜觸頭的電流反向而產(chǎn)生電動(dòng)斥力，即HOLM力。當(dāng)觸頭間總斥力大于觸頭間吸力與觸頭彈簧提供的預(yù)壓緊力，動(dòng)靜觸頭便會(huì)斥開，出現(xiàn)噴弧現(xiàn)象，損害觸頭結(jié)構(gòu)。

在計(jì)算觸頭間電動(dòng)力時(shí)，可以根據(jù)觸頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的簡化。而對(duì)于本接觸器，觸頭桿的長度與電觸頭桿間距d之比大于10，在這種情況下模型可以簡化為兩相等平行無限長載流導(dǎo)體而保證計(jì)算誤差小于10%以保證工程應(yīng)用需要，此時(shí)可根據(jù)比奧-沙伐定律采用公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

其中為流經(jīng)觸頭的電流，為載流導(dǎo)體長度，為載流導(dǎo)體間的距離。

而對(duì)于HOLM力采用公式（2）進(jìn)行計(jì)算

其中：r為導(dǎo)電斑點(diǎn)半徑；R為觸頭等效半徑；ξ為觸頭表面接觸系數(shù)情況，用來表征接觸情況，一般取0.3與0.6。

但對(duì)于實(shí)際接觸系統(tǒng)，其接觸形式一般較為復(fù)雜，且觸頭周圍磁場相互疊加影響，直接采用公式（1）計(jì)算電動(dòng)力時(shí)的誤差過大。而采用公式（2）對(duì)HOLM力計(jì)算的準(zhǔn)確性通過試驗(yàn)驗(yàn)證[2]。因此本文先采用三維有限元法對(duì)接觸器進(jìn)行單獨(dú)的電動(dòng)力分析；基于電動(dòng)力的計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步探究限制開關(guān)峰值耐受能力的原因。

2 電動(dòng)力的計(jì)算

為了簡化仿真過程，在仿真前對(duì)模型進(jìn)行簡化處理，刪除了接觸系統(tǒng)中非導(dǎo)磁部件，僅保留了觸頭導(dǎo)電系統(tǒng)。簡化后的觸頭電動(dòng)力計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 觸頭電動(dòng)力仿真模型

根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)要求，在靜觸頭兩側(cè)端面加載40 kA直流電流，并根據(jù)實(shí)際樣機(jī)情況將模型中的材料設(shè)置為銅；并且手動(dòng)劃分網(wǎng)格，保證模型中每處至少有兩層計(jì)算單元；同時(shí)除施加激勵(lì)斷面外，其他四面的計(jì)算區(qū)域選擇2.5倍于工作區(qū)域，及5倍于工作區(qū)域。

首先計(jì)算分析仿真模型磁感應(yīng)強(qiáng)度和動(dòng)觸頭桿電動(dòng)力。圖3為模型磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖。表1為兩根動(dòng)觸頭桿在不同方向上所受電動(dòng)力大小。

圖3 模型磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

表1 動(dòng)觸頭桿受電動(dòng)力大小

從表1可見，兩根動(dòng)觸頭桿所受電動(dòng)力在不同方向上，數(shù)值大小基本一致，僅有Z方向上方向相反。因?yàn)樵谕鬟^程中，兩根動(dòng)觸頭的電流方向相同，所以二者相互吸引。故在Z方向上受力大小基本一致，方向相反，表現(xiàn)為吸力。

3 HOLM力計(jì)算

在得到每根動(dòng)觸頭桿所受電動(dòng)力后可以根據(jù)公式（2）來計(jì)算觸指上的HOLM斥力大小，在計(jì)算觸頭等效接觸半徑的時(shí)候，F(xiàn)k由（3）式確定：

其中1為觸頭預(yù)壓力，2為前文所計(jì)算的電動(dòng)力，為HOLM力。并采用迭代法進(jìn)行計(jì)算以尋求更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

但是計(jì)算結(jié)果顯示，40 kA電流動(dòng)穩(wěn)試驗(yàn)情況下，動(dòng)靜觸頭見的霍姆力均明顯小于電動(dòng)力。所以霍姆力不會(huì)導(dǎo)致觸頭間的斥開。故此時(shí)并不是HOLM力導(dǎo)致此型接觸器峰值耐受試驗(yàn)失敗。

4 結(jié)果分析及優(yōu)化方案

根據(jù)仿真和試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)觸頭斥開可能原因進(jìn)行分析：由于根據(jù)接觸器動(dòng)靜觸頭結(jié)構(gòu)對(duì)稱，且兩側(cè)動(dòng)觸頭的電動(dòng)力大小基本相同；說明動(dòng)靜觸頭正中間平面處的位移始終為0，所以模型可以簡化為簡支梁模型——兩端靜觸頭僅提供豎向約束，而不提供轉(zhuǎn)角約束。而電動(dòng)吸力會(huì)使得動(dòng)觸頭桿出現(xiàn)彎曲，而導(dǎo)致動(dòng)靜觸頭之間接觸面狀況變差，進(jìn)而使得觸頭便會(huì)斥開。

建模：由于觸頭模型的對(duì)稱性，同時(shí)可以簡化為簡支梁模型，故在形變計(jì)算分析過程中，僅對(duì)一半的模型進(jìn)行建模分析；且約束條件之一就是靜觸頭正中間平面的位移為0。同時(shí)由于簡支梁模型形變只能是在垂直方向上，而不會(huì)在任何方向上發(fā)生旋轉(zhuǎn)，故在建模時(shí)，直接將靜觸頭簡化為兩個(gè)圓柱體，圓柱體內(nèi)側(cè)邊緣位置與靜觸頭邊緣位置一致。且動(dòng)觸頭桿的形變會(huì)造成動(dòng)觸頭桿在靜觸頭上滑動(dòng)，所以在建模時(shí)將動(dòng)靜觸頭簡化Frictional接觸對(duì)。

綜上簡化后模型如圖4所示。

圖4 仿真簡化模型

施加力：為了便于建模，約束力與電動(dòng)力的施加是通過在模型表面添加表面印記進(jìn)行。而在實(shí)際通電過程中，動(dòng)觸頭桿受到的電動(dòng)力均為體積力，建模過程也簡化為平面力。建模過程中力的施加效果如圖5所示。

圖5 力的施加

根據(jù)圖5與40 kA電動(dòng)力仿真結(jié)果得到的動(dòng)觸頭桿形變仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 動(dòng)觸頭桿形變結(jié)果

由圖6可知，動(dòng)觸頭桿最大形變發(fā)生在中部，達(dá)到了0.86 mm；動(dòng)靜觸頭接觸區(qū)域的形變量也到了0.38 mm。

根據(jù)如圖5接觸器的動(dòng)觸頭桿形變特點(diǎn)，可從以下幾個(gè)方面來減小動(dòng)觸頭桿的形變：1）在接觸區(qū)域增加約束力；2）在形變量最大的地方施加位移約束以減小形變量；3）以上兩點(diǎn)改進(jìn)措施同時(shí)施加。

優(yōu)化方案一：在接觸區(qū)域增加約束力。在設(shè)計(jì)仿真過程中，在兩端接觸區(qū)域施加60 N的約束力，即圖5中B與C區(qū)域施加60 N的力，方向由動(dòng)觸頭桿指向靜觸頭。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 優(yōu)化方案一仿真結(jié)果

由圖7可知，動(dòng)觸頭桿最大形變發(fā)生在中部，達(dá)到了0.43 mm；動(dòng)靜觸頭接觸區(qū)域的形變量也到了0.20 mm。相比于原設(shè)計(jì)方案,觸頭區(qū)域的形變量明顯減小。

優(yōu)化方案二：形變量最大的地方即動(dòng)觸頭桿中部，施加位移約束。實(shí)際設(shè)計(jì)仿真過程中，模型其它部分不變。其仿真結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，動(dòng)觸頭桿最大形變發(fā)生在動(dòng)觸頭桿端部，同時(shí)最大形變量僅有0.12 mm；動(dòng)靜觸頭接觸區(qū)域的形變量僅有約0.05 mm。優(yōu)化方案二后的觸頭區(qū)域的形變量相對(duì)于原方案已經(jīng)明顯減小，效果十分顯著。

圖8 優(yōu)化方案二仿真結(jié)果

優(yōu)化方案三：以上兩點(diǎn)改進(jìn)措施同時(shí)施加。實(shí)際設(shè)計(jì)仿真過程中，模型其它部分不變。其仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 優(yōu)化方案三仿真結(jié)果

由圖9可知，方案三的結(jié)果與方案二結(jié)果相似。動(dòng)觸頭桿最大形變發(fā)生在動(dòng)觸頭桿端部，同時(shí)最大形變量僅有0.11 mm；動(dòng)靜觸頭接觸區(qū)域的形變量也僅有0.05 mm。優(yōu)化效果相比方案二不明顯。

三個(gè)優(yōu)化方案仿真結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表2 優(yōu)化方案結(jié)果對(duì)比

從優(yōu)化后的結(jié)果來看，三個(gè)優(yōu)化方案均可有效的減少觸頭接觸區(qū)域形變，因此本文將根據(jù)優(yōu)化方案三對(duì)觸頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

5 試驗(yàn)結(jié)果

圖10 60 kA峰值耐受試驗(yàn)電流波形

對(duì)采用了優(yōu)化方案的新樣機(jī)再次進(jìn)行60 kA電流下的峰值耐受電流試驗(yàn)。60 kA峰值耐受試驗(yàn)電流波形如圖10所示。

圖11 試驗(yàn)成功后觸頭實(shí)物圖

試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的接觸器觸頭系統(tǒng)在60 kA峰值耐受電流下，試驗(yàn)電流與接觸器斷口電壓未出現(xiàn)突變；說明試驗(yàn)過程中，動(dòng)靜觸頭之間未發(fā)生斥開；同時(shí)觸頭系統(tǒng)未發(fā)生明顯觸頭熔焊、斷開及損壞現(xiàn)象。相比優(yōu)化之前的試驗(yàn)結(jié)果有了顯著的提升，基本達(dá)到了仿真預(yù)期，證實(shí)了仿真計(jì)算及優(yōu)化方案的正確性。

6 結(jié)論

本文通過對(duì)某型接觸器觸頭結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了以下結(jié)論：

1）通過基于Ansoft三維電磁耦合場的仿真計(jì)算，從理論上分析了該接觸器結(jié)構(gòu)不具備40 kA電流短時(shí)耐受能力；

2）對(duì)觸頭在試驗(yàn)電流下所受的電動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算及HOLM力分析，并通過分析計(jì)算結(jié)果為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)，確定了接觸器的優(yōu)化方案；

3）對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行了仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證了該方案的正確性。

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Peak withstand current optimization of contactors’ contacts based on workbench

Chen Rui1, Li Weicao2

（1. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China; 2.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064, China）

TM591

A

1003-4862（2022）11-000-0

2022-04-11

陳瑞，（1981-），男，研究生，主要從事艦船電力系統(tǒng)方面研究。E-mail：whsm3998@whzyh.cn