電磁操動機構(gòu)的電磁緩沖仿真實驗研究

郭鳳儀，李 朋，李 斌，王智勇，李春光，王繼強，王喜利

(遼寧工程技術(shù)大學電氣與控制工程學院，遼寧葫蘆島 125105）

電磁操動機構(gòu)的電磁緩沖仿真實驗研究

郭鳳儀，李 朋，李 斌，王智勇，李春光，王繼強，王喜利

(遼寧工程技術(shù)大學電氣與控制工程學院，遼寧葫蘆島 125105）

為彌補彈簧緩沖的不足，提出一種適用于電磁操動機構(gòu)合閘過程的電磁緩沖控制思想。在觸頭合閘運動中對通過緩沖線圈施加反向激磁電流，利用反向電磁力來相對減小合閘吸力，從而降低機械沖擊、減少觸頭彈跳、實現(xiàn)合閘緩沖。采用ANSYS三維矢量分析法，針對不同緩沖電流以及不同緩沖位置時電磁操動機構(gòu)的合閘吸力特性進行了仿真計算;利用實驗裝置對不同緩沖控制條件下的觸頭振動情況進行了實驗研究。初步研究表明，緩沖電流的大小以及緩沖電流的施加位置、施加時間對電磁操動機構(gòu)的吸力特性具有重要影響，只有綜合考慮這三種因素、選擇合適的控制條件才能得到較為理想的合閘特性和緩沖效果。電磁緩沖控制對于其它操動機構(gòu)中存在的合閘沖擊問題也具有一定的借鑒意義。

電磁緩沖;電磁操動機構(gòu);反向激磁

1 引言

操動機構(gòu)是開關(guān)電器的關(guān)鍵部件之一，其吸力-反力特性的好壞將直接影響到開關(guān)電器的通斷能力及其使用壽命［1］。目前，電磁操動機構(gòu)仍在斷路器、接觸器等電磁式開關(guān)電器中被廣泛應用［2，3］。為解決電磁操動機構(gòu)合閘操作末速度過快而引起的觸頭合閘彈跳問題，目前普遍使用緩沖彈簧來減少合閘時的機械沖擊力。但這種解決辦法不僅具有機械裝置緩沖帶來的可靠性低的問題，還具有因彈簧緩沖特性的可控性差而不利于實現(xiàn)合閘過程智能操作的不足。

針對上述問題，本文提出一種適用于電磁操動機構(gòu)合閘過程的電磁緩沖控制思想。所謂電磁緩沖控制，就是在觸頭合閘運動至末端的某段時間內(nèi)對緩沖線圈施加合適的反向激磁電流，利用反向電磁力來相對減小合閘力，從而降低機械沖擊、減少觸頭彈跳，從而達到提高電磁式開關(guān)電器合閘特性、延長觸頭使用壽命的目的。

2 電磁緩沖技術(shù)仿真分析

論文以CJ20-10型接觸器的電磁操動機構(gòu)為例，采用ANSYS三維矢量分析法，針對不同緩沖電流以及不同緩沖位置時電磁操動機構(gòu)的合閘吸力特性進行了仿真計算［4-7］。該接觸器為U型直動式結(jié)構(gòu)，觸頭開距為4mm，繞組匝數(shù)13匝，合匝時施加120A的電流的激磁電流，反向激磁緩沖電流可以根據(jù)需要調(diào)整。該電磁操動機構(gòu)加設緩沖線圈后在ANSYS環(huán)境下的仿真模型如圖1所示。

圖1 線圈緩沖式電磁操動機構(gòu)的ANSYS仿真模型Fig.1 ANSYS simulation model of electromagnetic actuator with buffer coil

為尋求合適的緩沖激磁電流，首先進行了緩沖電流仿真計算。如果單從減小機械沖擊的角度考慮，在合閘階段施加的反向緩沖激磁電流越大，越能增強緩沖作用，從而減小彈跳。但隨著緩沖電流的增大，產(chǎn)生的電磁反力對電磁操動機構(gòu)的固有吸力的相互抵消作用會不斷增強，使其有效的合閘吸力越來越小。當合閘吸力被降低到小于其固有的反力時，觸頭便不能完成合閘操作。為了既能保證觸頭可靠合閘，即有效吸力始終大于固有反力，在電磁操動機構(gòu)合閘開始時刻便分別施加15A、30A、40A反向激磁電流，得到合閘過程中不同緩沖電流一直作用下的電磁操動機構(gòu)工作特性仿真曲線，如圖2所示。由圖2可見，三種電磁緩沖電流作用下，電磁操動機構(gòu)的合閘吸力明顯減小。在合閘過程進入超程區(qū)域以后，曲線5(即反向激磁電流為40A時的吸力曲線）與固有反力曲線的配合較好，既保證了觸頭能可靠合閘又能較大程度地提高緩沖性能，可以近似認為是一個合適的緩沖電流值。

圖2 不同緩沖電流作用下電磁操動機構(gòu)的工作特性仿真曲線Fig.2 Operating characteristics simulation curves of electromagnetic actuator under different buffer-current conditions

但在合閘的起始階段，三種電磁緩沖作用下的電磁吸力曲線與固有反力特性的配合程度不是十分理想，這說明，在合閘開始時刻就施加緩沖電流是不合適的。同時，由于操動機構(gòu)的運動存在一定的慣性，即從施加緩沖電流、產(chǎn)生電磁反力到運動速度的下降需要一定的過渡時間。因此，在合閘過程的最末端施加緩沖電流，可能存在著因緩沖作用時間較短而無法有效緩沖的不足。為此，在確定了合適的緩沖電流的前提下，選取一個合適的合閘位置進行緩沖激磁就顯得十分必要。

圖3為在合閘過程的三個不同位置開始施加40A反向激磁電流時的電磁操動機構(gòu)工作特性仿真曲線。可見，由于沒有在合閘開始時就施加反向激磁，所以，在開始合閘到施加反向緩沖電流的位置期間，電磁操動機構(gòu)將按固有吸力特性進行合閘運動，不僅可以有效地避免合閘初期因緩沖電流過大而造成不能可靠合閘的可能性，又可以較大程度地彌補因施加緩沖而帶來的合閘初期運動速度下降的不足。在合閘運動后期，緩沖電流的電磁反力開始起作用，使有效的合閘吸力減小、觸頭運動速度下降，從而降低了合閘末端的機械沖擊作用、減少了觸頭彈跳，即實現(xiàn)了合閘過程的電磁緩沖控制。

圖3 不同位置施加40A緩沖電流時電磁操動機構(gòu)的工作特性仿真曲線Fig.3 Operating characteristics simulation curves of electromagnetic actuator under different applied locations of 40A buffer current conditions

3 電磁操動機構(gòu)電磁緩沖實驗研究

3.1 實驗方案

實驗裝置由兩個牽引力電磁鐵組裝而成的電磁操動機構(gòu)模擬裝置和以MMA7260Q型加速度傳感器為核心的控制器組成［8］，如圖4。該實驗裝置的動作與接觸器的吸合原理完全一致，與接觸器不同的是此實驗裝置在動鐵芯另一端裝有另一個電磁線圈(即緩沖線圈），此線圈用來施加反向激磁達到電磁緩沖的作用。

加速度傳感器測量原理本質(zhì)是兩片彈性間距的平板電容，改變間距即改變電容，因而改變輸出電壓。所以通過觀察示波器輸出的電壓波形大小，就可以知道電磁操動機構(gòu)振動的情況。實驗將加速度傳感器固定于操動機構(gòu)的靜鐵芯端部，通過示波器觀察輸出信號幅度及頻率，可以分析出觸頭振動情況，進而通過調(diào)節(jié)反向激磁線圈電流及通電時間，來達到減少動鐵芯的振動與觸頭的彈跳的目的。實驗裝置中動鐵芯行程為12mm，為了使觸頭吸合時產(chǎn)生的振動和彈跳最小的同時，得到最佳的反向激磁位置，實驗中使用電子接近開關(guān)作為動鐵芯運動位置信號的檢測元件。

圖4 實驗電路簡圖與實驗裝置Fig.4 Circuit and picture of experimental device

實驗過程中，電磁操動機構(gòu)的主勵磁線圈電源為AC220V，施加反向激磁的緩沖線圈電源為DC160V。市電通過調(diào)壓器降壓，再經(jīng)全橋整流后得到160V脈動直流給儲能電容器充電［9］。當電容器電壓符合條件時，控制器發(fā)出吸合信號，繼電器接通主勵磁線圈電源，電磁機構(gòu)動作。當動鐵芯運動到接近開關(guān)限定位置后，控制器在收到傳感器發(fā)來的中斷信號后，發(fā)出一定時間的反向激磁信號，控制功率MOSFET導通，電磁緩沖線圈獲得電流，此時動鐵芯受到反向的電磁力而使觸頭末速度大大降低，從而減輕了吸合時的振動強度。通過示波器觀察由加速度傳感器檢測的觸頭對觸點撞擊的振動波形，反復調(diào)整接近開關(guān)的檢測位置，就可以研究動鐵芯在不同位置施加緩沖激磁時的振動規(guī)律［10］。

3.2 實驗結(jié)果分析

為了在保證電磁機構(gòu)能夠可靠吸合的同時減少振動和觸頭彈跳的不利影響，實驗利用控制器對位置信號進行測量并且嚴格控制緩沖激磁線圈的通電時間，分別驗證了動鐵芯在不同位置時開始緩沖激磁與動鐵芯在同一位置而施加不同的緩沖激磁時間兩組實驗效果，分別如圖5、圖6所示。

從圖5可以看出，電磁操動機構(gòu)在不施加反向激磁和施加反向激磁的情況下有明顯的不同，無電磁緩沖時觸頭彈跳幅度大而且頻繁，施加電磁緩沖后彈跳幅度減小而且次數(shù)減少。同時也可以看出在不同位置施加反向激磁，激磁效果不同。當緩沖激磁時間同為1ms時，在觸頭工作間隙為8mm時緩沖效果較好。

圖5 不同行程位置時施加反向激磁時的振動波形Fig.5 Vibration waveforms under different applied location of reverse excitation conditions

圖6是電磁操動機構(gòu)在觸頭行程相同而緩沖激磁時間不同時的振動波形。由圖可見，因電磁緩沖通電時間的不同，起到減小振動的效果也不同。通電3ms時的效果明顯好于其它情況。但激磁時間既不是越短越好，也不是越長越好，太短起不到太好的緩沖作用，太長又會使分合閘時間過長，所以選擇適當?shù)臅r間施加是很重要的，同時也要配合在適當位置施加才會達到較為理想的緩沖效果。

4 結(jié)論

圖6 不同反向激磁時間條件下的振動波形Fig.6 Vibration waveforms under different reverse exciting time conditions

1）提出一種適用于電磁操動機構(gòu)合閘過程的電磁緩沖控制思想，通過對緩沖線圈施加反向激磁電流，利用反向電磁力來降低機械沖擊，實現(xiàn)合閘緩沖。

2）初步研究表明，利用電磁緩沖控制方法的確可以起到降低合閘末端時的機械沖擊、減少觸頭彈跳的作用。但緩沖電流的大小以及緩沖電流的施加位置、施加時間對電磁操動機構(gòu)的吸力特性具有重要影響，只有綜合考慮這三種因素、選擇合適的控制條件才能得到較為理想的合閘特性和緩沖效果。

3）電磁緩沖控制對于其它操動機構(gòu)中存在的合閘沖擊問題也具有一定的借鑒意義，將該控制策略應用于實際還需進行大量而又深入的研究工作。

References）:

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［2］湯敬秋(Tang Jingqiu）.電磁操動機構(gòu)中凸輪機構(gòu)的設計及仿真(Design and simulation of electromagnetic actuator＇s cam machine）［D］. 保定:華北電力大學(Baoding:North China Elec.Power Univ.），2004.

［3］王海潮，張繼華，郭鳳儀 (Wang Haichao，Zhang Jihua，Guo Fengyi）.新型永磁操動機構(gòu)智能交流接觸器的研究(Research on new type permanent magnetic actuator intelligent AC contactor）［J］.低壓電器 (Low Voltage Apparatus），2009，(5）:8-11.

［4］賈峰(Jia Feng）.交流接觸器三維電磁場分析 (Study on 3D finite element analysis for electromagnetic mechanism of AC contactor）［D］.天津:河北工業(yè)大學(Tianjin:Hebei Univ.of Tech.），2009.

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［7］胡輝，楊旗，包斌，等 (Hu Hui，Yang Qi，Bao Bin，et al）.基于ANSYS的空氣電弧放電等離子體溫度數(shù)值模擬(Numerical simulation of arc plasma temperature based on ANSYS）［J］.電工電能新技術(shù) (Adv.Tech.of Elec.Eng.＆ Energy），2009，28(2）:20-23.

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［9］周茂祥 (Zhou Maoxiang）.低壓電器設計手冊 (Low voltage apparatus design manual）［M］.北京:機械工業(yè)出版社 (Beijing:China Machine Press），1992.

［10］S-H Park，J Lee，J Yoo.Effects of design and operating parameters on the static and dynamic performances of an electromagnetic valve actuator［J］.Proc.Instn Mech.Engrs，J Automobile Eng.，2003，217(3）:193-201.

Simulation and experimental research on electromagnetic buffer of electromagnetic actuator

GUO Feng-yi，LI Peng，LI Bin，WANG Zhi-yong，LI Chun-guang，WANG Ji-qiang，WANG Xi-li
(Liaoning Technical University，Huludao 125105，China）

To compensate the shortcomings of spring buffer method，a kind of electromagnetic buffer control idea used for electromagnetic actuator on the course of closing processes was introduced.Applying a proper reverse exciting current to the buffer coil during the closing movement，a reverse force generated by the reverse current will decrease the inherent closing suction，therefore，can reduce the mechanical impact and achieve the function of closing buffer.By 3D vector analysis method with ANSYS software，the simulation calculation on closing suction characteristics of electromagnetic actuator under different conditions was carried out.Meanwhile，the contactor vibration curves were observed by a special experimental device.Preliminary studies have shown that the buffer current and its imposing position and imposing time have an important influence on suction characteristics.Only with comprehensive consideration of these three factors and selection of the appropriate control conditions，it is possible to get more satisfactory closing properties and buffer effects.The electromagnetic buffer control idea has certain significance of reference for other actuators to solve the existing closing impact problem.

electromagnetic buffer;electromagnetic actuator;reverse excitation

TM561

A

1003-3076(2010）03-0068-04

2009-09-13

國家自然科學基金資助項目(50677027）;遼寧省優(yōu)秀人才支持計劃項目(2007R22）

郭鳳儀(1964-），男，內(nèi)蒙籍，教授/博導，主要研究方向為電器智能化、電接觸理論及其應用。