基于ANSYS的低壓斷路器電動斥力計算分析

文／杭州之江開關(guān)股份有限公司 戴水東 洪黎歡

0 引言

在傳統(tǒng)的塑殼斷路器設(shè)計與生產(chǎn)工藝中，觸頭預(yù)壓力的確定主要是通過各種經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)計算和參數(shù)指標(biāo)摸底實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測仿，而采用有限元分析的較少。產(chǎn)生的弊端一是產(chǎn)品研發(fā)的材料成本和試驗(yàn)成本大，二是開發(fā)的周期時間長。在現(xiàn)在的市場競爭和工程實(shí)踐中，必須引進(jìn)和應(yīng)用有限元分析來提高設(shè)計速度，減少試驗(yàn)費(fèi)用，提高斷路器的可靠性。

1 模型處理

本次電動斥力的計算是通過ANSYS有限元軟件來分析求解的。首先我們將塑殼斷路器動靜觸頭的實(shí)體模型導(dǎo)入到ANSYS中，可得到如圖1所示的模型。

由于實(shí)體模型包含了大量對電動斥力計算無關(guān)和不利于有限元網(wǎng)格剖分的細(xì)節(jié)，必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)募庸ぬ幚?，以減少計算量，提高計算效率和計算結(jié)果的精度，為此有必要對原始模型進(jìn)行處理。由于模型具有對稱性，因此在電動斥力計算中只取其一半的模型，如圖2所示。

為了避免在對模型的剖分過程中出現(xiàn)過小的單元，將原模型帶有倒角的地方處理成直角，并將部分圓孔填充；同時刪除了對計算沒有影響的絕緣墊片。將圖2的計算模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分，可以得到磁場計算時所需的有限元模型，如圖3所示。

2 計算步驟

計算可分三步進(jìn)行:

2.1 靜態(tài)電流分布分析

在動觸頭的A端面加一電壓并流入電流，在靜觸頭的B端面加零電壓并流出電流，具體如圖4所示。

當(dāng)電流為6kA時的載流導(dǎo)體中的電流密度分布如圖5所示。具體流程序如下所示:

圖1 實(shí)體模型

圖2 電動斥力計算模型

圖3 有限元模型(不含空氣、刪片)

圖4 ANSYS中的有限元模型添加電流場的邊界條件

圖5-1 載流導(dǎo)體在電流為6KA時電流密度分布

圖5-2 載流導(dǎo)體在電流為6KA時電流密度分布

2.2 磁場分布計算

為了對磁場分布進(jìn)行計算，需要定義空氣邊界，包裹載流導(dǎo)體和鐵磁柵片，并對整個模型進(jìn)行剖分后，施加磁力線平行邊界條件和垂直邊界條件，如圖6所示。圖7為電流為6kA時的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖。

我們計算的電動斥力由兩部分組成，包括動觸頭所受的回路洛倫茲力(本次計算只有Y方向的力)和動靜觸頭間因電流收縮而產(chǎn)生的Holm力。

計算得到磁通分布后，就可以利用下面的公式(1)-(3)計算動導(dǎo)電桿所受回路電動斥力:

式中,Fi為回路電動斥力、Ji為電流密度、Bi為磁感應(yīng)強(qiáng)度、v為體積,l為動觸頭電流流入端到觸頭中點(diǎn)的距離。電動斥力由回路電動斥力和Holm力組成，通過該式子計算得回路電動斥力。

由于動靜觸頭在宏觀環(huán)境下的面接觸實(shí)際上在微觀下僅僅是點(diǎn)接觸，在這些接觸點(diǎn)上就會造成電流收縮集中，從而產(chǎn)生Holm力，其本質(zhì)仍然是電動斥力，該力的計算公式為:

式中FH是動觸頭所受Holm力，μ0為真空中的磁導(dǎo)率，R為觸頭半徑，根據(jù)計算可是R=3.53mm；r為接觸點(diǎn)半徑,通過計算知，r＝1.572mm；ξ是觸頭接觸系數(shù)，取值范圍為0.3～0.6，通常取0.45,H為觸頭材料的布氏硬度，對銀材料為900N/mm2，F(xiàn)K為觸頭預(yù)壓力。在本次計算中，設(shè)定FK分別為2N和4N。

以1000A電流、觸頭預(yù)壓力為2N時的計算電動斥力為例，其計算過程如下:

3 計算結(jié)果與分析

在不同電流下，利用公式 (1)- (3)計算動觸頭所受電動斥力力矩和歸算到動觸頭中心的電動斥力，計算結(jié)果為旋轉(zhuǎn)雙斷點(diǎn)MCCB每一側(cè)的動觸頭所受的力，如表1所示。

表1 不同電流下的電動斥力計算結(jié)果 單位:N

圖6 ANSYS中的有限元模型添加磁場的邊界條件

圖7 電流為6kA時的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布2.3 計算電動斥力

圖8 電流－總電動斥力

4 結(jié)語

通過對塑殼斷路器在不同的觸頭預(yù)壓力下運(yùn)行ANSYS有限元分析，可提高設(shè)計人員對產(chǎn)品工作特性理論分析能力，并可提高斷路器自主設(shè)計能力，推動斷路器虛擬樣機(jī)設(shè)計技術(shù)的發(fā)展。基于ANSYS的斷路器電動斥力計算分析，可獲得詳實(shí)的數(shù)據(jù)，結(jié)果較為準(zhǔn)確。

[1]閻照文.ANSYS工程電磁分析技術(shù)與實(shí)例詳解.北京:中國水利水電出版社,2006.

[2]劉國強(qiáng),趙凌志,蔣繼婭.Ansoft工程電磁場有限元分析.北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[3]夏天偉,丁明道,電器學(xué).北京:中國機(jī)械工業(yè)出版社,2000.