高壓斷路器電磁鐵仿真設(shè)計(jì)及優(yōu)化

王亞輝，張全民，顧根泉

（平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001）

0 引 言

電磁鐵是高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的重要元件之一。電磁鐵的結(jié)構(gòu)形式多樣，根據(jù)電磁鐵的負(fù)載和動(dòng)作行程，在斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)中一般采用直流螺管電磁鐵。在操動(dòng)機(jī)構(gòu)中，要求電磁鐵的吸力特性與操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作特性相匹配，動(dòng)作時(shí)間短，具有高可靠性?；陔姶盆F設(shè)計(jì)理論進(jìn)行電磁鐵初步設(shè)計(jì)，確定電磁鐵的各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，再通過仿真軟件計(jì)算，優(yōu)化參數(shù)，可以快速、低成本實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)[1]。

1 電磁鐵設(shè)計(jì)理論

電磁鐵是一種電磁鐵線圈通電后對電磁鐵鐵心產(chǎn)生吸力將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電器元件。

1.1 電磁鐵結(jié)構(gòu)

電磁鐵結(jié)構(gòu)見圖1，由上磁軛、動(dòng)鐵芯、下磁軛、線圈、隔磁環(huán)和隔磁墊等組成。電磁鐵在電流的作用下打開電磁閥先導(dǎo)閥，以控制電磁閥動(dòng)作。

圖1 電磁鐵結(jié)構(gòu)

1.2 電磁鐵理論分析

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

電磁鐵電壓方程：

電磁鐵的感應(yīng)電動(dòng)勢：

電磁鐵機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程：

電磁鐵吸力計(jì)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(shí)間的變化率；i表示線圈中電流（A）；uf表示線圈感應(yīng)電動(dòng)勢（V）；v表示動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)速度（m/s）；F表示電磁鐵吸力（N）；f表示電磁鐵負(fù)載（N）；m表示動(dòng)鐵芯質(zhì)量（kg）；x表示動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)位移（m），N表示線圈匝數(shù)（匝）；μ0表示真空導(dǎo)磁率[Mx/（A·cm）]；S表示動(dòng)鐵芯截面積（cm2）；δ表示氣隙長度（cm）。

電磁鐵的動(dòng)作過程分2個(gè)階段：第1階段，電磁鐵線圈通電到電磁鐵動(dòng)鐵芯開始動(dòng)作時(shí)刻；第2階段，電磁鐵動(dòng)鐵芯開始動(dòng)作時(shí)刻到鐵芯最后吸合時(shí)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(wěn)態(tài)電流，而是由0逐漸增大到穩(wěn)態(tài)電流。同時(shí)，電磁鐵的吸力逐漸增大，直到使動(dòng)鐵芯動(dòng)作。第2階段，線圈電流逐漸增大到動(dòng)作電流，即電磁鐵吸力剛超過電磁鐵負(fù)載力，動(dòng)鐵芯開始運(yùn)動(dòng)，使得電路中又增加了一項(xiàng)感應(yīng)電動(dòng)勢。此時(shí)，線圈電流將比鐵芯開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的電流要小，而且動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)速度越快，感應(yīng)電動(dòng)勢越大，線圈電流減少得越多。動(dòng)鐵芯到達(dá)最終吸合位置，停止運(yùn)動(dòng)。電磁鐵線圈電流再次逐漸增大，直到達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流。

2 電磁鐵仿真與分析

對電磁鐵建模，進(jìn)行靜態(tài)仿真分析和動(dòng)態(tài)分析。

2.1 電磁鐵靜態(tài)仿真分析

上面采用電磁有限元分析軟件Maxwell對電磁鐵進(jìn)行了靜態(tài)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(xiàn)了電磁鐵的磁路分布情況，但得到的結(jié)果只是靜態(tài)特性。

2.1.1 仿真模型

為便于分析，利用電磁鐵軸對稱結(jié)構(gòu)，取其一半結(jié)構(gòu)，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(yīng)網(wǎng)格分析，并利用系統(tǒng)的迭代求解，對最大誤差存在的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化得到較高的網(wǎng)格密度，從而生成更加準(zhǔn)確的解[2]。

圖2 電磁鐵模型

2.1.2 仿真結(jié)果

（1）電磁鐵磁路分析。針對不同電磁鐵氣隙進(jìn)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?？梢?，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(tài)吸力分析。假設(shè)電磁鐵線圈電流保持為穩(wěn)定值，改變電磁鐵的氣隙，計(jì)算不同氣隙下電磁鐵靜態(tài)吸力，可得到電磁鐵靜態(tài)吸力曲線，見圖7。從圖7可以看出，靜態(tài)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(tài)吸力特性

（3）鐵芯長度對靜態(tài)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(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于銜鐵長度變化引起磁路的閉合路徑發(fā)生變化進(jìn)而導(dǎo)致磁阻變化。因銜鐵長度變短而引入的后端非工作氣隙導(dǎo)致整個(gè)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(dòng)工作部件。減少銜鐵長度、降低銜鐵質(zhì)量可縮短其動(dòng)作時(shí)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(yīng)選取合適的鐵芯長度。

圖8 鐵芯長度對靜態(tài)輸出力的影響

2.2 電磁鐵動(dòng)態(tài)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(dǎo)閥閥口節(jié)流模型、先導(dǎo)閥閥芯靜壓力模型、先導(dǎo)閥質(zhì)量模型等構(gòu)成。電磁鐵、先導(dǎo)閥模型建立基于AMESim系統(tǒng)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(dǎo)閥模型

2.2.2 仿真結(jié)果

通過仿真計(jì)算，提取電磁鐵在運(yùn)動(dòng)過程中的電流曲線、吸力特性曲線、先導(dǎo)閥閥芯動(dòng)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(qū)動(dòng)先導(dǎo)閥運(yùn)動(dòng)，先導(dǎo)閥約在4 ms時(shí)開始動(dòng)作，約5 ms時(shí)先導(dǎo)閥打開（見圖10）。電磁鐵基本完成了其在電磁閥中所承擔(dān)的任務(wù)。

圖10 電磁鐵時(shí)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(shí)間變化的出力情況，見圖11。

圖11 電磁鐵時(shí)間—吸力曲線

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

圖12 先導(dǎo)閥閥芯打開時(shí)間—行程曲線

通過對電磁鐵、先導(dǎo)閥動(dòng)態(tài)仿真，可以了解到電磁鐵線圈電流、電磁鐵吸力、先導(dǎo)閥閥芯動(dòng)作行程，了解三者的動(dòng)作匹配關(guān)系。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該優(yōu)化后的電磁鐵驅(qū)動(dòng)先導(dǎo)閥的動(dòng)作時(shí)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(jìn)行空載機(jī)械特性，還需滿足斷路器機(jī)械特性參數(shù)要求[4-8]。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

電磁鐵裝配到某型液壓機(jī)構(gòu)的電液控制閥上，并進(jìn)行配斷路器的空載機(jī)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(jī)械特性參數(shù)，滿足該型斷路器技術(shù)參數(shù)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(dǎo)閥打開時(shí)間等。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)了電磁閥設(shè)計(jì)可滿足產(chǎn)品使用要求。

4 結(jié) 論

仿真計(jì)算在產(chǎn)品研發(fā)過程中得到了廣泛應(yīng)用，減少了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)需依靠大量試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果修正設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的過程，縮短了產(chǎn)品研制周期，節(jié)約了研發(fā)費(fèi)用。仿真計(jì)算已成為產(chǎn)品研發(fā)中的必備工具。