并聯(lián)雙線圈電磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及分析

文／沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院 蔡志遠(yuǎn) 趙自立／

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，低壓開關(guān)電器的用量日益增加，對(duì)其性能的要求越來越高。電磁系統(tǒng)作為低壓開關(guān)電器的重要組成部分，其特性直接影響電器整體的性能。近年來對(duì)電磁系統(tǒng)的研究主要集中在以下兩個(gè)方面：一方面通過選用新型材料，優(yōu)化電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和尺寸以提高可靠性、降低生產(chǎn)成本和減少損耗[1]，另一方面通過用外部監(jiān)測(cè)控制電路控制線圈工作的方法來提高可靠性、節(jié)省能耗[2-3]。傳統(tǒng)的單線圈電磁系統(tǒng)雖然能可靠吸合和保持，但其吸力和反力特性配合不佳，并且保持時(shí)損耗較大。為改善其性能，本文研究了并聯(lián)雙線圈電磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)特性。

本文首先介紹了線圈結(jié)構(gòu)、電磁系統(tǒng)的工作原理[4]及其應(yīng)用實(shí)例。采用Ansoft3D電磁場瞬態(tài)求解器對(duì)電磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析，得出了線圈電流、銜鐵位移和銜鐵速度隨時(shí)間變化的特性曲線，驗(yàn)證了電磁系統(tǒng)的節(jié)能特性。

1 電磁系統(tǒng)工作原理

以U型電磁鐵為例加以說明，鐵心上兩個(gè)繞組并聯(lián)。電磁鐵結(jié)構(gòu)原理如圖1（a）所示，在銜鐵吸合的過程中，兩個(gè)線圈并聯(lián)運(yùn)行作為激磁源，當(dāng)銜鐵運(yùn)動(dòng)到適當(dāng)位置，斷開起動(dòng)線圈，由保持線圈單獨(dú)工作。

圖1 電磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理圖

線圈工作原理如圖1（b）所示，常閉開關(guān)S由銜鐵位置控制。在開始吸合時(shí)S處于閉合狀態(tài)，兩線圈并聯(lián)于電路中，此過程中系統(tǒng)安匝數(shù)有兩線圈共同提供，總的安匝數(shù)很大，銜鐵受到的電磁力足以克服反力開始運(yùn)動(dòng)，使銜鐵向鐵心靠近，當(dāng)銜鐵達(dá)到適當(dāng)位置時(shí)，S打開，啟動(dòng)繞組所在支路斷開，但由于泄流二極管D的存在啟動(dòng)繞組電流經(jīng)過一個(gè)泄放的過程逐漸變?yōu)榱?，此后，回路中只有保持繞組工作，此時(shí)電流較小，安匝數(shù)小，但銜鐵已經(jīng)有了較大的運(yùn)動(dòng)慣量，將繼續(xù)靠近鐵心運(yùn)動(dòng)，使氣隙減小，繞組仍能產(chǎn)生足夠大的吸力使鐵心完全閉合并符合觸頭壓力的要求。由于保持繞組的安匝數(shù)較小，故可大幅減小損耗；而運(yùn)動(dòng)過程中切換電流也減小了完全閉合時(shí)的運(yùn)動(dòng)慣量。

2 電磁系統(tǒng)的應(yīng)用

應(yīng)用上述結(jié)構(gòu)對(duì)690V/1250A控制與保護(hù)開關(guān)電器的電磁系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。從其工作原理可以看出，合閘過程中起動(dòng)線圈起主要作用，而保持能耗取決于保持線圈。因此，設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)調(diào)整起動(dòng)線圈電流來優(yōu)化電磁系統(tǒng)吸合特性，在滿足觸頭壓力的情況下盡量減小保持線圈安匝數(shù)以減小保持能耗。銜鐵和靜鐵心的設(shè)計(jì)可根據(jù)反力特性，按傳統(tǒng)方法進(jìn)行初算。電磁系統(tǒng)及反力系統(tǒng)如圖2所示。從圖中可看出其反力主要包括反力彈簧的拉力、主觸頭彈簧拉力、運(yùn)動(dòng)部件重力以及緩沖彈簧作用力。合閘過程中電磁吸力克服系統(tǒng)反力做功使銜鐵吸合。

其靜態(tài)反力特性如圖3所示。對(duì)于分?jǐn)噙^程，分?jǐn)鄷r(shí)間可以計(jì)算；下文中將介紹采用Ansoft3D瞬態(tài)求解器對(duì)其合閘的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行仿真分析。

圖2 電磁系統(tǒng)和反力系統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)圖

圖3 系統(tǒng)靜態(tài)反力特性曲線

2.1 仿真模型的建立及材料的分配

由于傳統(tǒng)的靜態(tài)特性分析不能得出有效的動(dòng)態(tài)特性，本文采用Maxwell Ansoft3D電磁場瞬態(tài)求解器對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析[5]。仿真模型包括銜鐵、靜鐵心、起動(dòng)繞組、保持繞組、運(yùn)動(dòng)域和計(jì)算域六個(gè)部分組成，其3D仿真模型如圖4所示。由于該模型較為簡單可在Ansoft工作界面中直接建立模型。每個(gè)部分都需要設(shè)置材料的屬性。為了減少速度通量的影響，必須考慮在分合閘過程中電磁體中渦流的影響，所以動(dòng)靜鐵心的材料設(shè)置為硅鋼片；兩線圈材料設(shè)置為銅；其余部分材料設(shè)置為空氣。

圖4 電磁系統(tǒng)三維仿真模型

2.2 激勵(lì)的施加和邊界條件的給定

由于需要在和閘過程中對(duì)勵(lì)磁繞組進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)由雙線圈工作切換為保持線圈單獨(dú)工作。因此，需要引入外部電路作為激勵(lì)源和Ansoft進(jìn)行聯(lián)合仿真，通過場路耦合來實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁繞組的特殊激勵(lì)。外掛電路如圖5所示。外電路中電感名稱要和模型中將要添加的繞組名稱一致，否則將無法調(diào)用。

圖5 激磁繞組控制電路?

三維瞬態(tài)場中，邊界條件包括磁場強(qiáng)度切向分量恒為零邊界條件，絕緣邊界條件，對(duì)稱邊界條件和主從邊界條件。該模型中，系統(tǒng)同默認(rèn)的邊界條件比較合適，因此，不需要制定其邊界條件。

2.3 模型的剖分和求解設(shè)定

根據(jù)本次仿真分析的需要，采用手工剖分的方法對(duì)模型進(jìn)行剖分。首先，因?yàn)橐芯裤曡F的運(yùn)動(dòng)特性，所以運(yùn)動(dòng)域和銜鐵的網(wǎng)格剖分需要加密一些；靜鐵心和勵(lì)磁線圈尺寸在一個(gè)數(shù)量級(jí)且都屬于固定件，其網(wǎng)格尺寸可稍微放大；求解域的網(wǎng)格尺寸可以設(shè)定到更大。按以上原則設(shè)定網(wǎng)格尺寸，然后進(jìn)行剖分即可。仿真模型模型剖分結(jié)果如圖6所示。

圖6 有限元模型剖分圖

剖分完畢后，還要定義銜鐵運(yùn)動(dòng)的機(jī)械屬性。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)部件是銜鐵，所以需要對(duì)銜鐵在運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)屬性進(jìn)行設(shè)定。首先，對(duì)運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)的參考方向進(jìn)行設(shè)定；然后，對(duì)運(yùn)動(dòng)范圍進(jìn)行設(shè)定，需要注意的是，軟件內(nèi)部規(guī)定運(yùn)動(dòng)部件和固定部件不能接觸，故運(yùn)動(dòng)范圍應(yīng)稍小于氣隙范圍；最后，是對(duì)運(yùn)動(dòng)初速度、運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量、阻尼系數(shù)和系統(tǒng)反力的設(shè)定，因?yàn)殂曡F與動(dòng)觸頭及一些緊固件相連，應(yīng)把這些物體的質(zhì)量歸算到銜鐵上。

3 仿真結(jié)果對(duì)比分析

應(yīng)用上述方法對(duì)額定電壓為110V的并聯(lián)雙線圈電磁系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究。仿真時(shí)間為160ms，步長為1ms。分別對(duì)單線圈和并聯(lián)雙線圈電磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真。從仿真結(jié)果可見并聯(lián)雙線圈到的啟動(dòng)電流最大值為14.18A，在60ms時(shí)起動(dòng)繞組斷開，其電流逐漸變?yōu)榱?，保持繞組電流穩(wěn)定后在0.53A左右，而相同安匝數(shù)的單線圈穩(wěn)定保持電流為21.24A ，其電流-時(shí)間特性對(duì)比曲線如圖7所示。

圖7 雙線圈結(jié)構(gòu)電流-時(shí)間的關(guān)系特性

圖8 銜鐵的動(dòng)態(tài)吸反力特性對(duì)比

如圖8所示，在12.5ms時(shí)吸力等于反力，之后吸力均大與反力并且趨勢(shì)相同，兩者配合良好。根據(jù)觸頭系統(tǒng)的計(jì)算，觸頭終壓力不小于275N即可，雙線圈電磁系統(tǒng)銜鐵停止運(yùn)動(dòng)時(shí)每個(gè)觸頭上的壓力約為440N；單線圈電磁系統(tǒng)每個(gè)觸頭壓力約為1800N，兩者均符合設(shè)計(jì)要求，但單線圈結(jié)構(gòu)由于觸頭壓力過大單線圈結(jié)構(gòu)觸頭發(fā)生冷汗現(xiàn)象的可能性增大。銜鐵的位移-時(shí)間特性和速度-時(shí)間特性對(duì)比圖分別如圖9和圖10所示。從圖9可知單線圈結(jié)構(gòu)銜鐵在52ms是完全閉合，而雙線圈結(jié)構(gòu)銜鐵在66ms是完全閉合。從仿真結(jié)果可得出并聯(lián)雙線圈結(jié)構(gòu)銜鐵和鐵心接觸時(shí)速度為1.073s/m，單線圈結(jié)構(gòu)兩者接觸時(shí)的速度為1.655s/m。

圖9 銜鐵的位移—時(shí)間特性曲線

圖10 銜鐵的速度—時(shí)間特性曲線

通過對(duì)仿真結(jié)果的分析得出傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和雙線圈切換結(jié)構(gòu)的主要性能參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 兩種結(jié)構(gòu)主要性能參數(shù)對(duì)比

表1給出了并聯(lián)雙線圈切換電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)單線圈電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要性能參數(shù)的對(duì)比，前者與后者相比可以節(jié)省96%的電能，碰撞慣量也有明顯減小，提高了電器的使用壽命，但合閘時(shí)間稍長。

4 結(jié)論

通過對(duì)并聯(lián)雙線圈電磁系統(tǒng)的研究及對(duì)應(yīng)用實(shí)例的仿真分析，得出以下結(jié)論：

（1）并聯(lián)雙線圈電磁系統(tǒng)雙線圈切換簡單，容易實(shí)現(xiàn)；吸合過程和保持過程分別由兩個(gè)線圈控制，便于結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

（2）利用Maxwell Ansolt3D動(dòng)態(tài)求解器對(duì)電磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析，具有直觀性好、計(jì)算精確的優(yōu)點(diǎn)，但是計(jì)算量較大。

（3）與傳統(tǒng)單線圈電磁系統(tǒng)相比，起動(dòng)安匝數(shù)相同時(shí)，并聯(lián)雙線圈可以大幅降低能耗，減小運(yùn)動(dòng)慣量，吸反力配合特性更好，但吸合時(shí)間稍長；可以通過適當(dāng)增加啟動(dòng)繞組安匝數(shù)來減少合閘時(shí)間而不改變保持能耗。

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