高速電磁斥力機(jī)構(gòu)的基本原理與仿真分析

安德紅，江壯賢

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高速電磁斥力機(jī)構(gòu)的基本原理與仿真分析

安德紅1，江壯賢2

（1. 92118部隊(duì)，浙江舟山 31600；2. 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

混合型限流斷路器是現(xiàn)代直流電力系統(tǒng)有效的短路保護(hù)設(shè)備，其中用于驅(qū)動(dòng)高速限流斷路器機(jī)械觸頭高速分閘的電磁斥力機(jī)構(gòu)性能決定了混合型限流斷路器的限流水平及分?jǐn)嗟目煽啃?。分析了電磁斥力機(jī)構(gòu)的工作原理，通過(guò)理論推導(dǎo)得到了電磁斥力的解析表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上得到其運(yùn)動(dòng)方程。介紹了電磁斥力機(jī)構(gòu)的瞬態(tài)場(chǎng)有限元仿真方法，建立了1000 V/400 A樣機(jī)的仿真模型，樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析與仿真計(jì)算的正確性，為電磁斥力機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

高速機(jī)械觸頭 電磁斥力機(jī)構(gòu) 有限元仿真 混合型限流斷路器

0 引言

近年來(lái)一種具備機(jī)械開關(guān)大通流能力和電力半導(dǎo)體開關(guān)快速、無(wú)弧分?jǐn)嗵匦缘幕旌闲拖蘖鲾嗦菲髟谥绷鞫搪冯娏鞯南蘖鞣謹(jǐn)喾矫姹砻娉鰞?yōu)異的性能和潛力，成為直流斷路器發(fā)展的一個(gè)新方向[1]。混合型限流斷路器一般由高速機(jī)械開關(guān)和電力半導(dǎo)體開關(guān)并聯(lián)組成，正常工作時(shí)電流從機(jī)械開關(guān)上流過(guò)，由于機(jī)械開關(guān)的接觸電阻小，通流損耗低，因而通流容量大。而當(dāng)電路需要分?jǐn)嗷虺霈F(xiàn)短路故障時(shí)，機(jī)械開關(guān)迅速打開，電流從機(jī)械開關(guān)轉(zhuǎn)移至電力半導(dǎo)體開關(guān)支路，由功率半導(dǎo)體完成電流的無(wú)弧分?jǐn)?。由于功率半?dǎo)體的動(dòng)作速度快，可以在短時(shí)間內(nèi)分?jǐn)喽搪冯娏?，因而如何提高觸頭機(jī)構(gòu)的反應(yīng)速度使其在接到分?jǐn)嘈盘?hào)后盡快使機(jī)械開關(guān)分離將電流轉(zhuǎn)移至半導(dǎo)體支路，以及如何提高機(jī)械開關(guān)在分離初期的運(yùn)動(dòng)速度使開關(guān)在半導(dǎo)體支路關(guān)斷短路電流時(shí)有足夠的空氣間隙承受關(guān)斷過(guò)電壓的沖擊，成為混合型限流斷路器高速機(jī)械觸頭機(jī)構(gòu)研制的關(guān)鍵。

為了達(dá)到快速反應(yīng)、高速運(yùn)動(dòng)的目的，機(jī)械開關(guān)觸頭一般采用高速電磁斥力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。電磁斥力機(jī)構(gòu)利用電磁感應(yīng)原理動(dòng)作，反應(yīng)迅速、傳動(dòng)過(guò)程直接[2-7]，在一些需要高速動(dòng)作的觸頭機(jī)構(gòu)中已得到廣泛應(yīng)用，如新型混合型斷路器[8]、高速真空斷路器[9]、新型混合式超導(dǎo)限流器[10]等等。

電磁斥力機(jī)構(gòu)在動(dòng)作過(guò)程中涉及了電路放電、電磁感應(yīng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)等多個(gè)相互耦合的子過(guò)程，該過(guò)程中斥力金屬盤與斥力線圈的相對(duì)位置不斷變化，它們之間的互感也不斷變化，其動(dòng)態(tài)過(guò)程的解析求解困難很大。文獻(xiàn)[11]運(yùn)用電路理論對(duì)斥力機(jī)構(gòu)中放電回路電阻及動(dòng)盤初始電感對(duì)動(dòng)盤運(yùn)動(dòng)特性的影響，以及包括動(dòng)盤質(zhì)量在內(nèi)的斥力機(jī)構(gòu)主要機(jī)械參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析，并指出斥力機(jī)構(gòu)能達(dá)到的最大效率約為30％。文獻(xiàn)[12]利用基于時(shí)間和位移的雙層循環(huán)離散迭代算法計(jì)算了高速電磁斥力機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況并對(duì)不同機(jī)械參數(shù)對(duì)斥力的動(dòng)態(tài)性能的影響進(jìn)行分析，從而得到電磁斥力機(jī)構(gòu)的優(yōu)化以簡(jiǎn)設(shè)計(jì)原則。

1 原理分析

高速電磁斥力機(jī)構(gòu)原理如圖1所示，包括由電容C、晶閘管T、二極管D構(gòu)成的儲(chǔ)能脈沖放電電路、扁平的斥力線圈和金屬斥力盤三個(gè)部分組成。機(jī)構(gòu)未動(dòng)作時(shí)，金屬斥力盤位于斥力線圈上方，靠近線圈放置，電容通過(guò)外電路預(yù)先充電儲(chǔ)能；開關(guān)動(dòng)作時(shí)，通過(guò)給晶閘管T觸發(fā)信號(hào)使其導(dǎo)通，預(yù)先儲(chǔ)能的脈沖放電電路對(duì)斥力線圈發(fā)出脈沖電流，脈沖電流通過(guò)斥力線圈產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)在斥力金屬盤上感應(yīng)渦流，方向與脈沖電流相反，兩者產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)相互作用，在斥力金屬盤上形成巨大的電磁斥力，通過(guò)連桿帶動(dòng)機(jī)械開關(guān)動(dòng)觸頭高速分閘。

圖1 電磁斥力機(jī)構(gòu)工作示意圖

2 斥力機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

圖2所示為電磁斥力機(jī)構(gòu)等效電路，儲(chǔ)能電容C與斥力線圈構(gòu)成脈沖放電回路，產(chǎn)生脈沖電流i，R、L分別為斥力線圈電阻與自感。斥力盤可視為等效的感應(yīng)回路，形成感應(yīng)電流i，R、L分別為其電阻與自感；記M為斥力線圈與斥力盤間的互感，其耦合程度與兩者的距離關(guān)系密切，在機(jī)構(gòu)動(dòng)作過(guò)程中，隨著斥力盤的運(yùn)動(dòng)，距離越來(lái)越大，互感M越來(lái)越小。

圖2 電磁斥力機(jī)構(gòu)等效電路

由圖2可得到電磁斥力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)回路與感應(yīng)回路基本電路方程，

根據(jù)文獻(xiàn)[10]的推導(dǎo)結(jié)果，高速電磁斥力機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，電磁斥力的表達(dá)式為：

3 有限元理論及ansoft仿真方法

有限元仿真是采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)模型微分方程進(jìn)行求解，隨著計(jì)算機(jī)性能的提高和有限元法的發(fā)展，限元仿真計(jì)算方法在工程領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，商業(yè)化的有限元仿真軟件已囊括各工程領(lǐng)域，甚至出現(xiàn)集成不同學(xué)科的多場(chǎng)耦合的計(jì)算軟件。目前對(duì)于電磁場(chǎng)的有限元仿真計(jì)算來(lái)說(shuō)，Ansoft是使用最廣的一種軟件。Ansoft Maxwell 是世界著名的商用低頻電磁場(chǎng)有限元軟件之一，在各個(gè)工程電磁領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，它基于麥克斯韋微分方程，采用有限元離散形式，采用先進(jìn)的算法，將工程中的電磁場(chǎng)計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)榫仃嚽蠼?。選用ansoft中的2維瞬態(tài)電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)仿真功能，對(duì)電磁斥力機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，具體仿真分析過(guò)程如下：

1）分析電磁斥力機(jī)構(gòu)模型，在對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，建立其2維軸對(duì)稱幾何模型；

2）根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)電磁斥力機(jī)構(gòu)部件賦以對(duì)應(yīng)的材料屬性；

3）邊界條件的選擇以及以實(shí)際相應(yīng)的脈沖放電電路的建立，其中斥力線圈電感應(yīng)與電路計(jì)算耦合；

4）對(duì)電磁斥力機(jī)構(gòu)的機(jī)械特性賦值，如負(fù)載力、彈簧彈性系數(shù)、運(yùn)動(dòng)部件等效質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)邊界等參數(shù)。

5）設(shè)定模型的計(jì)算時(shí)間、計(jì)算步長(zhǎng)等動(dòng)態(tài)參量，最后進(jìn)行有限元的網(wǎng)格剖分。

在完成上述5個(gè)步驟之后，就可以開始對(duì)模型進(jìn)行有限元求解，求解所用時(shí)間與模型的復(fù)雜程度、網(wǎng)格數(shù)量、總步數(shù)等關(guān)系密切，可根據(jù)計(jì)算精度要求與計(jì)算機(jī)的性能進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

4 仿真建模與試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真分析的可行性與正確性，課題組設(shè)計(jì)了1000 V/400 A混合型限流斷路器中的高速電磁斥力機(jī)構(gòu)樣機(jī)，根據(jù)樣機(jī)實(shí)際參數(shù)建立仿真模型。

樣機(jī)的機(jī)械參數(shù)：斥力外半徑40mm、內(nèi)半徑5 mm、厚度4 mm、運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量0.45 kg，其中動(dòng)盤質(zhì)量0.1 kg；斥力線圈匝數(shù)20匝、外半徑40 mm、內(nèi)半徑10 mm、線寬度1 mm、線厚度2mm，動(dòng)盤與斥力線圈的材料為紫銅、它們之間的初始?xì)庀? mm；放電路參數(shù)：電容100 μF，初始電壓1000 V。

圖3是對(duì)樣機(jī)的二維軸對(duì)稱建模后網(wǎng)格劃分的結(jié)果，考慮到計(jì)算的時(shí)間對(duì)于不同區(qū)域用不同大小的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，對(duì)于計(jì)算區(qū)域和運(yùn)動(dòng)區(qū)域用較大網(wǎng)格，斥力盤與斥力線圈用小網(wǎng)格。

圖3 機(jī)構(gòu)樣機(jī)仿真模型

采用與仿真對(duì)應(yīng)的電路參數(shù)，對(duì)高速電磁斥力機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)放電電流波形與斥力盤運(yùn)動(dòng)特性曲線，并將試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。顯然，仿真數(shù)據(jù)能夠很好地反映機(jī)構(gòu)樣機(jī)的實(shí)際動(dòng)作性能，因此基于圖3的仿真模型是可信的。

從圖4結(jié)果可知，采用100 μF斥力電容充電1000 V對(duì)1000 V/400 A電磁斥力機(jī)構(gòu)放電產(chǎn)生脈沖電流峰值2.7 kA，峰值時(shí)間50 μs，可在1 ms內(nèi)將形成1 mm觸頭開距。

人之行，莫大于孝。我們?yōu)樾叛觥橹髁x勇于犧牲自己，包括生命在內(nèi)的一切，但我們始終沒有忘記生我們養(yǎng)我們的父母，同志們今天所付出的一切，都是為了讓我們的父母，還有未來(lái)的父母?jìng)兓畹酶?yáng)光，更有尊嚴(yán)。但在理想實(shí)現(xiàn)之前，注定我們是犧牲的一代人，國(guó)難當(dāng)前，我們無(wú)法親恭奉養(yǎng)我們的父母，甚至明天，或者今天我們就將犧牲在生我們養(yǎng)我們的土地上，但我們后悔嗎？”

5 電磁斥力機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)分析

圖5所示為電磁斥力機(jī)構(gòu)在斥力最大時(shí)的磁力線分布圖，由圖5可以看出紫銅盤具有很強(qiáng)的祛磁能力，在該時(shí)刻斥力線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)幾乎沒有能夠穿過(guò)它的。這是因?yàn)殡姶懦饬C(jī)構(gòu)在斥力為最大值時(shí)紫銅盤中的反向渦流也為最大，它產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)阻止了斥力線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁力線從銅盤中間穿過(guò)，而這也是電磁斥力產(chǎn)生的原因。

從圖5還可看出，斥力線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)大部分經(jīng)空氣形成磁回路，而由于空氣的磁阻很大，所以斥力線圈產(chǎn)生的能量大部消耗在空氣中，極大地降低了機(jī)構(gòu)的效率。

為提高電磁斥力機(jī)構(gòu)效率，可對(duì)機(jī)構(gòu)增加導(dǎo)磁回路以減少機(jī)構(gòu)能量在空氣中的損耗。在已建模型中加入導(dǎo)磁回路，材料為高導(dǎo)磁率的電工純鐵，并對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行分析，如圖6所示。

由圖6看出，增加磁路之后斥力線圈產(chǎn)生的磁力線大部分由磁路通過(guò)，由于磁路的材料選用具有高導(dǎo)磁率的電工純鐵，因而磁場(chǎng)能量在其中的消耗很少，大部分作用于銅盤產(chǎn)生斥力，機(jī)構(gòu)的作用效果得到增強(qiáng)。圖7為兩種條件下斥力的仿真結(jié)果，從圖中可以看出增加磁路后斥力盤所受斥力峰值由7.9 kN增加到9.6 kN，峰值增加21%，效果好于未加磁路的情況。

圖7增加磁路后機(jī)構(gòu)斥力對(duì)比

6 結(jié)論

1）推導(dǎo)出電磁斥力的計(jì)算公式，在此基礎(chǔ)上得到電磁斥力機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程；

2）建1000 V/400 A電磁斥力機(jī)構(gòu)有限元仿真計(jì)算模型，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真計(jì)算的準(zhǔn)備性。

3）分析了電磁斥力機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)分布，采用增加磁路的方法減少機(jī)構(gòu)能量損失，可將同等條件下斥力峰值提高21%。

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Basic Principle and Simulation Analysis of High Speed Electro-magnetic Repulsion Mechanism

An Dehong1, Jiang Zhuangxian2

（1. Unit No. 92118 of PLA, Zhoushan 31600, Zhejiang, China; 2. Department of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China）

TM561

A

1003-4862（2016）08-0001-04

2016-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(51207166)

安德洪(1982-)，男，工程師。專業(yè)方向：艦船電氣。