基于ANSYS的觸頭電動斥力仿真研究

岳鵬

摘要：本文采用有限元分析軟件ANSYS對自動轉(zhuǎn)換開關電器的觸頭進行電動斥力的仿真，通過仿真分析了觸頭在閉合狀態(tài)下電流、磁場和電動斥力的分布并將仿真的電動斥力結(jié)果與理論結(jié)算結(jié)果相對比。

1 接觸系統(tǒng)的結(jié)果分析

本文分析的自動轉(zhuǎn)換開關電器的觸頭系統(tǒng)額定電流為63A，短時耐受沖擊電流為5000A，，簡化后的觸頭模型如圖1所示。

本文中的結(jié)構(gòu)模型通過cero2.0軟件建立，該模型有動觸頭、動觸頭片、靜觸頭、靜觸頭片四部分組成。

2 接觸系統(tǒng)的仿真模型簡化及分析

2.1 仿真模型的構(gòu)建

電動斥力在本文中值得就是HOLM力，其只在動靜觸頭接觸時存在，實際上觸頭的接觸表面都是凹凸不平的，因此都將導電斑點假設為理想體來計算HOLM力值，本文假設只有一個導電斑點存在于動靜觸頭之間，并且導電斑點位于中心位置處。

當按照圓柱形導電斑點計算時，圓柱形導體的截面半徑b用式（1）[1]計算。

（1）

式中，P為動靜觸頭接觸觸壓力，取20N；H為觸頭材料的硬度，取1000N/mm2；ξ為跟系統(tǒng)表面接觸狀況有關的系數(shù)，取0.5。

將實際中測得的觸頭壓力20N，帶入式（1）中，可求得接觸半徑b為0.1mm，因而取導電橋的半徑為0.1mm；本文經(jīng)過多次仿真發(fā)現(xiàn)，導電橋高度為0.1～0.2mm區(qū)間內(nèi)的值時對仿真結(jié)果影響不大，所以本文中的導電橋高度取0.1mm。本文這種結(jié)構(gòu)電動斥力主要是HOLM力產(chǎn)生的，平行導體電動力是不存在的，所以仿真出的結(jié)果就是HOLM力。用cero2.0軟件創(chuàng)建的動靜觸頭模型如圖2所示。

2.2 動靜觸頭系統(tǒng)的電磁場分析

選用Workbench中的Magnetostatic模塊，并將上節(jié)所建模型導入，本文中只使用動靜觸頭的一半體積。對導體部分賦予材料Copper（銅），在靜觸頭的一端面施加3535A電流，在動觸頭一端面施加0V電壓，分別對不同的區(qū)域指定不同的網(wǎng)格尺寸，分析結(jié)果設置為currentdensity，求解后的電流密度矢量圖如圖3所示，由圖3可以看出在動靜觸頭接觸表面有電流線的收縮。

其次，再對該系統(tǒng)所受的電動斥力進行求解，仿真結(jié)果為9.835N，全模型所受的電動斥力為19.67N。

2.3 仿真結(jié)果與理論公式計算結(jié)果對比

根據(jù)2.1節(jié)計算的導電橋半徑b=0.1mm，又已知觸頭的可視接觸面積W×L=8×8=64mm[2]，根據(jù)面積相等換算成可視接觸半徑B=4.5mm，真空磁導率為μ0=4π×10-7，根據(jù)公式（2），可求得F=22.05N。將計算結(jié)果與仿真結(jié)果相對比，發(fā)現(xiàn)兩個結(jié)果很接近，證明了仿真算法的準確性；同時仿真結(jié)果和理論值存在一定的差異，原因可能是因為網(wǎng)格劃分不夠細致。

3 結(jié)束語

本文利用ANSYS Workbench軟件作為有限元仿真工具，對ATSE進行了電磁場分析，通過將分析結(jié)果和計算結(jié)果相對比發(fā)現(xiàn)兩種結(jié)算結(jié)果很接近，證明了仿真算法的準確性。

參考文獻：

[1]電氣工程電磁場數(shù)值分析[M].機械工業(yè)出版社，顏威利[等]著， 2005

[2]低壓斷路器觸頭系統(tǒng)電動斥力的計算[J].孫海濤，陳德桂，劉慶.低壓電器.2002（03）