電磁斥力機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性影響因素仿真分析

楊 鵬，于 力，劉 淼

（沈陽工程學(xué)院a.研究生部；b.電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

隨著世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源需求的持續(xù)增長(zhǎng)，利用太陽能、風(fēng)能等新能源發(fā)電的技術(shù)因其清潔環(huán)保、分布廣泛等優(yōu)點(diǎn)得到了快速的發(fā)展［1］，但其發(fā)電的波動(dòng)性和隨機(jī)性的問題，以及傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的自身技術(shù)限制問題也帶來許多新的挑戰(zhàn)［2］。直流輸電技術(shù)在這種背景下脫穎而出，因其沒有傳統(tǒng)交流電網(wǎng)的電壓、同步性和頻率的問題，輸電效率較傳統(tǒng)交流電網(wǎng)有較大提高，直流輸電技術(shù)的發(fā)展與直流電網(wǎng)的建設(shè)也為新能源電廠并網(wǎng)提供新的解決方案［3-6］。

鑒于直流電網(wǎng)的短路電流有較高的增長(zhǎng)率且具有較大短路電流，迫切需要一種高性能的斷路器來快速移除故障電流并隔離故障區(qū)域［7］。直流電網(wǎng)要求機(jī)械開關(guān)在2 ms～5 ms 內(nèi)完成分閘動(dòng)作，傳統(tǒng)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)難以滿足這種苛刻的技術(shù)要求，而電磁斥力機(jī)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、初始運(yùn)動(dòng)速度快、機(jī)械延遲時(shí)間短等特點(diǎn)能夠滿足要求［8-11］。

本文采用有限元法對(duì)電磁斥力機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模仿真分析。通過改變電磁斥力機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)等得出不同的仿真結(jié)果，對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行充分分析，得出各個(gè)參數(shù)變化對(duì)電磁斥力機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程的影響規(guī)律，為設(shè)計(jì)電磁斥力機(jī)構(gòu)斷路器樣機(jī)提供指導(dǎo)。

1 電磁斥力機(jī)構(gòu)工作原理

1.1 工作原理

線圈-盤式斥力機(jī)構(gòu)的工作原理是通過已充電的電容器對(duì)驅(qū)動(dòng)線圈放電，變化的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)并在金屬盤上感應(yīng)出反向渦流，感應(yīng)產(chǎn)生的渦流與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生力驅(qū)動(dòng)觸頭上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)分合閘。線圈-線圈式斥力機(jī)構(gòu)原理類似，主要區(qū)別是將斥力盤替換為可動(dòng)線圈，將可動(dòng)線圈與固定線圈反向串聯(lián)，通過電容器放電產(chǎn)生電流和磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生電磁斥力。線圈-盤式斥力機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)質(zhì)量小、接線簡(jiǎn)單、加工難度小等優(yōu)點(diǎn)，目前應(yīng)用較多［12］。

圖1 為常見的線圈-盤式斥力機(jī)構(gòu)真空開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。其主要由三部分構(gòu)成：第一部分是真空滅弧室，動(dòng)靜觸頭完成電路通斷，觸頭彈簧起保持觸頭接觸和抑制彈跳等作用；第二部分是保持機(jī)構(gòu)和緩沖機(jī)構(gòu)裝置，圖1 中采用的是雙向碟形彈簧，同緩沖裝置協(xié)同起到合閘保持與緩沖的功能；第三部分就是電磁斥力機(jī)構(gòu)，通過斥力盤上下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)觸頭，完成分合閘功能。

圖1 線圈-盤式斥力機(jī)構(gòu)真空開關(guān)結(jié)構(gòu)示意

1.2 電磁驅(qū)動(dòng)力原理分析

圖2 為電磁斥力機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖。線圈-盤式斥力機(jī)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為平行放置的線圈和斥力盤。驅(qū)動(dòng)線圈中通過快速變化的電流產(chǎn)生快速變化的磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)線圈磁場(chǎng)可以分解為垂直和平行于銅盤平面的兩個(gè)分量：垂直分量通過磁鏈銅盤在其中產(chǎn)生感應(yīng)電流，其大小取決于驅(qū)動(dòng)線圈磁場(chǎng)的垂直分量和斥力盤的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)；平行分量與感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁斥力，其大小取決于驅(qū)動(dòng)線圈磁場(chǎng)的平行分量和感應(yīng)電流。驅(qū)動(dòng)線圈的電流決定了驅(qū)動(dòng)線圈磁場(chǎng)的大小和分布，而它的大小取決于電容放電回路的電氣參數(shù)和線圈的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)［13］。

圖2 電磁斥力機(jī)構(gòu)

1.3 電磁驅(qū)動(dòng)力數(shù)學(xué)分析

電磁驅(qū)動(dòng)力可以通過能量守恒定律來定量分析。在分閘時(shí)，電磁驅(qū)動(dòng)力不僅要克服機(jī)構(gòu)內(nèi)部的摩擦力，還要克服保持機(jī)構(gòu)的保持作用力等與運(yùn)動(dòng)方向相反的作用力［14-15］?？朔@些作用力的能量都包含在機(jī)構(gòu)做功中。圖3 是電磁斥力機(jī)構(gòu)的等效電路圖，斥力盤可以等效為若干匝串聯(lián)的線圈，因此斥力盤的等效電路可視為電感與電阻串聯(lián)的電路。驅(qū)動(dòng)線圈電路和斥力盤的等效電路分別滿足式（1）和式（2）：

式中，L1和L2分別為線圈和斥力盤的自感；M為L(zhǎng)1和L2之間的互感；R1和R2分別為斥力盤和線圈的電阻；i1和i2分別為線圈中的電流和斥力盤感應(yīng)的渦流；Uc為電容上的初始電壓。

圖3 電磁斥力機(jī)構(gòu)等值電路

在斥力機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中，電源供電電能dAs會(huì)轉(zhuǎn)化為不同形式的能量，具體為磁場(chǎng)能量、機(jī)構(gòu)做功以及電阻損耗［16-19］之和，表達(dá)式為

斥力盤和斥力線圈間的磁耦合可以表示為

式中，e1和e2分別代表線圈和斥力盤的等效電壓。

據(jù)此得到磁能w的計(jì)算公式，具體形式如下所示：

式中，L1、L2表示線圈與斥力盤的電感；M表示互感。

根據(jù)上述分析得到機(jī)構(gòu)總體做功為

已知L1、L2都是常數(shù)，則機(jī)構(gòu)電磁力的計(jì)算公式為

式中，z表示斥力盤位移。

由式（7）可知，機(jī)構(gòu)電磁力F與電流i1、i2及導(dǎo)數(shù)dM/dz都成正比例關(guān)系?；ジ蠱與分合閘線圈的位移相對(duì)變化有關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中總是隨著位移的改變而保持動(dòng)態(tài)變化，但是目前缺少較為可靠的測(cè)試方法。

通過以上公式可以看出，影響電磁斥力的因素有線圈中的電流和電壓、各回路電阻值及線圈與斥力盤互感等。本文將通過有限元仿真軟件分析這些影響因素。

2 電磁斥力機(jī)構(gòu)仿真模型設(shè)計(jì)

2.1 仿真模型

電磁斥力機(jī)構(gòu)主要由連桿、勵(lì)磁線圈、金屬盤和緩沖裝置組成。本文利用Maxwell 電磁場(chǎng)仿真軟件建立二維軸對(duì)稱幾何模型。通過初步運(yùn)算模型參數(shù)并綜合考慮工程實(shí)施的可行性，得出初步參數(shù)與尺寸范圍。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)距離為10 mm，線圈選擇20 匝的銅帶，斥力盤為鋁合金的金屬盤。電路設(shè)置為預(yù)充電儲(chǔ)能電容與勵(lì)磁線圈串聯(lián)。圖4為簡(jiǎn)化模型與網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為131 072。

圖4 電磁斥力機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型及仿真網(wǎng)格劃分

線圈、金屬盤及連桿材料的屬性如表1 所示。主要模型參數(shù)如表2所示。圖5為儲(chǔ)能電容的放電回路模型，其元件參數(shù)如表3所示。

表1 材料參數(shù)

表2 模型參數(shù)

圖5 儲(chǔ)能電容電路

表3 電容及引線的等效電路參數(shù)

2.2 模型仿真分析

對(duì)有限元模型進(jìn)行仿真分析時(shí)，將上文基本結(jié)構(gòu)參數(shù)作為初始模型，通過改變某些主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，仿真分析各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)斥力機(jī)構(gòu)性能的影響。

圖6 為初始模型斥力盤受力曲線。從圖中可以看出，電磁斥力存在峰值，電磁斥力機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的主要階段是0～1 ms 的范圍內(nèi)，超過1 ms，斥力盤已經(jīng)運(yùn)動(dòng)到總行程的后半段，此時(shí)電容放電基本結(jié)束，斥力盤距離驅(qū)動(dòng)線圈較遠(yuǎn)，通過斥力盤的磁場(chǎng)強(qiáng)度下降，感應(yīng)渦流減小，相互作用力減小到可以忽略不計(jì)。因此，本文著重分析斥力盤在1 ms 以內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程。

圖6 斥力盤受力曲線

3 基本參數(shù)對(duì)斥力機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性影響研究

3.1 斥力盤參數(shù)的影響

圖7為斥力盤不同參數(shù)的仿真結(jié)果。

1）斥力盤與驅(qū)動(dòng)線圈間距變化的影響

初始模型的線圈與斥力盤之間的距離為1 mm。將間距增大為2 mm 時(shí)，電磁斥力的峰值減小了7.25%；間距進(jìn)一步增大為3 mm 時(shí)，電磁斥力的峰值降低了13.49%。根據(jù)圖7a 中的曲線可知，隨著間距的逐步增大，電磁斥力峰值發(fā)生的時(shí)間向后推遲了一定的時(shí)間，其原因是隨著間距的增大，系統(tǒng)的整體電感也在增加，此現(xiàn)象也側(cè)面說明仿真模型符合實(shí)際情況。另外，電磁斥力的峰值大小會(huì)受到斥力盤與線圈距離的影響，一般電磁斥力會(huì)隨著間距的變大而減小，即表現(xiàn)出一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2）斥力盤半徑變化的影響

圖7b 為斥力盤半徑變化的仿真結(jié)果。初始仿真模型的斥力盤半徑與線圈半徑大致相同，逐漸增大斥力盤半徑，當(dāng)二者相差5 mm 時(shí)，電磁斥力峰值增大1.85%；相反，如果線圈半徑大于斥力盤半徑5 mm，則相對(duì)應(yīng)的峰值降低6.43%。根據(jù)上述分析可以得出，過小的斥力盤半徑會(huì)導(dǎo)致電磁斥力峰值減小，而繼續(xù)增大斥力盤半徑超過線圈半徑后，電磁斥力峰值基本不變。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是斥力盤半徑增加會(huì)增大運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量，通過增大半徑而增加的斥力不足以抵消由于質(zhì)量的增加而帶來的影響。

3）斥力盤厚度變化的影響

圖7c 為斥力盤不同厚度的仿真結(jié)果。初始模型的斥力盤厚度為12 mm，減小斥力盤厚度到10 mm和8 mm 時(shí)，電磁斥力峰值幾乎沒有改變；繼續(xù)減小斥力盤厚度到6 mm 時(shí)，電磁斥力峰值減小了2.85%；而增大斥力盤厚度到14 mm 時(shí)，電磁斥力峰值僅增大了0.09%；繼續(xù)增大斥力盤厚度到18 mm時(shí)，電磁斥力峰值的增加值仍然處于誤差范圍之內(nèi)。由此可以證明，電磁斥力峰值會(huì)隨著金屬盤變厚而增大，但是由厚度增加而增大電磁斥力存在一個(gè)閾值，即使再增加金屬盤厚度，對(duì)電磁斥力的影響也很小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是集膚效應(yīng)，即渦流無法深入到斥力盤內(nèi)部，增大斥力盤厚度不能增大渦流。

4）斥力盤材料變化的影響

圖7d 為材料變化后的仿真結(jié)果。在研究斥力盤材料變化的影響時(shí)，選擇使用銅、鋁兩種材料。其中，當(dāng)采用銅材料（銅材料的電阻率更低）取代鋁材料后，電磁斥力峰值出現(xiàn)了明顯地增長(zhǎng)，其比例達(dá)到了26.73%，這說明降低電阻率有助于增加電磁斥力峰值。同時(shí)，由圖7d 還可以看出，斥力盤的材料對(duì)峰值出現(xiàn)的時(shí)間基本沒有影響。

圖7 斥力盤不同參數(shù)的仿真結(jié)果

3.2 線圈參數(shù)的影響

圖8線圈不同參數(shù)的仿真結(jié)果。

1）線圈材料變化的影響

圖8a 為線圈不同材料的仿真結(jié)果。在研究線圈材料變化的影響時(shí)，采用鋁材料來取代銅材料，此時(shí)的電磁斥力峰值降低了10.21%，這說明電阻率變化對(duì)電磁斥力的峰值影響非常顯著，線圈電阻率越大電磁斥力峰值就越小。因此，在設(shè)計(jì)線圈時(shí)應(yīng)選擇電阻率小的材料。此外，還要采取減小接線長(zhǎng)度等措施減小整體電路的電阻率，其主要目的是盡量減小放電回路中的整體電阻值，從而增大電流，減小電阻熱損耗。

2）線圈厚度變化的影響

圖8b 為線圈不同厚度的仿真結(jié)果。初始模型的線圈厚度為25 mm，選擇多組不同厚度線圈進(jìn)行仿真，結(jié)果表明增加線圈厚度可以增加電磁斥力峰值，但是線圈厚度增加到一定數(shù)值后電磁斥力峰值反而會(huì)減小，即存在極值點(diǎn)。在初始模型其他條件不變的情況下僅改變線圈的厚度，經(jīng)過仿真后發(fā)現(xiàn)此模型的極值點(diǎn)出現(xiàn)在30 mm左右。出現(xiàn)這種情況的主要原因是當(dāng)線圈厚度較小時(shí)，電阻增大，從而使得放電電流變小；當(dāng)線圈厚度較大時(shí)，因?yàn)榫嚯x的增加使得局部磁場(chǎng)減弱，從而使得斥力盤感應(yīng)電流減小。

圖8 線圈不同參數(shù)的仿真結(jié)果

3）線圈匝數(shù)變化的影響

圖8c 為線圈不同匝數(shù)的仿真結(jié)果。初始模型線圈匝數(shù)為20匝，減小線圈匝數(shù)到10匝后，電磁斥力的峰值相對(duì)初始模型減小了42.49%，但是電磁斥力峰值出現(xiàn)的時(shí)間提前了大約0.1 ms；增大線圈匝數(shù)到30 匝后，電磁斥力峰值增大了3.64%，此時(shí)電磁斥力峰值出現(xiàn)的時(shí)間延后了大約0.1 ms；繼續(xù)增大線圈匝數(shù)到40 匝后，電磁斥力的峰值不再增加，相對(duì)于初始模型下降了3.51%，并且電磁斥力峰值出現(xiàn)的時(shí)間相對(duì)于初始模型延后了大約0.16 ms。

通過對(duì)多組厚度線圈仿真可以看出，電磁斥力峰值含有一個(gè)極值點(diǎn)，而不是保持持續(xù)增加的趨勢(shì)，在達(dá)到極值點(diǎn)后會(huì)逐步降低。在初始模型其他條件不變的情況下僅改變線圈的匝數(shù)，在經(jīng)過線圈不同匝數(shù)仿真后發(fā)現(xiàn)此模型的極值點(diǎn)出現(xiàn)在30 匝左右，此種現(xiàn)象是因?yàn)榫€圈匝數(shù)與斥力線圈的電阻、電感等參數(shù)直接相關(guān)，匝數(shù)小，電感小，會(huì)影響互感；匝數(shù)多，電阻大，電流會(huì)變小。

3.3 儲(chǔ)能電容參數(shù)的影響

儲(chǔ)能電容作為電磁斥力機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)能元件，其參數(shù)變化對(duì)機(jī)構(gòu)出力的影響更加明顯。圖9為不同儲(chǔ)能電容對(duì)電磁斥力、分閘速度、滿行程時(shí)間等的影響。

圖9 不同儲(chǔ)能電容的仿真結(jié)果

從圖9 中可以看出，儲(chǔ)能電容電壓越高，則電磁斥力峰值和最大速度就越大，滿行程時(shí)間就越短；儲(chǔ)能電容容量越大，則電磁斥力峰值和最大速度就越大。

由此可見，可以通過增加儲(chǔ)能電容容量和電容電壓來增大電磁斥力和速度，從而減小運(yùn)動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，可以更合理地設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性。

4 結(jié)論

本文在對(duì)電磁斥力機(jī)構(gòu)原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)了影響斥力機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度的主要因素，并通過有限元仿真軟件的模擬，分析研究了斥力機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的規(guī)律。得出的主要結(jié)論如下：

1）斥力盤材質(zhì)應(yīng)該選擇鋁合金。盡量減小斥力盤和線圈的間距。斥力盤半徑大小與線圈半徑相近似即可。

2）斥力線圈匝數(shù)和厚度的增加會(huì)增大電磁斥力峰值，但線圈匝數(shù)過多或者厚度過大會(huì)減小電磁斥力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該綜合考慮線圈厚度與匝數(shù)。

3）增加儲(chǔ)能電容器的容量和增加充電電壓都能顯著提高機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的速度。

上述結(jié)論可用于指導(dǎo)電磁斥力機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和回路參數(shù)的設(shè)計(jì)，同時(shí)為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。