基于Maxwell 3D/ADAMS的小型斷路器脫扣過程仿真

摘 要：

為解決傳統(tǒng)動力學(xué)仿真結(jié)果準(zhǔn)確性低的問題，采用虛擬樣機技術(shù)，進(jìn)行基于Maxwell 3D/ADAMS的斷路器瞬時脫扣過程仿真。首先使用Maxwell 3D耦合外電路，建立脫扣器的電磁瞬時動態(tài)仿真有限元模型，計算得到瞬動電磁鐵的運動特性仿真結(jié)果;然后將計算結(jié)果導(dǎo)入ADAMS軟件，對斷路器的瞬時脫扣運動過程進(jìn)行仿真計算;最后對實際樣機的瞬時脫扣試驗進(jìn)行高速拍攝。結(jié)果有效證明了聯(lián)合仿真能夠提升動力學(xué)仿真的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：

微型斷路器; 瞬時脫扣過程; 聯(lián)合仿真; 動態(tài)特性

中圖分類號： TM561

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）05-0074-05

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.05.012

Simulation of Tripping Process of Miniature Circuit Breaker Based on Maxwell 3D/ADAMS

Abstract：

To improve the accuracy of traditional dynamic simulation，the virtual prototyping technology is used to simulate the instantaneous trip process of circuit breaker based on Maxwell 3D and ADAMS.Firstly，the electromagnetic transient dynamic simulation finite element model of the tripper is established by using Maxwell 3D，and the simulation results of the transient electromagnet motion characteristics are obtained by calculation.Then the calculation results are imported into ADAMS to simulate the instantaneous tripping process of circuit breaker.Finally，the instantaneous release test of the actual prototype is taken by high-speed photography.The correctness of the simulation is verified.The co-simulation can improve the accuracy of dynamic simulation.

Key words：

miniature circuit breaker; instantaneous release process; co-simulation; dynamic characteristics

0 引 言

在傳統(tǒng)低壓電器產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計仿真過程中，往往會利用動力學(xué)仿真軟件對新研發(fā)的機械機構(gòu)進(jìn)行動態(tài)仿真分析［1-4］。但由于條件缺失，這些仿真分析往往比較粗糙，所以不能較真實地反映出產(chǎn)品的特性及缺陷，只能對產(chǎn)品設(shè)計提供較為模糊的參考，有時還會誤導(dǎo)設(shè)計工程師，容易造成產(chǎn)品設(shè)計的疏漏與缺陷，難以發(fā)現(xiàn)所設(shè)計產(chǎn)品的實際問題，不利于縮短產(chǎn)品設(shè)計周期。

本文針對一款斷路器的脫扣過程進(jìn)行電磁動力學(xué)耦合與剛?cè)狁詈戏抡?，利用Maxwell Circuit模塊建立瞬動脫扣試驗電路模型［5-7］，并將其應(yīng)用于電磁瞬態(tài)運動仿真計算中，同時疊加由ADAMS軟件計算得到的脫扣反力，得到瞬動電磁鐵在不同工況下的運動特性［8］，并將其轉(zhuǎn)化為樣條曲線，利用CUBSPL插值函數(shù)將運動特性添加到斷路器脫扣過程的動力學(xué)仿真中，同時將碰撞的主要構(gòu)件進(jìn)行柔性化處理，最終得到所需的脫扣過程仿真結(jié)果。本文考慮了脫扣頂桿的擊打速度及柔性形變的影響，可較真實地模擬實際產(chǎn)品的脫扣過程。

1 小型斷路器動力學(xué)仿真

1.1 研究對象

本文以一款18 mm模數(shù)DPN小型斷路器為例，其機械部分為自主設(shè)計的新型機構(gòu)。在進(jìn)行樣機瞬動脫扣試驗時，部分產(chǎn)品發(fā)生拒動現(xiàn)象。為解決此問題，本文從動力學(xué)仿真的角度進(jìn)行相關(guān)分析，以提升斷路器動力學(xué)仿真的準(zhǔn)確度。

1.2 多體系統(tǒng)動力學(xué)模型

小型斷路器操作系統(tǒng)是一個典型的多體系統(tǒng)，傳統(tǒng)理論力學(xué)針對相關(guān)問題的分析，是以剛體位置、速度和加速度的微分關(guān)系以及矢量合成原理為基礎(chǔ)進(jìn)行的。ADAMS動力學(xué)仿真屬于計算多體動力學(xué)，是以系統(tǒng)中連接物體與物體的運動副為出發(fā)點，對位置、速度和加速度的分析都是基于與運動副對應(yīng)的約束方程進(jìn)行的。

多體系統(tǒng)中，各構(gòu)件之間的位置關(guān)系可以通過全局坐標(biāo)系、構(gòu)件位置坐標(biāo)及方位（姿態(tài)）坐標(biāo)進(jìn)行描述，各構(gòu)件及支架之間的運動副連接可以通過系統(tǒng)廣義坐標(biāo)表示為代數(shù)方程。設(shè)運動副的約束方程數(shù)為nh，則系統(tǒng)的運動學(xué)約束方程組為

ΦK（q）=［ΦK1（q），ΦK2（q），…，ΦKnh（q）］（1）

式中： ΦK——位置坐標(biāo)矩陣的約束方程;

q——各個約束連接的坐標(biāo)矩陣。

驅(qū)動約束是系統(tǒng)廣義坐標(biāo)和時間的函數(shù)，其與系統(tǒng)運動學(xué)約束組合成系統(tǒng)所受的全部約束，系統(tǒng)自由度為0，即可理解為系統(tǒng)具有確定唯一解，表達(dá)式為

式中： ΦD——系統(tǒng)驅(qū)動約束方程。

對式（2）求解，即可得到系統(tǒng)在任意時刻的廣義坐標(biāo)位置q（t）。對式（2）求導(dǎo)，即可得到各構(gòu)件的速度方程，再求導(dǎo)即可得到加速度方程。

斷路器動力學(xué)仿真過程中，在機構(gòu)系統(tǒng)的運動學(xué)約束方程一定的情況下，驅(qū)動約束的解是影響動力學(xué)仿真準(zhǔn)確度的關(guān)鍵因素，因此利用Maxwell電磁仿真對驅(qū)動約束進(jìn)行求解，可得到較為準(zhǔn)確的驅(qū)動約束。

2 小型斷路器驅(qū)動約束條件

2.1 小型斷路器瞬動脫扣運動分析

小型斷路器瞬動脫扣動作主要分為2個階段：① 當(dāng)出現(xiàn)短路故障時，瞬動線圈內(nèi)電流迅速增大，電磁力帶動動鐵心向靜鐵心靠近，推出頂桿擊打鎖扣;② 鎖扣放開限位，跳扣打開，穩(wěn)定的四連桿變?yōu)槲暹B桿，動觸頭離開靜觸頭，觸頭迅速打開，拉斷電弧，完成開斷。電磁脫扣器示意如圖1所示。

在瞬動線圈不變的情況下，通過線圈電流的大小決定了頂桿輸出的能量與速度，不同試驗的電流工況差異會產(chǎn)生不同的試驗結(jié)果，因此仿真需要對不同試驗的電流工況進(jìn)行差異分析。

2.2 試驗電路的設(shè)計與耦合

在Maxwell外電路模塊中，搭建試驗電路提供電磁仿真輸入電流。瞬時特性試驗電路如圖2所示。其中，電源為220 V、50 Hz的電壓正弦波，R表示電阻，LWinding為斷路器瞬動脫扣線圈的等效結(jié)構(gòu)。

本文對比分析了240 A與320 A電流下瞬動脫扣過程，電磁瞬時動態(tài)仿真的輸入電流可通過調(diào)節(jié)外電路中的電阻得到。

2.3 脫扣反力的計算

在ADAMS軟件中建立動力學(xué)模型，使頂桿以較慢的速度推動鎖扣件，完成脫扣運動過程的仿真。頂桿的速度較慢，可以排除慣性對受力的影響，得到靜態(tài)條件下脫扣頂桿所受阻力與時間（位置）關(guān)系的曲線。脫扣頂桿所受阻力曲線如圖3所示。其中頂桿速度為1 mm/s。同時將彈簧反力疊加到阻力上，作為動態(tài)仿真過程中的總阻力輸入動態(tài)數(shù)據(jù)中。

2.4 電磁模型的建立與動態(tài)電磁特性仿真

簡化斷路器模型，建立大空氣場及band運動，對零件進(jìn)行材料賦予，輸入阻力函數(shù)，新建分析時長與步長，最終建立瞬動脫扣模型［9］，與外電路耦合計算得到瞬動電磁鐵的運動特性。鐵心運動位置曲線如圖4所示。

由圖4可知，在不同電流下，鐵心的運動速度差異較大，而這些差異會導(dǎo)致分?jǐn)嘣囼灥牟煌Y(jié)果。在240 A電流下，鐵心在3.4 ms開始動作，在8.0 ms達(dá)到最大值。相比之下，320 A電流作用下的鐵心動作較為迅速，鐵心在2.9 ms開始動作，在6.2 ms達(dá)到最大值。

3 動力學(xué)仿真結(jié)果及分析

3.1 剛?cè)狁詈?/p>

脫扣過程中，脫扣頂桿會撞擊鎖扣件，此時沖擊的能量會被鎖扣件的變形吸收掉很大一部分，從而在一定程度上影響整個脫扣過程仿真的準(zhǔn)確性，因此本文對鎖扣件進(jìn)行柔性化處理，考慮關(guān)鍵零件的碰撞變形，以得到更為準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。

在利用ABAQUS軟件進(jìn)行柔性體文件的模態(tài)計算過程中，鎖扣件網(wǎng)格上應(yīng)用減縮積分單元能夠又快又好地對零件的模態(tài)進(jìn)行模擬［10-12］。ABAQUS在一階減縮積分單元中引入了一個小量的人工“沙漏剛度”，以限制沙漏模式的擴(kuò)展。在模型中應(yīng)用的單元越多，這種剛度對沙漏模式的限制越有效。因此，只要合理地采用細(xì)化的網(wǎng)格，線性減縮積分單元就能給出可接受的結(jié)果。鎖扣件模態(tài)計算網(wǎng)格如圖5所示。

修改ABAQUS的.inp文件，將模態(tài)計算結(jié)果保存在模態(tài)中性文件（.mnf）中，在ADAMS軟件中導(dǎo)入MNF文件，得到剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真模型。

3.2 動力學(xué)仿真結(jié)果

利用多體動力學(xué)仿真軟件ADAMS建立了微型斷路器動力學(xué)仿真模型［13］，將電磁瞬時動態(tài)仿真的結(jié)果轉(zhuǎn)化為table文件，作為Test Data導(dǎo)入模型中，利用CUBSPL插值函數(shù)將上一部分得到的頂桿運動結(jié)果運用到斷路器的動力學(xué)仿真中。動力學(xué)仿真瞬時脫扣時間表如表1所示。其中，選擇脫扣開始的時間為頂桿與鎖扣件的接觸力突變?yōu)榱愕臅r間點。

由表1可知，觸頭的固有打開時長基本一致，而U型桿解扣時長（脫扣開始到觸頭分離的時間）與脫扣頂桿運動速度相關(guān)。在240 A電流作用下，頂桿運動速度較慢，鎖扣一旦打開，U型桿迅速與跳扣分離，機構(gòu)完成四連桿到五連桿的轉(zhuǎn)換，迅速打開觸頭。在320 A電流作用下，頂桿擊打速度較快，當(dāng)鎖扣打開后，U型桿會在跳扣上滯留一段時間27 ms，然后分離，最終完成觸頭的打開動作。

4 試驗驗證

利用高速攝影機對不同工況下斷路器瞬動脫扣過程進(jìn)行拍攝，得到實際的試驗數(shù)據(jù)。試驗使用到電源、Phantom VEO 710L高速攝影機、筆記本電腦、微型斷路器瞬時特性試驗臺和大功率補光燈等設(shè)備。驗證試驗現(xiàn)場如圖6所示［14］。

試驗共準(zhǔn)備2個樣本，分別進(jìn)行240 A與320 A電流的瞬時脫扣試驗，為保持與仿真的一致性，選擇0°作為初始相位角，記錄從通電開始到觸頭分離再到觸頭完全打開的時間。頂桿與鎖扣分離的時間難以通過肉眼確定，因此在試驗數(shù)據(jù)中不做體現(xiàn)，僅記錄通電、觸頭分離及觸頭打開的時間點。

由于每次試驗樣機的內(nèi)阻不同，電流大小無法控制得非常精準(zhǔn)，所以會存在一定的誤差，但基本控制在10%的工程誤差范圍內(nèi)。試驗瞬時脫扣時間如表2所示。

由表1、表2可知，在240 A電流作用下，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果基本保持一致，2臺樣機觸頭打開時長的誤差分別為5.41%與9.36%，在10%的工程誤差范圍內(nèi)。但在320 A電流作用下，樣機1與仿真結(jié)果較為接近，誤差在14.15%，樣機2產(chǎn)生了完全拒動的現(xiàn)象。拒動現(xiàn)象高速攝影圖如圖7所示。

該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：① ADAMS摩擦方程的缺陷，ADAMS提供的摩擦模型為解決非線性的問題，擬合了一條近似的曲線對庫倫摩擦力進(jìn)行擬合，與實際摩擦力存在較大差異［15］;② Maxwell以及ADAMS均采用離散時間對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合求解，會從本質(zhì)上產(chǎn)生誤差;③ 本次仿真僅對鎖扣件進(jìn)行了柔性化處理，其他構(gòu)件依然是理想剛體;④ 樣機之間可能存在較大的差異，尤其是U型桿與支持件之間的摩擦系數(shù)。

雖然樣機2的試驗結(jié)果與仿真差異較大，但仍較為準(zhǔn)確地預(yù)測了拒動現(xiàn)象的產(chǎn)生，因此此次仿真結(jié)果是較為可信的，可較好地模擬小型斷路器瞬時脫扣過程。

5 結(jié) 語

本文通過電磁仿真計算與剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真的聯(lián)合計算，提出了一種考慮脫扣頂桿的擊打速度與柔性變形的小型斷路器瞬態(tài)脫扣過程運動的計算方法。本文利用Maxwell 3D中的Circuit模塊與3D Transient模塊，計算得到了小型斷路器電磁模塊的瞬時脫扣動作特性，將結(jié)果導(dǎo)入ADAMS軟件中，計算得到斷路器的瞬時脫扣運動過程參數(shù)，并對脫扣過程進(jìn)行了高速攝影試驗驗證。結(jié)果表明，瞬時動態(tài)脫扣過程的仿真結(jié)果與試驗驗證結(jié)果基本一致，在240 A電流作用下，觸頭打開時長誤差在10%的工程誤差范圍內(nèi)。但在320 A電流下產(chǎn)生了與仿真不符的情況，造成該現(xiàn)象的原因可能在于ADAMS摩擦方程、碰撞函數(shù)的缺陷以及虛擬樣機仿真離散時間的積分誤差等，這是下一步工作的研究方向?？傮w來說，該仿真方法解決了傳統(tǒng)動力學(xué)仿真準(zhǔn)確度較低、可靠性不足的問題，為小型斷路器機構(gòu)的研發(fā)與設(shè)計優(yōu)化提供了一種可靠的虛擬樣機分析方法。

【參 考 文 獻(xiàn)】

［1］ 陳德桂， 李興文.低壓斷路器的虛擬樣機技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［2］ NOWAK L， KOWALSKI K.The 3D coupled tield-circuit simulation of transients in nonlinear systems［J］.IEEE Transaction on Magnetics，1996，32（3）：1078-1081.

［3］ REN Z， RAZEK A.A strong coupled model for analyzing dynamic behaviours of non-linear electro-mechanical system［J］.IEEE Transaction on Magnetics，1994，30（5）：3252-3255.

［4］ 許志紅.電器理論基礎(chǔ)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2014.

［5］ 耿立新， 胡義琴， 陳琳.電磁脫扣器瞬時動作特性的仿真分析［J］.電器與能效管理技術(shù)，2019（21）：33-37.

［6］ 蘇斌， 張超， 任萬濱.螺管式電磁鐵靜態(tài)吸力特性的實驗研究［J］.電器與能效管理技術(shù)，2023（1）：24-27.

［7］ 鄭一鳴， 錢平， 李晨， 等.磁控電抗器鐵心的磁力耦合有限元仿真與分析［J］.電力電容器與無功補償，2022，43（5）：50-56.

［8］ 汪橙紫.中壓真空接觸器電磁機構(gòu)的動靜態(tài)特性分析［D］.廈門：廈門理工學(xué)院，2016.

［9］ 黃仁燦.基于Maxwell的交流接觸器電磁系統(tǒng)優(yōu)化仿真［J］.電氣開關(guān)，2018，56（5）：48-52.

［10］ 徐小劍， 段偉.基于ABAQUS的汽車方向盤模態(tài)仿真與試驗分析［J］.上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2019，33（1）：31-34.

［11］ 邢壘壘.基于有限元仿真軟件的多剛體及剛-柔耦合分析在萬能式斷路器中的應(yīng)用［J］.電器與能效管理技術(shù)，2022（7）：80-85.

［12］ 徐黨國， 彭兆偉， 黃詩洋， 等.機械式直流斷路器用快速電磁斥力機構(gòu)設(shè)計仿真與優(yōu)化［J/OL］.高壓電器，1-10［2024-07-25］.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/61.1127.TM.20231117.0919.002.html.

［13］ 李軍.ADAMS實例教程［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

［14］ 方鴻發(fā).低壓電器及其測試技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1982.

［15］ 陳立平.機械系統(tǒng)動力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.