一种断路器操作机构的直流螺管电磁铁的有限元设计

2010-07-03李广黄中马子文

船电技术 2010年3期

李广黄中马子文

(中国船舶重工集团公司712研究所，武汉 430064)

1 引言

传统断路器通常以电动机为动力源，带动操作机构实现断路器合闸动作，并通过弹簧储能机构进行保持，保证断路器的触头压力。在应用中经常出现电动机驱动力小，断路器合闸不可靠的现象，对电力系统保护存在隐患。电动机的改造和调整均不方便且成本较高。目前已经出现用电磁铁代替电动机的技术趋势，不仅完全适用断路器的工作要求，而且结构简单，调节方便。本文以ZDS断路器为使用对象，采用有限元法建模分析计算了直流螺管电磁铁的静态磁场、静态吸力特性，为直流螺管电磁铁在断路器操作机构中的应用进行了研究实践。

有限元法被广泛应用于设计研发的前期阶段，能就其所被使用的系统进行精确计算及性能预测。有限元法一个明显的优点在于其建模的灵活性，能够很好地处理具有任意复杂形体地媒质分布问题，对一些用传统方法无法获得解析解的问题，较容易得到精度很高且满足工程实际应用需要的数值解。利用有限元法对电磁铁磁场进行分析已经成为工程领域中必不可少的手段。

2 直流螺管电磁铁的设计

2.1 电磁铁的设计输入和结构型式选择

（1）设计对象直流电磁铁是取代原来 ZDS断路器中的电动机使用，ZDS断路器中的传动机构简图见图1，机构的运动量保持不变。

图1 ZDS断路器中的传动机构简图

由此确定了电磁铁结构型式为螺管式结构，直动吸入式，立式安装，最大工作行程18 mm，且电磁铁的外形尺寸要求：直径小于 110 mm，长度小于120 mm。

电磁铁在ZDS断路器中工作原理为：在合闸线圈通电后，动铁心上移吸合，带动连杆驱动传动机构使断路器合闸，合闸信号使线圈断电后，动铁心及传动机构因重力作用下落复位，不会影响断路器分闸动作并为下次合闸做好准备。

（2）ZDS断路器合闸时负载特性曲线，见下图2：

图2 ZDS断路器合闸时负载特性曲线

电磁铁吸力特性应尽量匹配断路器的负载特性。

由图2知，电磁铁在动铁心工作行程内应吸力较大且特性较为平缓。采用盆式磁极机构及变截面磁分路，合理设置盆边高度和厚度，并将动铁心端头设计成截锥形，可以显著消除电磁铁吸力特性曲线的下凹部分而变得平滑起来。其结构截面如图3所示。上、下端盖，动铁心均选用电工纯铁DT4的棒料。

盆式磁极机构中，动铁心端面在整个行程中，始终在挡铁的盆形内腔滑动，减少了工作气隙磁阻，同时底盖外套和动铁心形成的非工作气隙由于内套的圆柱形表面积很大而使非工作气隙磁阻也很小。这些都使这种电磁铁所需的激磁安匝较小，铜铁材料的消耗比其他型式螺管电磁铁要少。

图3 直流螺管电磁铁截面图

2.2 磁场计算

螺管电磁铁的磁场分布为轴对称场。根据静态场的麦克斯韦尔方程组，可推导出轴对称场的非线性泊松方程，采用圆柱坐标可得：

式中：Aa—矢量磁位的方向向量；µ—媒质的磁导率；i、N、Sc—分别为线圈电流、匝数及铜占面积。

边界əΩ为电磁铁外轮廓线及轴对称线。

2.3 电磁力计算

根据麦克斯韦尔理论，磁场对某一媒质空间的作用力可以通过计算包围该媒质的任一封闭面上的电磁应力的面积分而得到，即

在轴对称场中，径向合力为零，即 Fr＝0，故某一媒质空间所受的作用力为轴向力FZ，求解（3）得：

取动铁心外表面为积分闭合面，应用式（4）即可求出动铁心所受电磁吸力。

3 有限元计算及分析

3.1 网格划分

由于机构为轴对称结构，为减小计算量，将直流螺管式电磁铁简化为二维轴对称模型，并进一步忽略涡流和非工作气隙磁阻影响，实践表明，这不仅大大降低了计算工作量，而且对设计计算的精度影响不大。

为了仿真计算直流螺管式电磁铁的动态特性，需要计算动铁心不同位置的吸合力，计算动铁心、磁缸、上下端盖内部的磁场饱和情况，因此采用了ANSYS的参数化编程语言APDL进行建模。图2为有限元网格剖分图。网格单元数为23602，节点数为71421。

3.2 边界条件

载荷给元导体加电流，在 2D分析中，只有xOy坐标平面的法线方向J的轴分量有效。对绕线型线圈来说，电流一般是均匀分布，通常直接将源电流密度载荷加给单元，源电流密度载荷计算公式为：

式中：h—线圈高度（设计参数）；b—线圈厚度（设计参数）；k—线圈填充系数；N—线圈匝数；I—线圈电流。

3.3 计算结果

根据 2.1的负载特性、外形尺寸、工作行程等要求，在充分利用现有条件的基础上，给出图3所示结构尺寸设定值：dc＝70 mm，α＝45°，且h＝25 mm，d1＝16 mm；并设定充电电压 U＝DC220 V，充电电流I＝60 A，计算出线圈匝数N＝344，线圈R＝2.67 Ω，线圈绕线直径d0＝1.05 mm。

图4 有限元网格剖分图

由以上数据建立有限元模型，通过有限元软件分析计算，可得到电磁铁的磁力线分布图(动铁心合闸过程的三个位置，工作气隙18 mm)，如图4所示。

4 直流螺管电磁铁结构参数优化

直流螺管电磁铁的结构型式确定以后，各部分的结构参数的确定也是一个关键性问题。实质上就是为了更好地满足负载特性、整个磁路不出现过饱和、采用更具现场条件的线圈电压和电流，需要对动铁心直径、上端盖的盆式磁极的结构参数等进行优化。因为一套合理的结构参数，是直流螺管电磁铁能够达到良好性能指标的基础。

以下将磁极的两个结构参数（磁极高度 h，磁极端部直径d1）作为设计变量，有限元仿真得到的吸力数据和特性曲线如下。

⑴ 磁极高度h为变量（d1=16 mm）时，电磁铁吸力特性曲线如图6a。

⑵ 磁极端部直径d1为变量（h=25 mm）时，电磁铁吸力特性曲线如图6b。

分析以上两个表格数据及图6a、图6b曲线，可知：当d1和α相同时，随着磁极高度h的增加，电磁铁的吸力特性越趋平缓，但在h达到25 mm后电磁铁吸力曲线平缓度变化不大；当h和α相同时，随着磁极端部直径d1的增加，电磁铁的吸力特性越趋平缓。

图6 a 磁极高度h为变量时电磁铁的吸力特性曲线

图6 b 磁极端部直径d1为变量时电磁铁的吸力特性曲线

故选取磁极高度 h＝25 mm，磁极端部直径d1＝16 mm，磁极锥形表面倾斜角α＝45°，为优化设计结果。其电磁吸力特性为图6b中最下面那条曲线。图7为本次仿真设计优化的磁感应强度分布图。

以上优化设计结果，完全满足ZDS断路器操作机构用直流螺管电磁铁的设计要求。

5 结束语

本文以ZDS断路器为适用对象，通过磁场有限元分析，采用基于ANSYS的参数化编程方法，设计了一种直流螺管电磁铁，将断路器电动驱动方式由传统的电动机驱动变为电磁铁驱动。计算了直流螺管电磁铁在不同结构参数下的磁力线分布情况、线圈参数，最后根据仿真结果对电磁铁的盆式磁极的结构参数进行了优化，得到对应的电磁吸力特性曲线，确定了最终的直流螺管电磁铁设计结果。本文采用的方法为螺管直流电磁铁的优化设计提供了一种有效分析手段，对其在断路器上的研发应用具有参考价值。