基于ANSYS的低压断路器电动斥力计算分析

文／杭州之江开关股份有限公司 戴水东 洪黎欢

0 引言

在传统的塑壳断路器设计与生产工艺中，触头预压力的确定主要是通过各种经验数据计算和参数指标摸底实验进行测仿，而采用有限元分析的较少。产生的弊端一是产品研发的材料成本和试验成本大，二是开发的周期时间长。在现在的市场竞争和工程实践中，必须引进和应用有限元分析来提高设计速度，减少试验费用，提高断路器的可靠性。

1 模型处理

本次电动斥力的计算是通过ANSYS有限元软件来分析求解的。首先我们将塑壳断路器动静触头的实体模型导入到ANSYS中，可得到如图1所示的模型。

由于实体模型包含了大量对电动斥力计算无关和不利于有限元网格剖分的细节，必须经过适当的加工处理，以减少计算量，提高计算效率和计算结果的精度，为此有必要对原始模型进行处理。由于模型具有对称性，因此在电动斥力计算中只取其一半的模型，如图2所示。

为了避免在对模型的剖分过程中出现过小的单元，将原模型带有倒角的地方处理成直角，并将部分圆孔填充；同时删除了对计算没有影响的绝缘垫片。将图2的计算模型进行有限元网格剖分，可以得到磁场计算时所需的有限元模型，如图3所示。

2 计算步骤

计算可分三步进行:

2.1 静态电流分布分析

在动触头的A端面加一电压并流入电流，在静触头的B端面加零电压并流出电流，具体如图4所示。

当电流为6kA时的载流导体中的电流密度分布如图5所示。具体流程序如下所示:

图1 实体模型

图2 电动斥力计算模型

图3 有限元模型(不含空气、删片)

图4 ANSYS中的有限元模型添加电流场的边界条件

图5-1 载流导体在电流为6KA时电流密度分布

图5-2 载流导体在电流为6KA时电流密度分布

2.2 磁场分布计算

为了对磁场分布进行计算，需要定义空气边界，包裹载流导体和铁磁栅片，并对整个模型进行剖分后，施加磁力线平行边界条件和垂直边界条件，如图6所示。图7为电流为6kA时的磁感应强度分布图。

我们计算的电动斥力由两部分组成，包括动触头所受的回路洛伦兹力(本次计算只有Y方向的力)和动静触头间因电流收缩而产生的Holm力。

计算得到磁通分布后，就可以利用下面的公式(1)-(3)计算动导电杆所受回路电动斥力:

式中,Fi为回路电动斥力、Ji为电流密度、Bi为磁感应强度、v为体积,l为动触头电流流入端到触头中点的距离。电动斥力由回路电动斥力和Holm力组成，通过该式子计算得回路电动斥力。

由于动静触头在宏观环境下的面接触实际上在微观下仅仅是点接触，在这些接触点上就会造成电流收缩集中，从而产生Holm力，其本质仍然是电动斥力，该力的计算公式为:

式中FH是动触头所受Holm力，μ0为真空中的磁导率，R为触头半径，根据计算可是R=3.53mm；r为接触点半径,通过计算知，r＝1.572mm；ξ是触头接触系数，取值范围为0.3～0.6，通常取0.45,H为触头材料的布氏硬度，对银材料为900N/mm2，FK为触头预压力。在本次计算中，设定FK分别为2N和4N。

以1000A电流、触头预压力为2N时的计算电动斥力为例，其计算过程如下:

3 计算结果与分析

在不同电流下，利用公式 (1)- (3)计算动触头所受电动斥力力矩和归算到动触头中心的电动斥力，计算结果为旋转双断点MCCB每一侧的动触头所受的力，如表1所示。

表1 不同电流下的电动斥力计算结果 单位:N

图6 ANSYS中的有限元模型添加磁场的边界条件

图7 电流为6kA时的磁感应强度分布2.3 计算电动斥力

图8 电流－总电动斥力

4 结语

通过对塑壳断路器在不同的触头预压力下运行ANSYS有限元分析，可提高设计人员对产品工作特性理论分析能力，并可提高断路器自主设计能力，推动断路器虚拟样机设计技术的发展。基于ANSYS的断路器电动斥力计算分析，可获得详实的数据，结果较为准确。

[1]阎照文.ANSYS工程电磁分析技术与实例详解.北京:中国水利水电出版社,2006.

[2]刘国强,赵凌志,蒋继娅.Ansoft工程电磁场有限元分析.北京:电子工业出版社,2006.

[3]夏天伟,丁明道,电器学.北京:中国机械工业出版社,2000.