高速电磁斥力机构的基本原理与仿真分析

安德红，江壮贤



高速电磁斥力机构的基本原理与仿真分析

安德红1，江壮贤2

（1. 92118部队，浙江舟山 31600；2. 海军工程大学电气工程学院，武汉 430033）

混合型限流断路器是现代直流电力系统有效的短路保护设备，其中用于驱动高速限流断路器机械触头高速分闸的电磁斥力机构性能决定了混合型限流断路器的限流水平及分断的可靠性。分析了电磁斥力机构的工作原理，通过理论推导得到了电磁斥力的解析表达式，在此基础上得到其运动方程。介绍了电磁斥力机构的瞬态场有限元仿真方法，建立了1000 V/400 A样机的仿真模型，样机试验结果验证了理论分析与仿真计算的正确性，为电磁斥力机构的进一步优化设计打下坚实基础。

高速机械触头 电磁斥力机构 有限元仿真 混合型限流断路器

0 引言

近年来一种具备机械开关大通流能力和电力半导体开关快速、无弧分断特性的混合型限流断路器在直流短路电流的限流分断方面表面出优异的性能和潜力，成为直流断路器发展的一个新方向[1]。混合型限流断路器一般由高速机械开关和电力半导体开关并联组成，正常工作时电流从机械开关上流过，由于机械开关的接触电阻小，通流损耗低，因而通流容量大。而当电路需要分断或出现短路故障时，机械开关迅速打开，电流从机械开关转移至电力半导体开关支路，由功率半导体完成电流的无弧分断。由于功率半导体的动作速度快，可以在短时间内分断短路电流，因而如何提高触头机构的反应速度使其在接到分断信号后尽快使机械开关分离将电流转移至半导体支路，以及如何提高机械开关在分离初期的运动速度使开关在半导体支路关断短路电流时有足够的空气间隙承受关断过电压的冲击，成为混合型限流断路器高速机械触头机构研制的关键。

为了达到快速反应、高速运动的目的，机械开关触头一般采用高速电磁斥力机构驱动。电磁斥力机构利用电磁感应原理动作，反应迅速、传动过程直接[2-7]，在一些需要高速动作的触头机构中已得到广泛应用，如新型混合型断路器[8]、高速真空断路器[9]、新型混合式超导限流器[10]等等。

电磁斥力机构在动作过程中涉及了电路放电、电磁感应和机械运动等多个相互耦合的子过程，该过程中斥力金属盘与斥力线圈的相对位置不断变化，它们之间的互感也不断变化，其动态过程的解析求解困难很大。文献[11]运用电路理论对斥力机构中放电回路电阻及动盘初始电感对动盘运动特性的影响，以及包括动盘质量在内的斥力机构主要机械参数之间的关系进行分析，并指出斥力机构能达到的最大效率约为30％。文献[12]利用基于时间和位移的双层循环离散迭代算法计算了高速电磁斥力机构的运动情况并对不同机械参数对斥力的动态性能的影响进行分析，从而得到电磁斥力机构的优化以简设计原则。

1 原理分析

高速电磁斥力机构原理如图1所示，包括由电容C、晶闸管T、二极管D构成的储能脉冲放电电路、扁平的斥力线圈和金属斥力盘三个部分组成。机构未动作时，金属斥力盘位于斥力线圈上方，靠近线圈放置，电容通过外电路预先充电储能；开关动作时，通过给晶闸管T触发信号使其导通，预先储能的脉冲放电电路对斥力线圈发出脉冲电流，脉冲电流通过斥力线圈产生的脉冲磁场在斥力金属盘上感应涡流，方向与脉冲电流相反，两者产生的脉冲磁场相互作用，在斥力金属盘上形成巨大的电磁斥力，通过连杆带动机械开关动触头高速分闸。

图1 电磁斥力机构工作示意图

2 斥力机构数学模型

图2所示为电磁斥力机构等效电路，储能电容C与斥力线圈构成脉冲放电回路，产生脉冲电流i，R、L分别为斥力线圈电阻与自感。斥力盘可视为等效的感应回路，形成感应电流i，R、L分别为其电阻与自感；记M为斥力线圈与斥力盘间的互感，其耦合程度与两者的距离关系密切，在机构动作过程中，随着斥力盘的运动，距离越来越大，互感M越来越小。

图2 电磁斥力机构等效电路

由图2可得到电磁斥力机构驱动回路与感应回路基本电路方程，

根据文献[10]的推导结果，高速电磁斥力机构动作时，电磁斥力的表达式为：

3 有限元理论及ansoft仿真方法

有限元仿真是采用数值计算的方法对模型微分方程进行求解，随着计算机性能的提高和有限元法的发展，限元仿真计算方法在工程领域得到广泛的应用，商业化的有限元仿真软件已囊括各工程领域，甚至出现集成不同学科的多场耦合的计算软件。目前对于电磁场的有限元仿真计算来说，Ansoft是使用最广的一种软件。Ansoft Maxwell 是世界著名的商用低频电磁场有限元软件之一，在各个工程电磁领域都得到了广泛的应用，它基于麦克斯韦微分方程，采用有限元离散形式，采用先进的算法，将工程中的电磁场计算转变为矩阵求解。选用ansoft中的2维瞬态电磁场运动仿真功能，对电磁斥力机构进行仿真计算，具体仿真分析过程如下：

1）分析电磁斥力机构模型，在对模型进行适当简化的基础上，建立其2维轴对称几何模型；

2）根据实际情况，对电磁斥力机构部件赋以对应的材料属性；

3）边界条件的选择以及以实际相应的脉冲放电电路的建立，其中斥力线圈电感应与电路计算耦合；

4）对电磁斥力机构的机械特性赋值，如负载力、弹簧弹性系数、运动部件等效质量、运动边界等参数。

5）设定模型的计算时间、计算步长等动态参量，最后进行有限元的网格剖分。

在完成上述5个步骤之后，就可以开始对模型进行有限元求解，求解所用时间与模型的复杂程度、网格数量、总步数等关系密切，可根据计算精度要求与计算机的性能进行适当调整。

4 仿真建模与试验验证

为了验证仿真分析的可行性与正确性，课题组设计了1000 V/400 A混合型限流断路器中的高速电磁斥力机构样机，根据样机实际参数建立仿真模型。

样机的机械参数：斥力外半径40mm、内半径5 mm、厚度4 mm、运动部件质量0.45 kg，其中动盘质量0.1 kg；斥力线圈匝数20匝、外半径40 mm、内半径10 mm、线宽度1 mm、线厚度2mm，动盘与斥力线圈的材料为紫铜、它们之间的初始气隙1 mm；放电路参数：电容100 µF，初始电压1000 V。

图3是对样机的二维轴对称建模后网格划分的结果，考虑到计算的时间对于不同区域用不同大小的网格进行划分，对于计算区域和运动区域用较大网格，斥力盘与斥力线圈用小网格。

图3 机构样机仿真模型

采用与仿真对应的电路参数，对高速电磁斥力机构进行动作试验，监测放电电流波形与斥力盘运动特性曲线，并将试验结果与仿真计算结果进行对比，如图4所示。显然，仿真数据能够很好地反映机构样机的实际动作性能，因此基于图3的仿真模型是可信的。

从图4结果可知，采用100 μF斥力电容充电1000 V对1000 V/400 A电磁斥力机构放电产生脉冲电流峰值2.7 kA，峰值时间50 μs，可在1 ms内将形成1 mm触头开距。

人之行，莫大于孝。我们为信仰、为主义勇于牺牲自己，包括生命在内的一切，但我们始终没有忘记生我们养我们的父母，同志们今天所付出的一切，都是为了让我们的父母，还有未来的父母们活得更阳光，更有尊严。但在理想实现之前，注定我们是牺牲的一代人，国难当前，我们无法亲恭奉养我们的父母，甚至明天，或者今天我们就将牺牲在生我们养我们的土地上，但我们后悔吗？”

5 电磁斥力机构的磁场分析

图5所示为电磁斥力机构在斥力最大时的磁力线分布图，由图5可以看出紫铜盘具有很强的祛磁能力，在该时刻斥力线圈产生的磁场几乎没有能够穿过它的。这是因为电磁斥力机构在斥力为最大值时紫铜盘中的反向涡流也为最大，它产生的反向磁场阻止了斥力线圈产生磁场的磁力线从铜盘中间穿过，而这也是电磁斥力产生的原因。

从图5还可看出，斥力线圈产生的磁场大部分经空气形成磁回路，而由于空气的磁阻很大，所以斥力线圈产生的能量大部消耗在空气中，极大地降低了机构的效率。

为提高电磁斥力机构效率，可对机构增加导磁回路以减少机构能量在空气中的损耗。在已建模型中加入导磁回路，材料为高导磁率的电工纯铁，并对磁场进行分析，如图6所示。

由图6看出，增加磁路之后斥力线圈产生的磁力线大部分由磁路通过，由于磁路的材料选用具有高导磁率的电工纯铁，因而磁场能量在其中的消耗很少，大部分作用于铜盘产生斥力，机构的作用效果得到增强。图7为两种条件下斥力的仿真结果，从图中可以看出增加磁路后斥力盘所受斥力峰值由7.9 kN增加到9.6 kN，峰值增加21%，效果好于未加磁路的情况。

图7增加磁路后机构斥力对比

6 结论

1）推导出电磁斥力的计算公式，在此基础上得到电磁斥力机构运动方程；

2）建1000 V/400 A电磁斥力机构有限元仿真计算模型，实验验证了仿真计算的准备性。

3）分析了电磁斥力机构的磁场分布，采用增加磁路的方法减少机构能量损失，可将同等条件下斥力峰值提高21%。

参考文献：

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[10] 毛海涛, 陆恒云. 快速电磁斥力机构的有限元分析[J]. 高电压技术, 2009,35(6): 1420-1425.

[11] 江壮贤, 庄劲武, 王晨, 等. 基于电磁斥力原理的高速触头机构仿真分析与设计[J]. 电工技术学报, 2011, 26(8): 172-177.

Basic Principle and Simulation Analysis of High Speed Electro-magnetic Repulsion Mechanism

An Dehong1, Jiang Zhuangxian2

（1. Unit No. 92118 of PLA, Zhoushan 31600, Zhejiang, China; 2. Department of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China）

TM561

A

1003-4862（2016）08-0001-04

2016-03-10

国家自然科学基金(51207166)

安德洪(1982-)，男，工程师。专业方向：舰船电气。