电磁斥力机构触动时间研究

姜 楠，任 萍



电磁斥力机构触动时间研究

姜 楠，任 萍

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064）

本文在Ansys Workbench中，结合Maxwell 2D与Mechanical模块对电磁斥力机构的瞬态运动过程进行了联合仿真，完成了电磁斥力计算，并将电磁斥力作为载荷对电磁斥力机构进行了瞬态动力学分析，得到了电磁斥力机构传动部件在瞬态动作过程中的应力应变，提取了动触头处的位移曲线，得到了电磁斥力机构的触动时间为210 μs，计算结果与试验结果220 μs的误差为4.5%，可以满足工程设计需要，为电磁斥力机构触动时间的计算提供了一种方法。

电磁斥力机构 触动时间 计算方法

0 引言

随着直流电力系统的发展，中压混合式直流断路器（以下简称混合断路器）得到了大量的研究，混合断路器在短路故障时快速分离触头，并在触头达到一定开距下投入反向脉冲电流强迫触头电流过零，在短路电流上升阶段，完成限流分断。混合断路器具有限流分断的特性，可降低电力设备的设计要求和设计难度。

混合断路器关键技术之一是电磁斥力机构，减小电磁斥力机构的触动时间，可以使得混合断路器在更小的电流下分离触头以及投入反向电流，对于减小混合断路器的体积和重量有重要的作用[1-2]。

电磁斥力机构具有结构简单、动作迅速、动作分散性小的优点，其基本原理示意图1所示。

当接到操作命令时，预充电的储能电容向励磁线圈放电持续几毫秒，与励磁线圈相邻的金属斥力盘产生感应涡流；励磁电流与感应涡流作用产生电磁斥力，推动斥力盘及传动轴运动。

电磁斥力机构虽然结构简单，但是其物理过程涉及到电磁场与涡流场以及运动的复杂耦合，如何准确地计算电磁斥力机构的触动时间是电磁斥力机构设计的难点之一，本文通过在ANSYS中进行仿真分析，并进行试验验证，得到了计算电磁斥力机构触动时间的一种仿真分析方法。

1 触动时间仿真计算

1.1电磁斥力计算

电磁计算模型如图2所示，采用二维轴对称模型，需要考虑模型中运动部件在电磁力作用下的实际位移，所以在电磁模型中需要添加一层空气域，包裹住所有运动物体，该空气域在Maxwell中称为band。这就要求斥力盘与线圈外侧的环氧不能完全贴紧，故在计算时留出0.5 mm缝隙。考虑到band内实际运动的物体为多个，且材料不同，就需要在band内部再加入一个小型空气域，实现多体的联合运动。

如图2所示，左侧图形深红色部分为运动体，右侧图为带有空气域的整体计算模型。

图2 Maxwell计算模型

整个运动部件受到的电磁力如图3所示。

1.2瞬态动力学分析

在Mechanical模块中建立结构有限元模型，并设置接触对、反力弹簧等，瞬态动力学分析模型如图4所示。

然后进行网格划分，整体网格尺寸为0.5 mm，采用自由网格划分方法。由单元统计中显示单元质量柱状图，如图5所示。

从图5可以看出，单元质量系数偏向于1，平均单元质量为0.966。表示单元质量非常好。

图3运动部件受力

图4瞬态动力学分析模型

图5单元质量柱状图

通过Imported Load来实现Maxwell计算的电磁力传递至Mechanical，导入Body Force Density，指定运动件为电磁力的接收体，作为结构分析的外载荷。

从图3中可以找出，几个特征时刻点，见表1。电磁力载荷曲线发生三次波动——三次载荷峰值时刻和三次载荷回零时刻。载荷曲线的上升和下降基本呈现线性特点。

在Mechanical中导入这些特征时刻的载荷数据，其他时刻的载荷采用软件自带的斜坡载荷进行线性插值。斥力盘电磁力在=0.13 ms时刻的载荷矢量图如图6所示。

表1 Maxwell电磁力曲线特征时刻点

图6斥力盘电磁力在=0.13 ms时刻的载荷矢量图

完成仿真后，提取触头的局部位移随时间的变化曲线，如图7所示。

图7 触头的局部位移随时间的变化曲线

从图7的曲线可以看出，运动开始时的一段时间内触头并未发生明显的运动，这段时间即为电磁斥力机构的触动时间。通过提取曲线中的数据。触头运行量为0.01 mm时对应的时刻为210 μs，此时触头的平均速度为0.382 m/s。

2 试验分析

对实际样机进行触动时间测试，测试结果如图8所示，图中，曲线1为线圈电流波形，曲线2下降沿表示动、静触头分离时刻，曲线3为电容电压。从图中可以看出，从线圈投入电流到动、静触头分离时间约为220 μs。仿真结果与试验结果的误差为4.5%，由此可见，仿真计算精度可以满足工程设计需要。

图8 电磁斥力机构触动时间测试波形

3 结论

通过ANSYS建立电磁斥力机构的有限元模型，仿真分析电磁斥力机构传动部件在瞬态动作过程中的应力应变并提取动触头处的位移曲线，可以得到了电磁斥力机构的触动时间，通过与试验对比，可见触动时间的计算值与试验结果的误差为4.5%，可以满足工程设计需要。

参考文献：

[1] 王子建, 何俊佳, 尹小根, 陆佳政, 惠东, 张汉明. 基于电磁斥力机构的10 kV快速真空开关. 电工技术学报, 2009, 24(11): 68-75.

[2] 孟军. 快速斥力机构的设计与应用研究. 山东大学硕士学位论文, 2010．

Research on the Triggering Time of the Electromagnetic Repulsion Mechanism

Jiang Nan, Ren Ping

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM153

A

1003-4862（2016）10-0028-03

2016-03-28

姜楠(1988-)，男，硕士。研究方向：开关电器。