电磁斥力机构设计及试验研究

2022-08-17任志刚

船电技术 2022年8期

邹顺，李杰，任志刚

电磁斥力机构设计及试验研究

邹顺，李杰，任志刚

（船舶综合电力技术重点实验室，武汉 430064）

为了提高快速断路器的驱动机构动作性能，采用Ansoft和ADAMS联合仿真以得到合适的设计参数。介绍了电磁斥力机构工作原理、数学模型及双稳态弹簧保持装置，对电磁斥力机构分别进行了电磁场和动力学仿真分析。研究了不同驱动电压以及不同储能电容容量对电磁斥力机构运动特性的影响。通过对比试验数据，得出驱动电压越高，触动时间越短；电容量越大，运动时间越短的结论。本文研究方法对其他类型操作机构的设计具有一定的参考意义。

电磁斥力机构双稳弹簧虚拟样机

0 引言

未来舰船电力系统主要发展方向为中压直流电力系统，相比于传统舰船电力系统，其容量将大幅度提升，额定电流更大、线路阻抗更小[1]。

一般情况下，中压直流断路器要求快速机构驱动真空灭弧室高速运动，对产生的短路电流限流分断。中压直流断路器的主要性能直接呈现于断路器的动静触头的分闸、合闸动作时间和动作速度上，因此操动机构的性能好坏会直接影响断路器的工作稳定性和可靠性[2]。

1 电磁斥力机构方案设计

弹簧操动机构或液压操动机构，其零部件较多，机械系统尤其是各零部件之间的相对运动关系复杂，导致动作的分散性高，可控性差，响应速度慢，难以实现同步动作。虽然永磁操动机构零部件及连接机构少，动作的分散性小，可控性高，能满足同期性的要求，但当操动机构的电气性能参数、机械特性参数以及运行条件或所处的环境发生变化时，动作分散性将难以保证。电磁斥力操动机构结构简单、运动部件少、响应时间短、运动速度快，运动精度更高，运动分散性小，在满足同期性要求的同时，环境适应性更好，可靠性高[3]。

1.1 电磁斥力机构工作原理

电磁斥力操动机构的工作原理为：当收到系统发出的分闸信号后，开关K闭合，预先已储能的电容对分闸线圈放电，产生持续几个毫秒的脉冲电流，在此脉冲电流的作用下，分闸线圈周围产生了瞬态磁场，同时金属斥力盘中感应出与线圈电流方向相反的涡流，因而在线圈与斥力盘之间产生了电磁斥力，该电磁斥力推动着金属斥力盘快速运动，并通过连杆驱动联动保持机构进而使真空灭弧室中的动触头运动，从而实现快速分闸操作[4]。合闸操作与此类似。

图1 电磁斥力操动机构工作原理

1.2 电磁斥力操动机构数学模型

电磁斥力操动机构可等效为两个圆盘状线圈回路间的相互作用，如图2所示：左侧是由储能电容C与分闸线圈构成的驱动回路，即产生脉冲电流1，分闸线圈电阻与自感分别记作1、1；右侧是由斥力盘的等效线圈构成的感应回路，即形成感应电流2，“斥力盘线圈”电阻与自感分别记作2、2；由于分闸线圈与斥力盘开距小，且斥力盘为金属导体，那么两盘状线圈间必然存在磁耦合，即为两线圈互感[5]。

图2 电磁斥力操动机构等效电路

可得到电磁斥力操动机构驱动回路与感应回路的基本电路方程:

式中

为了求解机构变量，还需建立电磁斥力操动机构的解析式以及机械运动方程。电磁斥力的解析式为：

式中d/d为互感随开距变化率。此外，机构的机械运动方程如下，包括加速度、速度以及位移：

1.3 双稳弹簧保持装置设计

电磁斥力机构中采用的双稳弹簧保持装置结构图见图3，当电磁斥力机构在合位分闸时，在oa过程中双稳弹簧保持装置是起阻力作用，而ab过程则为分闸提供作用力，在整个过程所受的力均为非线性力如式（5）；在分位合闸时则与之相反[6]。双稳弹簧保持装置保持力如下所示：

式中：k为弹簧弹性系数；s为金属盘运动位移；x0为连接杆处于水平位置时弹簧的被压缩量；l0为连接杆长度，H为动杆从合闸位置至连接杆处于水平位置，垂直方向距离，即图中oa距离；n为分散均布弹簧支路数。

2 电磁斥力机构虚拟样机技术

2.1 电磁斥力机构电磁场仿真分析

电磁斥力机构运动速度快，运动部件动能大，会产生较大的操动冲击和弹跳，研究适用于高速驱动条件的缓冲和保持技术，是提高电磁斥力操动机构可靠性并应用于工程实际的重要问题。电磁斥力机构采用磁分路结构，将电磁斥力操动机构的斥力盘和驱动线圈外围通过高磁导率的铁磁材料进行封装和固定，提高电磁斥力机构驱动回路能量转换的效率；采用缓冲系统实现触头在短开距要求和高速分断情况下的有效缓冲，减小触头分合闸回弹。

此外，电磁斥力机构的驱动过程涉及电能–磁能–动能的转换，为此采用Ansoft对电磁斥力机构进行电磁场仿真分析得到电磁斥力，再将得到的电磁斥力导入ADAMS作为驱动力对运动部件的分闸过程进行动力学仿真，验证分闸过程的可靠性及运动部件的位移和速度等。通过Ansoft和ADAMS联合仿真得到合适的设计参数，指导电磁斥力机构的设计。

电磁斥力机构在Ansoft中建立的电磁场分析模型如图4所示，外部激励电路模型如图5所示。仿真分析得到电磁斥力机构驱动回路电流如图6所示，电磁斥力机构电磁力如图7所示。

图4 电磁斥力机构电磁场分析模型

图5 电磁斥力机构外部激励电路

2.2 电磁斥力机构动力学仿真分析

虽然ADAMS自身具备建模功能但电磁斥力机构结构复杂，为此将电磁斥力机构模型导入ADAMS中进行分析然后再对模型进行简化，保证仿真模型中所研究的运动部件的质量、质心位置、转动惯量与实际相同，不影响所研究部分的运动。将Ansoft仿真得到的电磁力在ADAMS中通过AKISPL插值函数拟合作为输入条件加载在斥力盘上作为驱动力。

图6 电磁斥力机构驱动回路电流

图7 电磁斥力机构电磁力

定义各零件属性，确定运动约束关系，施加载荷，然后进行动力学仿真得到电磁斥力机构位移曲线和速度曲线。

图8 电磁斥力机构位移曲线

电磁斥力机构动力学仿真分析的结果可以看出，电磁斥力机构最终可靠分闸。

图9 电磁斥力机构速度曲线

3 电磁斥力机构动作特性试验

3.1 电磁斥力机构试验回路搭建

电磁斥力操动机构利用脉冲放电电流通过盘状斥力线圈时，与金属斥力盘中感应涡流产生斥力，从而推动动触头快速动作。通常，斥力线圈可看作是由多个导电圆截面相同、半径不同的同轴圆环线圈串联而成。脉冲电流由斥力线圈外接线路中的电容放电产生，为延长斥力的作用时间，斥力线圈两端并联一个二极管，构成续流回路。

机构分为两部分：外电路和机构本体部分。外电路为分合闸盘式线圈供电，其拓扑结构如图；供电回路如图所示，HV为高压充电电源，用于为储能电容充电；K1为高压接触器，用于充电回路的接通和断开；R1为充电电阻；C为储能电容；D1为续流二极管；TVS1是真空触发间隙，用于导通或关断盘式线圈中电流；L1为线圈电感；L2为斥力盘等效电感；M为两者间互感，R2为斥力盘等效电阻。

图10 电磁斥力机构等效试验电路

3.2 电磁斥力机构参数对比试验

3.2.1驱动电压对分闸动作时间的影响

保持电磁斥力机构储能电容容量不变，改变充电电压得到电磁斥力机构分闸运动特性数据，分析驱动电压对触动时间和分闸动作时间的影响：

图11 电磁斥力机构驱动回路典型波形

通过高速摄影仪拍摄记录电磁斥力机构分闸运动过程，进而得到分闸到位所需时间。

图12 电磁斥力机构分闸运动过程

表1 储能电容100 mF不同驱动电压的运动特性

从以上试验结果可以看出，随着驱动电压的增加，触动时间虽随着驱动电压的增加而减小，但是当电压上升到一定程度后触动时间减小的效果并不明显；随着电压的上升储能电容储存的能量更多，运动时间随着电压的增加有较为明显的降低。当驱动电压上升到一定程度时，通过改变驱动电压方式来减小触动时间，难以获得理想的效果。但是运动时间有较理想的改善。

3.2.2不同储能电容值对分闸动作时间的影响