舰用塑壳断路器电磁脱扣器的优化_数学_自然科学_专业资料。舰用塑壳断路器电磁脱扣器的优化 王芝恩 1，沈海鹰 2，李孜 1，王凯 1 【摘 要】[摘要]针对普通工频断路器用于 400Hz 条件下的舰船上不能通断问题， 采用了基于磁路和基于磁场的分析方法，对额
舰用塑壳断路器电磁脱扣器的优化 王芝恩 1，沈海鹰 2，李孜 1，王凯 1 【摘 要】[摘要]针对普通工频断路器用于 400Hz 条件下的舰船上不能通断问题， 采用了基于磁路和基于磁场的分析方法，对额定工作电流为 25A 的断路器的脱 扣器进行了研究。建立了脱扣器的三维模型，在有限元分析软件 ANSYS 中进 行静态电磁仿真分析计算，找出了工频脱扣器不能正常脱扣的因素，并根据影 响因素和实际工作经验，对原有的脱扣器进行了优化设计，仿真的结果得到了 实验验证。 【期刊名称】农业装备与车辆工程 【年(卷),期】2019(057)001 【总页数】4 【关键词】[关键词] 频率变化；舰用断路器；电磁脱扣器；ANSYS 有限元分析 修回日期:2018-05-18 0 引言 舰用塑壳断路器在当今舰船电站设备，电力系统中具有极为重要的地位，使用 量很大，涉及的也很广。航海航空领域的稳步进步，对低压电器的安全性、功 能、性能提出了更高的要求。 类似航海航空等特殊的领域上，由于使用环境和供电方式的特殊性，我国海军 装备用的大多是中频 400 Hz 进行供电[1]。相对于工频频率，频率的的改变带 来了一些问题。比如将普通工频电磁断路器直接用在 400 Hz 的环境中会有脱 扣器电磁吸力不足，电磁脱扣器不能正常脱扣的问题。因此对短路脱扣器的优 化有着重大的意义。采用基于磁路和基于磁场的分析方法，对额定电流为 25 A 的断路器进行研究。建立脱扣器的的三维模型，在有限元分析软件 ANSYS 中 进行电磁力计算分析，根据仿真分析的结果和实际工作经验，实现对电磁脱扣 器的优化设计。 1 电磁脱扣器 1.1 电磁脱扣器结构 低压电磁脱扣器是低压电器的组成部分，开关电器的性能和脱扣器设计的好坏 有着密切的关系。电磁断路器的操作机构是典型的瞬时脱扣器。它由磁轭、动 铁芯静铁芯、反力弹簧、线圈组成，是一种电流型电磁铁，它的线]。本文采用额定运行电流为 25 A 的瞬时脱扣器为研究对象。目前短 路脱扣器如图 1 所示的圆柱台阶式结构。因为空气气隙与弹簧的反力呈线性的 关系，所以在本文的理论分析、仿真分析以及实验验证都是在假设没有弹簧压 力的的条件下进行的。 1.2 频率的增大对电磁脱扣器的作用 当前，我国断路器的设计基本采用将工频的电气设备进行结构上的优化，基本 可以满足常见频率下的使用，但是频率的改变会带来一些麻烦，比如将工频的 断路器脱扣器用于 400 Hz 情况下就会有电磁吸力不足的情况。在脱扣过程中， 脱扣器会产生冲量（物体在力的作用下经历一段时间累积的能量）,所以力对于 一个物体有冲量作用需要有力 F 和力作用的时间 t。冲量的符号是 I，计算公式 为： 式中：a，b——力作用于物体的起始终止时刻。 工频脱扣器用在 400 Hz 的情况下，电磁脱扣器的脱扣能力变差最主要的原因 是频率的提高所引起的吸力的周期发生了变化，其电磁吸力的周期缩小为原来 工频条件下的 1/8 左右,周期内储存的能量不足以使脱扣器脱扣,从而衔铁动作难 以被触发[3]。 如果工频脱扣器正常脱扣时间小于 10 ms，即在一个周期内吸收的能量能够使 脱扣器脱扣。假设工作电流为 25 A 的断路器电磁脱扣机构的反力弹簧的反力 为 F 反。电磁脱扣器受到吸力 在有弹簧反力作用的情况下,脱扣器动铁心受到的冲量 式中：F——工频条件下的电磁吸力 ；f——频率；x——硅钢片厚度；——弹 簧的反力；a，b——力作用于物体的起始终止时刻 图 2 是工频和 400 Hz 两种情况下的电磁脱扣器的受力情况,其中阴影部分为动 铁心受到的冲量。 不难看出，工频工作情况下脱扣器积累的冲量与 400 Hz 工作情况下得到的冲 量有着明显差距。要想使 400 Hz 情况下的电磁脱扣器工作状态达到与工频情 况下相同的效果,就需要提高励磁电流，而提高脱扣电流会对其他电器产生影响， 严重时可能会烧坏电器，因此，不能通过提高脱扣电流来使脱扣器脱扣。 2 电磁应力的计算方法 在动、静铁心之间有较大气隙时，不能形成完整磁路，因此磁路不饱和，可以 不计磁轭的磁阻、静铁心的磁阻和图 3 中的 R22。麦克斯韦法计算电磁力的公 式 式中：Φδ——空气气隙的磁通；μ0——空气绝对磁导率常量；Sδ——动、静 铁心磁极中产生电磁吸力的有效计算面积。 根据磁路方程 电磁脱扣器结构简化的磁路如图 3 所示 。 图 中 ： IN—— 磁 通 势 ； R1—— 静 铁 心 磁 阻 ； Rm1 ， Rm2—— 磁 轭 磁 阻 ； R21——动铁心细端在磁路中的磁阻；R22 ——动铁心粗端在磁路中的磁阻； Rδ0——动铁心粗端与磁轭板之间的气隙的磁阻；Rδ——动，静铁心之间气隙 磁阻；Rδm——动铁心非工作气隙磁阻。 由图 1 可知，动铁心受到的合力为 Fδ-Fδ0。线圈的匝数 N、通过线圈的励磁 电流 I、δ 越小，δ0 越大，Fδ-Fδ0 越大。开始的状态下气隙 δ0 很小，则 Rδ0≈ 0，代入式（5）、式（6），则 Φδ ≈ Φδ0，由于 Sδ＞Sδ0 ，再根据式 （4），Fδ-Fδ0 较小，甚至会有 Fδ-Fδ00 的情况，也就是动铁心受到的电磁 力克服不了反力弹簧的弹力，动铁心无法与静铁心吸合[4]。 除了用上述方法计算电磁脱扣器受到的电磁场力外，还可以采用虚位移的方法 来计算脱扣器所受到的电磁力 式中：Wm——磁体总能量；s —— 虚位移；?Wm—— 磁体能量变化量 由于 s 是虚位移，所以该能量的变化量也被称之为虚功，用此方法求出的电磁 应力也被称为虚功力。 3 电磁场仿真分析 脱扣器的电磁场仿真分析采用能够与 Auto CAD，SolidWorks，UG，Pro/E 软件接口从而实现数据的共享和交换的有限元分析软件 ANSYS[5]。ANSYS 涉 及的领域比较广，其中主要用于电磁场相关问题的分析研究，如磁力线分布、 电感、电场分布、磁通量密度、涡流、力和能量损失等等。用 A
