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基于永磁的高速触头操动机构仿真和分析
朱朝峰,吴振宇
（海军驻武汉四三八厂军事代表室,武汉430061）
摘 要：本文结合新型混合式限流断路器对触头操动机构的要求,提出了基于永磁的新型高速触头操动机构的方案.分析了该新型高速触头操动机构的工作原理,在此基础上运用Ansoft有限元仿真软件对高速触头操动机构进行了建模,分析机构的工作特性,并对机构的动作特性进行了仿真分析和解析计算,仿真结果表明该方案有效提高了机构分闸的可靠性.
关键词：永磁；高速触头；仿真与分析
中图分类号：665.2
文献标识码：A
作者简介：朱朝峰(1984-),男,助理工程师.主要从事舰艇电力控制工作.
吴振宇(1987-),男,助理工程师.主要从事舰艇电力控制工作.
收稿日期：2015-12-16
1前言
随着舰船综合电力系统概念的提出、舰船电力推进方式的改进和高能武器的出现,舰船电力系统将发生革命性的变化,其地位将从辅助系统变成主动力系统,系统容量将以几何曲线上升,现有的舰船直流电力系统保护装备已无法满足系统发生短路故障时分断巨大短路电流的需求,因而研制新的高性能限流保护装置迫在眉睫.新型混合式限流断路器的研制正是在这一背景下提出来的,其对海军现代化建设具有重大意义.
新型直流限流断路器是为了满足舰船电力系统短路限流要求而设计的一种高速限流开关设备,与传统开关设备相比,其解决了大功率电力电子器件应用中的通态损耗问题,并且克服了断路器分断速度慢和触头电弧烧蚀的问题,具有良好的应用前景.高速触头操动机构是新型限流断路器中的核心部件,正常运行时其承载额定电流,故障发生时要求其快速分断将电流转移到并联支路上,触头操动机构分断时的动作特性和电气特性对限流断路器的成功限流具有重要意义.
目前电子操动装置的发展有了长足的进步,特别是新型永磁操动机构的出现,使得电子操动理论在电气开关方面得到广泛应用.近几年来,国外一些公司如ABB、SIEMENS等都相继推出了应用电子操动技术的真空断路器.在国内永磁操动机构的技术也在不断走向成熟,使用永磁操动机构的单位也越来越多.
本文结合新型混合式限流断路器对机械开关部分的要求,结合原高速触头操动机构完成触头分离动作的效率较低的问题,提出基于永磁的新型高速触头操动机构的方案.首先分析基于永磁的新型高速触头操动机构的工作原理,运用Ansoft有限元仿真软件对高速触头操动机构进行建模,分析其工作特性,并对基于永磁的新型高速触头操动机构方案的动作特性进行仿真分析,通过仿真结果验证该方案的可靠性.
2新型高速触头操动机构仿真模型的建立与分析
本文采用电磁场有限元仿真软件Ansoft对基于永磁的新型高速触头操动机构进行建模,采用Ansoft的XY二维平面建立其等效模型,图1所示为提出的基于永磁的新型高速触头操动机构的二维模型.
该转型高速触头操动机构选用永磁体作为磁源,通过铁芯、空气间隙形成的导磁通路在空气间隙中提供了均匀的磁场,斥力线盘放置在空气间隙中,通过外接的电容放电回路产生高脉冲电流.根据安培定律,斥力线盘会产生垂直向上的安培力,驱动触头高速动作.
该新型高速触头操动机构的方案设计中,永磁体材料为钕铁硼NdFeB38,其退磁曲线如图2所示.由图2可知,该永磁体材料的剩磁为1.24T,矫顽力为-1×10-6 Am-1.钕铁硼永磁材料是1983年问世的高性能永磁材料,是目前磁陛能最高的永磁材料,由于钕在稀土中的含量是钐的十几倍,资源丰富,比稀土钴永磁便宜很多,问世以来在永磁电机中迅速得到推广应用.
铁芯材料为steel-1008,其磁化曲线如图3所示.和一般的铁磁材料性质相同,该材料的磁化曲线是一条非线性曲线,即磁导率随着磁通密度的变化而变化,在被磁化初期随着磁场强度的增加,材料的磁通密度迅速增加,但达到某一点后,随着磁场强度的继续增加,材料的磁通密度趋于一定值,即进入磁化曲线的饱和区,因此在进行机构方案的仿真、解析过程中,要注意铁芯材料的工作点.
3新型高速触头操动机构的解析计算
3.1基本磁路公式
每一磁路段的磁阻R是该磁路段的磁位差U等于HL与该磁路段中的磁通φ之比,即
HL等于φR (1)
式中：由对应电路中的电流i,HL对应电路中的电压u,R对应电路中的电阻r.
穿过某一截面S的磁感应强度B的通量,称为磁通量：
φ等于 BS (2)
在磁场中,对H的任何闭合路径（环路）的线积分,等于该闭合路径所界定面的电流的代数和,即
HL等于 Ni (3)
磁场强度用向量H表示,它与磁感应强度B和磁介质的磁导率LL之间有如下关系：
H等于B/μ (4)
3.2公式的推导
根据3.1节基本磁路公式,结合基于永磁的新型高速触头操动机构方案的要求,对解析公式进行推导.首先引入公式推导过程中用到的几个概念：永磁体的剩磁Br、矫顽力Hc,空气气隙磁感应强度Bo,空气磁导率μ0,磁通φ,放电回路中的放电电容c,通入线圈产生的脉冲电流i,永磁体导磁长度L1,,空气气隙导磁长度L0,永磁体横截面积S1,空气气隙横截面积S0,产生的垂直向上的电磁力F,上下层线圈匝数各位N匝,每匝线圈径深x.
下面是公式推导的过程：
根据安培环路定律,要想求出F必须先求出各参数.根据基尔霍夫第二定律可列出公式（忽略铁芯的磁阻）：
再求出通入线圈产生的脉冲电流i,南于电路的放电过程,为振荡放电的过程,本试验线圈用很粗的导线绕制,在近似估算中电阻可以忽略不计,所以可得：
基于上述解析思路,由已知参数就可最终求得动盘的位移与时间的关系曲线,并能清晰地看出安培力与已知参数间的各种关系,有助于对该方案进行进一步的优化设计.
4结论
本文提出了一种基于永磁的新型高速触头操动机构的方案,采用Ansoft软件进行机构建模,完成了机构方案的设计及仿真分析.该机构解析思路清晰,仿真模型简单,通过对已知参数的适当选择,可以寻求满足断路器性能要求的最优解,因此具有良好的应用价值,值得作进一步的深入研究.
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