鄒 順，李 杰，任志剛

電磁斥力機構(gòu)設(shè)計及試驗研究

鄒 順，李 杰，任志剛

（船舶綜合電力技術(shù)重點實驗室，武漢 430064）

為了提高快速斷路器的驅(qū)動機構(gòu)動作性能，采用Ansoft和ADAMS聯(lián)合仿真以得到合適的設(shè)計參數(shù)。介紹了電磁斥力機構(gòu)工作原理、數(shù)學(xué)模型及雙穩(wěn)態(tài)彈簧保持裝置，對電磁斥力機構(gòu)分別進行了電磁場和動力學(xué)仿真分析。研究了不同驅(qū)動電壓以及不同儲能電容容量對電磁斥力機構(gòu)運動特性的影響。通過對比試驗數(shù)據(jù)，得出驅(qū)動電壓越高，觸動時間越短；電容量越大，運動時間越短的結(jié)論。本文研究方法對其他類型操作機構(gòu)的設(shè)計具有一定的參考意義。

電磁斥力機構(gòu) 雙穩(wěn)彈簧 虛擬樣機

0 引言

未來艦船電力系統(tǒng)主要發(fā)展方向為中壓直流電力系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)艦船電力系統(tǒng)，其容量將大幅度提升，額定電流更大、線路阻抗更小[1]。

一般情況下，中壓直流斷路器要求快速機構(gòu)驅(qū)動真空滅弧室高速運動，對產(chǎn)生的短路電流限流分斷。中壓直流斷路器的主要性能直接呈現(xiàn)于斷路器的動靜觸頭的分閘、合閘動作時間和動作速度上，因此操動機構(gòu)的性能好壞會直接影響斷路器的工作穩(wěn)定性和可靠性[2]。

1 電磁斥力機構(gòu)方案設(shè)計

彈簧操動機構(gòu)或液壓操動機構(gòu)，其零部件較多，機械系統(tǒng)尤其是各零部件之間的相對運動關(guān)系復(fù)雜，導(dǎo)致動作的分散性高，可控性差，響應(yīng)速度慢，難以實現(xiàn)同步動作。雖然永磁操動機構(gòu)零部件及連接機構(gòu)少，動作的分散性小，可控性高，能滿足同期性的要求，但當操動機構(gòu)的電氣性能參數(shù)、機械特性參數(shù)以及運行條件或所處的環(huán)境發(fā)生變化時，動作分散性將難以保證。電磁斥力操動機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、運動部件少、響應(yīng)時間短、運動速度快，運動精度更高，運動分散性小，在滿足同期性要求的同時，環(huán)境適應(yīng)性更好，可靠性高[3]。

1.1 電磁斥力機構(gòu)工作原理

電磁斥力操動機構(gòu)的工作原理為：當收到系統(tǒng)發(fā)出的分閘信號后，開關(guān)K閉合，預(yù)先已儲能的電容對分閘線圈放電，產(chǎn)生持續(xù)幾個毫秒的脈沖電流，在此脈沖電流的作用下，分閘線圈周圍產(chǎn)生了瞬態(tài)磁場，同時金屬斥力盤中感應(yīng)出與線圈電流方向相反的渦流，因而在線圈與斥力盤之間產(chǎn)生了電磁斥力，該電磁斥力推動著金屬斥力盤快速運動，并通過連桿驅(qū)動聯(lián)動保持機構(gòu)進而使真空滅弧室中的動觸頭運動，從而實現(xiàn)快速分閘操作[4]。合閘操作與此類似。

圖1 電磁斥力操動機構(gòu)工作原理

1.2 電磁斥力操動機構(gòu)數(shù)學(xué)模型

電磁斥力操動機構(gòu)可等效為兩個圓盤狀線圈回路間的相互作用，如圖2所示：左側(cè)是由儲能電容C與分閘線圈構(gòu)成的驅(qū)動回路，即產(chǎn)生脈沖電流1，分閘線圈電阻與自感分別記作1、1；右側(cè)是由斥力盤的等效線圈構(gòu)成的感應(yīng)回路，即形成感應(yīng)電流2，“斥力盤線圈”電阻與自感分別記作2、2；由于分閘線圈與斥力盤開距小，且斥力盤為金屬導(dǎo)體，那么兩盤狀線圈間必然存在磁耦合，即為兩線圈互感[5]。

圖2 電磁斥力操動機構(gòu)等效電路

可得到電磁斥力操動機構(gòu)驅(qū)動回路與感應(yīng)回路的基本電路方程:

式中

為了求解機構(gòu)變量，還需建立電磁斥力操動機構(gòu)的解析式以及機械運動方程。電磁斥力的解析式為：

式中d/d為互感隨開距變化率。此外，機構(gòu)的機械運動方程如下，包括加速度、速度以及位移：

1.3 雙穩(wěn)彈簧保持裝置設(shè)計

電磁斥力機構(gòu)中采用的雙穩(wěn)彈簧保持裝置結(jié)構(gòu)圖見圖3，當電磁斥力機構(gòu)在合位分閘時，在oa過程中雙穩(wěn)彈簧保持裝置是起阻力作用，而ab過程則為分閘提供作用力，在整個過程所受的力均為非線性力如式（5）；在分位合閘時則與之相反[6]。雙穩(wěn)彈簧保持裝置保持力如下所示：

式中：k為彈簧彈性系數(shù)；s為金屬盤運動位移；x0為連接桿處于水平位置時彈簧的被壓縮量；l0為連接桿長度，H為動桿從合閘位置至連接桿處于水平位置，垂直方向距離，即圖中oa距離；n為分散均布彈簧支路數(shù)。

2 電磁斥力機構(gòu)虛擬樣機技術(shù)

2.1 電磁斥力機構(gòu)電磁場仿真分析

電磁斥力機構(gòu)運動速度快，運動部件動能大，會產(chǎn)生較大的操動沖擊和彈跳，研究適用于高速驅(qū)動條件的緩沖和保持技術(shù)，是提高電磁斥力操動機構(gòu)可靠性并應(yīng)用于工程實際的重要問題。電磁斥力機構(gòu)采用磁分路結(jié)構(gòu)，將電磁斥力操動機構(gòu)的斥力盤和驅(qū)動線圈外圍通過高磁導(dǎo)率的鐵磁材料進行封裝和固定，提高電磁斥力機構(gòu)驅(qū)動回路能量轉(zhuǎn)換的效率；采用緩沖系統(tǒng)實現(xiàn)觸頭在短開距要求和高速分斷情況下的有效緩沖，減小觸頭分合閘回彈。

此外，電磁斥力機構(gòu)的驅(qū)動過程涉及電能–磁能–動能的轉(zhuǎn)換，為此采用Ansoft對電磁斥力機構(gòu)進行電磁場仿真分析得到電磁斥力，再將得到的電磁斥力導(dǎo)入ADAMS作為驅(qū)動力對運動部件的分閘過程進行動力學(xué)仿真，驗證分閘過程的可靠性及運動部件的位移和速度等。通過Ansoft和ADAMS聯(lián)合仿真得到合適的設(shè)計參數(shù)，指導(dǎo)電磁斥力機構(gòu)的設(shè)計。

電磁斥力機構(gòu)在Ansoft中建立的電磁場分析模型如圖4所示，外部激勵電路模型如圖5所示。仿真分析得到電磁斥力機構(gòu)驅(qū)動回路電流如圖6所示，電磁斥力機構(gòu)電磁力如圖7所示。

圖4 電磁斥力機構(gòu)電磁場分析模型

圖5 電磁斥力機構(gòu)外部激勵電路

2.2 電磁斥力機構(gòu)動力學(xué)仿真分析

雖然ADAMS自身具備建模功能但電磁斥力機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為此將電磁斥力機構(gòu)模型導(dǎo)入ADAMS中進行分析然后再對模型進行簡化，保證仿真模型中所研究的運動部件的質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量與實際相同，不影響所研究部分的運動。將Ansoft仿真得到的電磁力在ADAMS中通過AKISPL插值函數(shù)擬合作為輸入條件加載在斥力盤上作為驅(qū)動力。

圖6 電磁斥力機構(gòu)驅(qū)動回路電流

圖7 電磁斥力機構(gòu)電磁力

定義各零件屬性，確定運動約束關(guān)系，施加載荷，然后進行動力學(xué)仿真得到電磁斥力機構(gòu)位移曲線和速度曲線。

圖8 電磁斥力機構(gòu)位移曲線

電磁斥力機構(gòu)動力學(xué)仿真分析的結(jié)果可以看出，電磁斥力機構(gòu)最終可靠分閘。

圖9 電磁斥力機構(gòu)速度曲線

3 電磁斥力機構(gòu)動作特性試驗

3.1 電磁斥力機構(gòu)試驗回路搭建

電磁斥力操動機構(gòu)利用脈沖放電電流通過盤狀斥力線圈時，與金屬斥力盤中感應(yīng)渦流產(chǎn)生斥力，從而推動動觸頭快速動作。通常，斥力線圈可看作是由多個導(dǎo)電圓截面相同、半徑不同的同軸圓環(huán)線圈串聯(lián)而成。脈沖電流由斥力線圈外接線路中的電容放電產(chǎn)生，為延長斥力的作用時間，斥力線圈兩端并聯(lián)一個二極管，構(gòu)成續(xù)流回路。

機構(gòu)分為兩部分：外電路和機構(gòu)本體部分。外電路為分合閘盤式線圈供電，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖；供電回路如圖所示，HV為高壓充電電源，用于為儲能電容充電；K1為高壓接觸器，用于充電回路的接通和斷開；R1為充電電阻；C為儲能電容；D1為續(xù)流二極管；TVS1是真空觸發(fā)間隙，用于導(dǎo)通或關(guān)斷盤式線圈中電流；L1為線圈電感；L2為斥力盤等效電感；M為兩者間互感，R2為斥力盤等效電阻。

圖10 電磁斥力機構(gòu)等效試驗電路

3.2 電磁斥力機構(gòu)參數(shù)對比試驗

3.2.1驅(qū)動電壓對分閘動作時間的影響

保持電磁斥力機構(gòu)儲能電容容量不變，改變充電電壓得到電磁斥力機構(gòu)分閘運動特性數(shù)據(jù)，分析驅(qū)動電壓對觸動時間和分閘動作時間的影響：

圖11 電磁斥力機構(gòu)驅(qū)動回路典型波形

通過高速攝影儀拍攝記錄電磁斥力機構(gòu)分閘運動過程，進而得到分閘到位所需時間。

圖12 電磁斥力機構(gòu)分閘運動過程

表1 儲能電容100 mF不同驅(qū)動電壓的運動特性

從以上試驗結(jié)果可以看出，隨著驅(qū)動電壓的增加，觸動時間雖隨著驅(qū)動電壓的增加而減小，但是當電壓上升到一定程度后觸動時間減小的效果并不明顯；隨著電壓的上升儲能電容儲存的能量更多，運動時間隨著電壓的增加有較為明顯的降低。當驅(qū)動電壓上升到一定程度時，通過改變驅(qū)動電壓方式來減小觸動時間，難以獲得理想的效果。但是運動時間有較理想的改善。

3.2.2不同儲能電容值對分閘動作時間的影響

表2 儲能電容200 mF相同能量下不同驅(qū)動電壓運動特性

在保證線圈參數(shù)和輸入能量相同的前提下，開展不同放電電容參數(shù)對觸動時間和分閘動作時間的影響。

表3 儲能電容10 mF相同能量下不同驅(qū)動電壓運動特性

在保證輸入能量相同的前提下，儲能電容容量與電容充電電壓值的平方之間呈反比關(guān)系，即電容容量越小，充電電壓越高；電容容量越大，充電電壓越低。在一定范圍內(nèi)，斥力機構(gòu)儲能電容容量越高，驅(qū)動回流與斥力線圈組成的等效LC振蕩頻率越低、放電電流脈寬越大，能量轉(zhuǎn)換效率越高，運動時間越短。

輸入能量相同時，儲能電容容量越高，觸動時間越長，運動時間越短，隨著驅(qū)動電壓的上升，觸動時間隨著驅(qū)動電壓的增加而減小。

4 結(jié)論

本文采用雙穩(wěn)彈簧保持裝置的電磁斥力機構(gòu)，基于虛擬樣機技術(shù)得到相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)可用于指導(dǎo)試驗樣機的制作，通過搭建試驗回路，對比不同試驗參數(shù)對電磁斥力機構(gòu)動作特性的影響，初步掌握了電磁斥力機構(gòu)的設(shè)計方法和運動特性規(guī)律。試驗研究結(jié)果表明：

1）電磁斥力機構(gòu)觸動時間：電容值一定時，在一定范圍內(nèi)，驅(qū)動電壓越高，觸動時間越短；輸入能量相同時，電容量越大，觸動時間越長。

2）電磁斥力機構(gòu)運動時間：電容值一定時，驅(qū)動電壓越高，運動時間越短；輸入能量相同時，電容量越大，運動時間越短。

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Design and experimental research of electromagnetic repulsion mechanism

Zou Shun, Li Jie, Ren Zhigang

（Key Laboratory of Marine Integrated Power Technology, Wuhan 430064, China；）

TM341

A

1003-4862（2022）08-0031-05

2022-02-10

鄒順（1993-），男，工程師。研究方向：混合式直流斷路器。E-mail: 457466246@qq.com