摘 要：

為解決傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果準(zhǔn)確性低的問題，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，進(jìn)行基于Maxwell 3D/ADAMS的斷路器瞬時(shí)脫扣過程仿真。首先使用Maxwell 3D耦合外電路，建立脫扣器的電磁瞬時(shí)動(dòng)態(tài)仿真有限元模型，計(jì)算得到瞬動(dòng)電磁鐵的運(yùn)動(dòng)特性仿真結(jié)果;然后將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入ADAMS軟件，對(duì)斷路器的瞬時(shí)脫扣運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真計(jì)算;最后對(duì)實(shí)際樣機(jī)的瞬時(shí)脫扣試驗(yàn)進(jìn)行高速拍攝。結(jié)果有效證明了聯(lián)合仿真能夠提升動(dòng)力學(xué)仿真的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：

微型斷路器; 瞬時(shí)脫扣過程; 聯(lián)合仿真; 動(dòng)態(tài)特性

中圖分類號(hào)： TM561

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）05-0074-05

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.05.012

Simulation of Tripping Process of Miniature Circuit Breaker Based on Maxwell 3D/ADAMS

Abstract：

To improve the accuracy of traditional dynamic simulation，the virtual prototyping technology is used to simulate the instantaneous trip process of circuit breaker based on Maxwell 3D and ADAMS.Firstly，the electromagnetic transient dynamic simulation finite element model of the tripper is established by using Maxwell 3D，and the simulation results of the transient electromagnet motion characteristics are obtained by calculation.Then the calculation results are imported into ADAMS to simulate the instantaneous tripping process of circuit breaker.Finally，the instantaneous release test of the actual prototype is taken by high-speed photography.The correctness of the simulation is verified.The co-simulation can improve the accuracy of dynamic simulation.

Key words：

miniature circuit breaker; instantaneous release process; co-simulation; dynamic characteristics

0 引 言

在傳統(tǒng)低壓電器產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)仿真過程中，往往會(huì)利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)新研發(fā)的機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析［1-4］。但由于條件缺失，這些仿真分析往往比較粗糙，所以不能較真實(shí)地反映出產(chǎn)品的特性及缺陷，只能對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供較為模糊的參考，有時(shí)還會(huì)誤導(dǎo)設(shè)計(jì)工程師，容易造成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的疏漏與缺陷，難以發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的實(shí)際問題，不利于縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。

本文針對(duì)一款斷路器的脫扣過程進(jìn)行電磁動(dòng)力學(xué)耦合與剛?cè)狁詈戏抡?，利用Maxwell Circuit模塊建立瞬動(dòng)脫扣試驗(yàn)電路模型［5-7］，并將其應(yīng)用于電磁瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真計(jì)算中，同時(shí)疊加由ADAMS軟件計(jì)算得到的脫扣反力，得到瞬動(dòng)電磁鐵在不同工況下的運(yùn)動(dòng)特性［8］，并將其轉(zhuǎn)化為樣條曲線，利用CUBSPL插值函數(shù)將運(yùn)動(dòng)特性添加到斷路器脫扣過程的動(dòng)力學(xué)仿真中，同時(shí)將碰撞的主要構(gòu)件進(jìn)行柔性化處理，最終得到所需的脫扣過程仿真結(jié)果。本文考慮了脫扣頂桿的擊打速度及柔性形變的影響，可較真實(shí)地模擬實(shí)際產(chǎn)品的脫扣過程。

1 小型斷路器動(dòng)力學(xué)仿真

1.1 研究對(duì)象

本文以一款18 mm模數(shù)DPN小型斷路器為例，其機(jī)械部分為自主設(shè)計(jì)的新型機(jī)構(gòu)。在進(jìn)行樣機(jī)瞬動(dòng)脫扣試驗(yàn)時(shí)，部分產(chǎn)品發(fā)生拒動(dòng)現(xiàn)象。為解決此問題，本文從動(dòng)力學(xué)仿真的角度進(jìn)行相關(guān)分析，以提升斷路器動(dòng)力學(xué)仿真的準(zhǔn)確度。

1.2 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

小型斷路器操作系統(tǒng)是一個(gè)典型的多體系統(tǒng)，傳統(tǒng)理論力學(xué)針對(duì)相關(guān)問題的分析，是以剛體位置、速度和加速度的微分關(guān)系以及矢量合成原理為基礎(chǔ)進(jìn)行的。ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真屬于計(jì)算多體動(dòng)力學(xué)，是以系統(tǒng)中連接物體與物體的運(yùn)動(dòng)副為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)位置、速度和加速度的分析都是基于與運(yùn)動(dòng)副對(duì)應(yīng)的約束方程進(jìn)行的。

多體系統(tǒng)中，各構(gòu)件之間的位置關(guān)系可以通過全局坐標(biāo)系、構(gòu)件位置坐標(biāo)及方位（姿態(tài)）坐標(biāo)進(jìn)行描述，各構(gòu)件及支架之間的運(yùn)動(dòng)副連接可以通過系統(tǒng)廣義坐標(biāo)表示為代數(shù)方程。設(shè)運(yùn)動(dòng)副的約束方程數(shù)為nh，則系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束方程組為

ΦK（q）=［ΦK1（q），ΦK2（q），…，ΦKnh（q）］（1）

式中： ΦK——位置坐標(biāo)矩陣的約束方程;

q——各個(gè)約束連接的坐標(biāo)矩陣。

驅(qū)動(dòng)約束是系統(tǒng)廣義坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)，其與系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)約束組合成系統(tǒng)所受的全部約束，系統(tǒng)自由度為0，即可理解為系統(tǒng)具有確定唯一解，表達(dá)式為

式中： ΦD——系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)約束方程。

對(duì)式（2）求解，即可得到系統(tǒng)在任意時(shí)刻的廣義坐標(biāo)位置q（t）。對(duì)式（2）求導(dǎo)，即可得到各構(gòu)件的速度方程，再求導(dǎo)即可得到加速度方程。

斷路器動(dòng)力學(xué)仿真過程中，在機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束方程一定的情況下，驅(qū)動(dòng)約束的解是影響動(dòng)力學(xué)仿真準(zhǔn)確度的關(guān)鍵因素，因此利用Maxwell電磁仿真對(duì)驅(qū)動(dòng)約束進(jìn)行求解，可得到較為準(zhǔn)確的驅(qū)動(dòng)約束。

2 小型斷路器驅(qū)動(dòng)約束條件

2.1 小型斷路器瞬動(dòng)脫扣運(yùn)動(dòng)分析

小型斷路器瞬動(dòng)脫扣動(dòng)作主要分為2個(gè)階段：① 當(dāng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，瞬動(dòng)線圈內(nèi)電流迅速增大，電磁力帶動(dòng)動(dòng)鐵心向靜鐵心靠近，推出頂桿擊打鎖扣;② 鎖扣放開限位，跳扣打開，穩(wěn)定的四連桿變?yōu)槲暹B桿，動(dòng)觸頭離開靜觸頭，觸頭迅速打開，拉斷電弧，完成開斷。電磁脫扣器示意如圖1所示。

在瞬動(dòng)線圈不變的情況下，通過線圈電流的大小決定了頂桿輸出的能量與速度，不同試驗(yàn)的電流工況差異會(huì)產(chǎn)生不同的試驗(yàn)結(jié)果，因此仿真需要對(duì)不同試驗(yàn)的電流工況進(jìn)行差異分析。

2.2 試驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)與耦合

在Maxwell外電路模塊中，搭建試驗(yàn)電路提供電磁仿真輸入電流。瞬時(shí)特性試驗(yàn)電路如圖2所示。其中，電源為220 V、50 Hz的電壓正弦波，R表示電阻，LWinding為斷路器瞬動(dòng)脫扣線圈的等效結(jié)構(gòu)。

本文對(duì)比分析了240 A與320 A電流下瞬動(dòng)脫扣過程，電磁瞬時(shí)動(dòng)態(tài)仿真的輸入電流可通過調(diào)節(jié)外電路中的電阻得到。

2.3 脫扣反力的計(jì)算

在ADAMS軟件中建立動(dòng)力學(xué)模型，使頂桿以較慢的速度推動(dòng)鎖扣件，完成脫扣運(yùn)動(dòng)過程的仿真。頂桿的速度較慢，可以排除慣性對(duì)受力的影響，得到靜態(tài)條件下脫扣頂桿所受阻力與時(shí)間（位置）關(guān)系的曲線。脫扣頂桿所受阻力曲線如圖3所示。其中頂桿速度為1 mm/s。同時(shí)將彈簧反力疊加到阻力上，作為動(dòng)態(tài)仿真過程中的總阻力輸入動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)中。

2.4 電磁模型的建立與動(dòng)態(tài)電磁特性仿真

簡化斷路器模型，建立大空氣場及band運(yùn)動(dòng)，對(duì)零件進(jìn)行材料賦予，輸入阻力函數(shù)，新建分析時(shí)長與步長，最終建立瞬動(dòng)脫扣模型［9］，與外電路耦合計(jì)算得到瞬動(dòng)電磁鐵的運(yùn)動(dòng)特性。鐵心運(yùn)動(dòng)位置曲線如圖4所示。

由圖4可知，在不同電流下，鐵心的運(yùn)動(dòng)速度差異較大，而這些差異會(huì)導(dǎo)致分?jǐn)嘣囼?yàn)的不同結(jié)果。在240 A電流下，鐵心在3.4 ms開始動(dòng)作，在8.0 ms達(dá)到最大值。相比之下，320 A電流作用下的鐵心動(dòng)作較為迅速，鐵心在2.9 ms開始動(dòng)作，在6.2 ms達(dá)到最大值。

3 動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果及分析

3.1 剛?cè)狁詈?/p>

脫扣過程中，脫扣頂桿會(huì)撞擊鎖扣件，此時(shí)沖擊的能量會(huì)被鎖扣件的變形吸收掉很大一部分，從而在一定程度上影響整個(gè)脫扣過程仿真的準(zhǔn)確性，因此本文對(duì)鎖扣件進(jìn)行柔性化處理，考慮關(guān)鍵零件的碰撞變形，以得到更為準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。

在利用ABAQUS軟件進(jìn)行柔性體文件的模態(tài)計(jì)算過程中，鎖扣件網(wǎng)格上應(yīng)用減縮積分單元能夠又快又好地對(duì)零件的模態(tài)進(jìn)行模擬［10-12］。ABAQUS在一階減縮積分單元中引入了一個(gè)小量的人工“沙漏剛度”，以限制沙漏模式的擴(kuò)展。在模型中應(yīng)用的單元越多，這種剛度對(duì)沙漏模式的限制越有效。因此，只要合理地采用細(xì)化的網(wǎng)格，線性減縮積分單元就能給出可接受的結(jié)果。鎖扣件模態(tài)計(jì)算網(wǎng)格如圖5所示。

修改ABAQUS的.inp文件，將模態(tài)計(jì)算結(jié)果保存在模態(tài)中性文件（.mnf）中，在ADAMS軟件中導(dǎo)入MNF文件，得到剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真模型。

3.2 動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立了微型斷路器動(dòng)力學(xué)仿真模型［13］，將電磁瞬時(shí)動(dòng)態(tài)仿真的結(jié)果轉(zhuǎn)化為table文件，作為Test Data導(dǎo)入模型中，利用CUBSPL插值函數(shù)將上一部分得到的頂桿運(yùn)動(dòng)結(jié)果運(yùn)用到斷路器的動(dòng)力學(xué)仿真中。動(dòng)力學(xué)仿真瞬時(shí)脫扣時(shí)間表如表1所示。其中，選擇脫扣開始的時(shí)間為頂桿與鎖扣件的接觸力突變?yōu)榱愕臅r(shí)間點(diǎn)。

由表1可知，觸頭的固有打開時(shí)長基本一致，而U型桿解扣時(shí)長（脫扣開始到觸頭分離的時(shí)間）與脫扣頂桿運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)。在240 A電流作用下，頂桿運(yùn)動(dòng)速度較慢，鎖扣一旦打開，U型桿迅速與跳扣分離，機(jī)構(gòu)完成四連桿到五連桿的轉(zhuǎn)換，迅速打開觸頭。在320 A電流作用下，頂桿擊打速度較快，當(dāng)鎖扣打開后，U型桿會(huì)在跳扣上滯留一段時(shí)間27 ms，然后分離，最終完成觸頭的打開動(dòng)作。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

利用高速攝影機(jī)對(duì)不同工況下斷路器瞬動(dòng)脫扣過程進(jìn)行拍攝，得到實(shí)際的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)使用到電源、Phantom VEO 710L高速攝影機(jī)、筆記本電腦、微型斷路器瞬時(shí)特性試驗(yàn)臺(tái)和大功率補(bǔ)光燈等設(shè)備。驗(yàn)證試驗(yàn)現(xiàn)場如圖6所示［14］。

試驗(yàn)共準(zhǔn)備2個(gè)樣本，分別進(jìn)行240 A與320 A電流的瞬時(shí)脫扣試驗(yàn)，為保持與仿真的一致性，選擇0°作為初始相位角，記錄從通電開始到觸頭分離再到觸頭完全打開的時(shí)間。頂桿與鎖扣分離的時(shí)間難以通過肉眼確定，因此在試驗(yàn)數(shù)據(jù)中不做體現(xiàn)，僅記錄通電、觸頭分離及觸頭打開的時(shí)間點(diǎn)。

由于每次試驗(yàn)樣機(jī)的內(nèi)阻不同，電流大小無法控制得非常精準(zhǔn)，所以會(huì)存在一定的誤差，但基本控制在10%的工程誤差范圍內(nèi)。試驗(yàn)瞬時(shí)脫扣時(shí)間如表2所示。

由表1、表2可知，在240 A電流作用下，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本保持一致，2臺(tái)樣機(jī)觸頭打開時(shí)長的誤差分別為5.41%與9.36%，在10%的工程誤差范圍內(nèi)。但在320 A電流作用下，樣機(jī)1與仿真結(jié)果較為接近，誤差在14.15%，樣機(jī)2產(chǎn)生了完全拒動(dòng)的現(xiàn)象。拒動(dòng)現(xiàn)象高速攝影圖如圖7所示。

該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：① ADAMS摩擦方程的缺陷，ADAMS提供的摩擦模型為解決非線性的問題，擬合了一條近似的曲線對(duì)庫倫摩擦力進(jìn)行擬合，與實(shí)際摩擦力存在較大差異［15］;② Maxwell以及ADAMS均采用離散時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合求解，會(huì)從本質(zhì)上產(chǎn)生誤差;③ 本次仿真僅對(duì)鎖扣件進(jìn)行了柔性化處理，其他構(gòu)件依然是理想剛體;④ 樣機(jī)之間可能存在較大的差異，尤其是U型桿與支持件之間的摩擦系數(shù)。

雖然樣機(jī)2的試驗(yàn)結(jié)果與仿真差異較大，但仍較為準(zhǔn)確地預(yù)測了拒動(dòng)現(xiàn)象的產(chǎn)生，因此此次仿真結(jié)果是較為可信的，可較好地模擬小型斷路器瞬時(shí)脫扣過程。

5 結(jié) 語

本文通過電磁仿真計(jì)算與剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真的聯(lián)合計(jì)算，提出了一種考慮脫扣頂桿的擊打速度與柔性變形的小型斷路器瞬態(tài)脫扣過程運(yùn)動(dòng)的計(jì)算方法。本文利用Maxwell 3D中的Circuit模塊與3D Transient模塊，計(jì)算得到了小型斷路器電磁模塊的瞬時(shí)脫扣動(dòng)作特性，將結(jié)果導(dǎo)入ADAMS軟件中，計(jì)算得到斷路器的瞬時(shí)脫扣運(yùn)動(dòng)過程參數(shù)，并對(duì)脫扣過程進(jìn)行了高速攝影試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，瞬時(shí)動(dòng)態(tài)脫扣過程的仿真結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果基本一致，在240 A電流作用下，觸頭打開時(shí)長誤差在10%的工程誤差范圍內(nèi)。但在320 A電流下產(chǎn)生了與仿真不符的情況，造成該現(xiàn)象的原因可能在于ADAMS摩擦方程、碰撞函數(shù)的缺陷以及虛擬樣機(jī)仿真離散時(shí)間的積分誤差等，這是下一步工作的研究方向。總體來說，該仿真方法解決了傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真準(zhǔn)確度較低、可靠性不足的問題，為小型斷路器機(jī)構(gòu)的研發(fā)與設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了一種可靠的虛擬樣機(jī)分析方法。

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