（电机与电器专业论文）低压断路器电磁脱扣特性的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c e m e n to ft h e r e q u i r e m e n t o ft h e l o w - v o l t a g e e l e c t r i c i t y - d i s t r i b u t e d , t h el o w - v o l t a g ec i r c u i t b r e a k e ri sd e v e l o p i n gt o w a r i 血t h e o r i e n t a t i o no ft h em o d u l a t i o n , t h ei n t e l l e c t u a l i z a t i o n , t h en e t w o r k a tt h es a m et i m e , w i t ht h ea p p e a r a n c eo fm a n ye l e c t r i ca p p l i a n c ew o r k i n gu n d e rt h ed i f f e r e n tf r e q u e n c y , a l s om a k et h ed i f f e r e n tc h a n g et ot h el o w - v o l t a g ee l e c t r i ca p p l i a n c er e q u i r e m e n t i n m a n ys p e c i a lf i e l ds u c h 鼬a v i a t i o na n dn a v i g a t i o nf i d o , c o n s i d e r i n gt h ep o w e r s u p p l yf u n c t i o na n da n t i j a m m i n g ，a tp r e s e n tm o s t l yi su s i n gf e q u m c y4 0 0 h zt o c a r r yo i lt h ep o w e rs u p p l y e l e c t r i ca p p l i a n c eu s i n gi nt h es h i pd e s i g ni nt h ep r e s e n t s t a g em a i n l yd e p e n d so nt h er e b u i l d i n go ft h ee l e c t r i ca p p l i a n c eu n d e rf r e q u e n c y 5 0 h z b u tt h ef r e q u e n c yc h a n g eb r i n g sas e r i e so fp r o b l e m s h o wt od e s i g nt h e c i r c u i tb r e a k e rt oa d a p tt h es p e c i a lf r e q u e n c yr e q u i r e m e n th a sb e c o m et h ei m p o r t a n t t o p i co ft h ed e s i g na n dt h em a n u f a c t u r e u n i t t h ep a p e r , w i mt h el o w - v o l t a g ec i r c u i ta si t so b j e c t i v e ，c o m b i n e sw i t hs e a r i a n dd o e ss o m er e s e a r c hi nt h ef o l l o w i n gf i e l d s i n t r o d u c et h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h e l o w - v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e ri nt h es h i p ，a n dm a i n l yi n t r o d u c et h ek e yp a r to ft h e c i r c u i tb r e a k e r - - - - e l e c t r o m a g n e t i s mr e l e a s e r i nv i e wo ft h el o w - v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r e l e c t r o m a g n e t i s mr e l e a s e r , i n t r o d u c et h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dc o m p u t a t i o n a lm e t h o d ， i n t r o d u c el a r g e - s c a l ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s a n a l y z et h ei n f l u e n c eo ff r e q u e n c yc h a n g et ot h ee l e c t r o m a g n e t i s ma t t r a c t i o n p e r f o r m a n c e ，d i s c o v e rt h em a i nr e a s o no fe l e c t r i cc u r r e n te n h a n c i n go f5 0 h zr e l e a s e r u s i n gi nt h e4 0 0 h z a p p l y i n ge l e c t r o m a g n e t i s mt h e o r y , c a r r i e so nt h ee l e c t r o m a g n e t i s ma n a l y s i s c o m p u t a t i o ni nv i e wo f8 0 m es e c t i o nc i r c u i tb r e a k e re l e c t r i cc u r r e n ti n s t a n tt r i p p i n g m e c h a n i s m ，p r o v ea b o v ev i e wp o i n t a n dt h i sp a p e ri k q e si nm a t l a bt h eg u i m o d u l e , d e v e l o pd e c t r o m a g n e t i s ma n a l y s i sc o m p u t a t i o ns o f t w a r e t h eu s e rc a r r i e s o nt h ei n t e r a c t i v eo p e r a t i o nc o n v e n i e n t l y u s i n gt h em a g n e t i cf i e l da n a l y s i st h e o r y , p a r t i a l l y c a r r i e so nt h e a n a l y s i s i nv i e wo ft h ee l e c t r i cc u r r e n tr e l e a s e i i a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i s m ，u t i l i z a t i o nl a r g e - s c a l ef i n i t ed e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，t h e u s ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dc a l c u l a t e st h el o w v o l t a g ec i r c u i t b r e a k e rr e l e a s ef o r c e p a r t i a l l yc a r r i e s o nt h eo p t i m i z e dd e s i g ni nv i e wo ft h ec u r r e n tr e l e a s e e l e c t r o m a g n e t i s m ，t h eg o a li s f o rm ep u r p o s eo fr e d u c i n gt h er e l e a s ec u r r e n t a n d p r o p o s eap l a nt h ec i r c u i tb r e a k e rr e l e a s em e c h a n i s mc a r r i e so nt h eo p t i m i z a t i o nt o o t h e rs p e c i f i c a t i o n su n d e r , t h eq u e s t i o nw h i c hi nt h es o l u t i o ne n t i r es e r i e se x i s t s f i n a l l yc a r r i e so nt h es u m m a r yt on l e 伽lt e x t , a n dh a sc a r r i e do nt h ef o r e c a s tt o t h en e x tf u r t h e rr e s e a r c hw o r k k e yw o r d s ：r e l e a s e ，m i d d l ef r e q u e n c yc i r c u i tb r e a k e r , a n s y s ，e l e c t r o m a g n e t i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： d 占年2 月忙e t 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 1 球磊 秒g 年二月7 丫日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题研究的背景和意义 随着国民经济的不断发展，对电能的需求和依赖不断增大，因此承担电能 的传输与分配、用电设备保护与控制任务的低压电器显得尤为重要。低压电器 通常是指用于交流电压1 2 0 0 v 、直流电压1 5 0 0 v 及以下的电路中起通断、保护、 控制或调节作用的电器产品，【l 】它是量大面广的基础配套元件，广泛应用于国民 经济各部门。世界各国十分重视低压电器的发展，每年投入大量的资金进行研 究开发。我国已加入w t o ，我国低压电器产品要打入国际市场，将面临更激烈 的竞争，提高产品的技术经济指标就越来越重要。尤其改革开放以来，我国的 航海事业有了长足的进步，修造船的质量有了很大的提高。航海事业的发展对 船用电器产品在性能的可靠性、功能的全面性、使用的安全性和方便性以及成 本的经济性和美观的外形等方面都提出了更高的要求。然而，国产船用电器产 品发展比较缓慢，相对国外船用电器，产品显得笨重、陈旧和落后，已难以适 应航海事业的快速发展。可以说，船用电器的发展水平已经开始制约我国航海 事业的发展。由此，全面提高我国船用电器的发展水平已经到了刻不容缓的时 刻。【2 】 断路器也称为空气断路器，是在刀闸开关的基础上发展起来的。无论在工 业，农业，商业，交通运输业，国防，科教卫生，航空航天事业等领域，还是 在人们的日常生活中，断路器的使用日渐广泛，同时断路器的生产也成为电器 行业的一大支柱产业。 低压断路器是低压电器的一个重要门类，也是结构最复杂、保护性能最完 善的一个品种。低压断路器的设计与生产技术在一定程度上反映了整个低压电 器发展的水平。 低压断路器作为低压配电系统中广泛使用的一种终端保护电器，因其使用 量大而在配电系统中占有重要地位。低压断路器在正常情况下用作不频繁合、 分电路或起动、停止电动机，在线路或电动机发生过载、短路或欠电压等故障 时，能自动切断电路，予以保护，它由脱扣器、脱扣机构、触头系统和灭弧室 第1 章引言 等几部分组成。一般小型塑壳式低压断路器具有短路和过热保护两种保护功能， 短路保护由电磁瞬动脱扣器完成，过热保护则由双金属片实现。p j 随着低压配电系统对自动化、智能化要求的不断提高，低压断路器正在朝 模块化、智能化、网络化方向迅速发展。与此同时，也出现了许多工作在不同 频率下的电器，对断路器的要求又有了不同的变化。在航空航海等特殊领域， 出于对供电方式和使用环境等因素的考虑，目前较多采用中频4 0 0 h z 进行供电。 现阶段船用电器的设计主要依靠的方法是直接对5 0 h z 电气设备进行改造，在 4 0 0 h z 上使用。但低压断路器中的许多电磁执行器件却没受到足够的重视，还是 采用原来的设计方法，即使是改进设计也只是在原有器件的基础上作简单的变 动，优化分析和优化设计不足。这样不利于低压断路器产品整体性能的提高， 优化设计可以提高器件的性能和质量并节约成本。频率的变化同时带来一系列 问题，以船用断路器为例，将5 0 h z 断路器直接移植用于4 0 0 h z 存在脱扣器电磁吸 力不足的问题。当断路器的额定电流为1 5 4 0 a 时，脱扣电流提高1 5 倍；4 0 a 以 及更大的电流规格，脱扣电流要提高2 倍以上。而如何设计断路器来适应特殊频 率的要求，已成了设计和制造单位的重要课题。 长期以来，低压电器的开发主要依靠反复制作样机和试验，这种传统的方 法不但使开发周期很长，并且样机的制作和试验都要花费很高的成本。随着计 算机仿真技术的发展，人们可以利用交互式图形技术可以在计算机屏幕上建立 一个三维的可视样机，并且通过有限元分析软件a n s y s 对样机进行结构、电磁、 热场等分析，可替代周期长、费钱又费力的传统方法，因而近年来得到国内外 各大电器公司的重视。i t 目前求解电磁特性通常有两种方法：磁场的方法和磁路的方法。磁场的方 法具有精度高的优点，但不能方便地进行计算，并且计算方法复杂、速度慢， 时间长，所以在实际工程应用上有很多困难，使用很少；磁路的方法能简单地 通过电磁方程进行计算，方法简单、计算速度快，但是计算精度不高。因此， 研究电磁特性的计算精确度对于提高工程上电磁特性计算的水平具有重要意 义。 本课题研究的最终目的是利用数学计算软件m a t l a b 和a n s y s 有限元分析 软件对中频断路器瞬时电磁脱扣机构进行仿真分析，通过对中频断路器瞬时电 磁脱扣机构的改进，设计出一种在电磁脱扣性能上相对原电磁脱扣器机构有明 显提高的新的电磁机构。 2 第1 章引言 随着国民经济的发展，发电容量和用户的日益扩大，配电系统的可靠性和 连续性日趋重要，人们对断路器的动作特性及保护功能提出了更高的要求，所 以对断路器进行优化设计，提高断路器的性能有着重要意义。 一方面，我国低压断路器整体性能与国外相比，有着较大的差距，而事实 证明，技术先进的发达国家是不会把最先进的技术转让给我们的，所以，对国 产断路器进行优化设计对提高国产断路器的性能，缩小与国外同类产品的差距， 提高国产品牌的竞争力都有着十分重要的意义。 另一方面，国内低压电器产品的市场前景非常乐观，低压电器的市场容量 与电力事业的发展是紧密相连的，据专家预测，2 0 0 1 一2 0 1 0 年，按照经验配套 比计算，每年需要框架式断路器4 8 万台，塑壳断路器4 6 2 万台。可见，在未来的 几年内，断路器有着相当大的市场需求。【5 l 由以上分析可以看到，显然，该课题有着相当大的学术价值和经济意义。 1 2 国内外研究概述 早期的断路器电磁机构特性的计算，是采用基于磁路的方法进行求解。由 于大部分磁通都沿导体形成闭路，另外一部分磁通完全或部分地取道磁导体以 外的媒质( 主要是空气) 。这时，分析者就可以根据经验对磁场的分布进行一定 的近似等效，这是一种能够简化电磁机构计算的方法，但同时也导致了求解的 精度不高。 数字计算机出现以后，计算机作为计算工具使电磁场理论的应用取得了巨 大进展，解决了许多以往不能解决的问题，人们可以从多方面计算分析电磁机 构各种特性，为优化设计打下坚实的基础：电磁理论及数学方法的不断完善又 突破了传统的以局部、定性为主的分析方法，推动了电磁机构优化设计技术的 发展。应用场域仿真技术，采用电子计算机使用数值算法计算电器的磁场，可 以得到较为准确的结果。7 0 年代初期，p s l i v e s t e r 和m v k c h a f f 把有限元法引入 到电磁计算中，这是电磁场数值分析中的一个重要转折点。 随着有限元分析技术的不断发展，国外在通用可视化有限元分析软件领域 己经有许多较为成熟的产品问世，它们不仅可以完成以往的二维电磁场的分析， 还可以进行三维场的求解，大大提高了计算的精度和计算时间。其中影响较大 的有a n s o f t 软件、q u i c kf i e l d 软件、a n s y s 有限元分析软件。其中a n s y s 有 3 第1 章引言 限元分析软件是融结构、流体、电场、磁场、温度场分析于一体的大型通用有 限元分析软件，由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 公司开 发，它能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，女i p m e n g i n e e r ， n a s t r a n ，i - d e a s ，a u t o c a d 等，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一。 即使利用电磁仿真软件进行磁场计算，从建模到获得计算结果也需一定的 工作量，同时如果求解模型复杂度很高的话，所需要的工作量就很大。而在电 磁机构磁场计算时，模型常常存在小结构、小气隙，需要的工作量就更大。要 准确的求解电磁部件及其周围空间的电磁场，用有限元法进行计算过程非常繁 杂且十分耗时。在工程实践中，可以将磁场简化为带有集中参数的磁路进行计 算，这种方法称为等效磁路法。用磁路的方法计算十分简单，并且计算速度很 快，十分适合工程实际应用。 磁路概念是由美国的h c r o t e r s 在上个世纪4 0 年代提出的，在他的著作 ( ( e l e c t r o m a g n e td e v i c e s ) ) ( 1 9 5 5 ) 中首先提出了用磁场分割法建立气隙磁导和计 算电磁铁特性的磁路方法；6 0 年代，前苏联几位学者提出用分段法计算磁路和 归化漏磁导的概念；到了7 0 年代末，西安交通大学和北京航空学院提出了求解 非线性方程的磁路方法。这些磁路方法由于磁路的组成和气隙磁导计算来源于 经验，所以即使考虑了漏磁分布计算准确度仍不高。八十年代以来，随着大型 三维有限元分析软件的出现和计算机性能的成倍提高，磁场的有限元计算方法 得到了一定的发展，但易用性仍很差，简单易用的磁路在工程实际中仍是最主 要的电磁机构特性计算方法。【6 j 在本文的研究中，将综合了磁场与磁路两种方法，对船用低压中频断路器 进行了研究。 1 3 断路器发展的趋势 随着科学技术的进步，新技术、新材料、新工艺的不断出现和应用，计算 机技术、网络技术、现代通信技术、智能化技术、微电子技术、现代制造和现 代测试等技术为低压电器产品的开发提供了良好的条件。 同时，随着经济的发展，人类对电能的需求和依赖日益增大，因此承担电 能的传输与分配、用电保护与控制任务的低压电器产品的需求也日益增大。电 网容量的不断增大，低压配电与控制系统闩益复杂，对低压电器产品的结构和 4 第1 章引言 性能提出了更高的要求。为适应现代配电系统的要求，低压断路器正朝着高性 能、智能化、限流型、小型化、模块化、多功能、高分断、远程通信等方向发 展。【7 】 高性能是一个综合技术经济指标，要求断路器提高分断能力，飞弧距离小、 灭弧迅速、结构紧凑、小型化等。 分断能力是断路器的一个重要性能指标，随着现代电网容量的不断扩大， 提高分断能力显得更为重要。 多元化是现代低压电器发展的一个总的趋势，将断路器应用于各种特殊领 域，这又对断路器的设计与开发又提出了新的要求。 限流分断技术是现在低压断路器研究中最重要的方面，也是研究最多的课 题，现代配电系统要求当故障发生时，断路器要尽可能快的在故障或短路电流 的峰值到来之前切断故障电路，保护电网和用电设备不被故障电流损坏。所以 提高断路器的限流能力非常重要，限流型、快速分断、高分断能力、多元化是 断路器的主要发展方向。1 8 】 1 4 本文的研究内容 本文结合了上海电器科学研究所的实际工程任务，研究对象为额定电流3 2 a 船用中频断路器，利用数学计算软件m a t l a b 和大型有限元分析软件a n s y s 对 船用中频断路器脱扣器电磁机构特性进行了分析。本文主要对以下几个方面进 行了研究： ( 1 ) 介绍船用中频断路器的基本结构，并对其核心部件一一瞬时电磁脱扣器 进行了分析，针对低压断路器瞬时脱扣的要求，引入应用磁场原理的电 磁场计算方法，并探讨了大型有限元分析软件a n s y s 的特点。 ( 2 ) 针对频率变化对电磁脱扣性能的影响进行了分析和研究，分析了工频 5 0 h z 与4 0 0 h z 不同频率工况条件下的脱扣器的动作特性。 ( 3 ) 针对额定电流3 2 a 的船用中频断路器电流瞬时脱扣机构进行电磁分析计 算。并应用磁路分析的理论，利用m a t l a b 中的g u i 模块，开发电磁分析 计算软件。以便用户进行交互式操作。 ( 4 ) 应用磁场分析的理论，针对电流瞬时脱扣器的电磁铁部分进行分析，运 用大型有限元分析软件a n s y s ，使用有限元方法来计算低压断路器瞬时 5 第1 章引言 脱扣电磁铁的电磁力，并使用a p d l 语言来计算绘制电磁铁的静态特性曲 线。 ( 5 ) 针对电流瞬时脱扣器的电磁铁部分进行优化设计，旨在降低瞬时脱扣电 流。并通过试验进行验证，并提出一种方案对其他规格下断路器瞬时脱 扣机构进行优化，解决整个系列中存在的问题。 全文的总体框架如图1 1 所示。 图1 1 论文总体框架图 6 第l 章引言 1 5 本章小结 本章介绍了低压中频断路器电磁特性研究的背景和意义，对目前国内外电 磁场分析的发展现状进行了分析，总结了电磁分析的主要方法，最后给出了本 文的研究内容和总体框架。 7 第2 章低压断路器结构及a n s y s 软件简介 第2 章低压断路器结构及a n s y s 软件简介 2 1 低压断路器简介 低压断路器是一种既有手动开关作用，又能自动进行欠压、失压、过载和 短路保护的电器。相当于刀开关、熔断器、热继电器和欠压继电器的组合。 低压断路器是在交流1 2 0 0 v ，直流1 5 0 0 v 以下的电路中使用的电器，是一种 不仅可以接通和分断正常负载电流、电动机工作电流和过载电流，而且可以分 断短路电流的开关电器。它在电路中主要起短路和过载保护的作用，还具有欠 电压保护和远距离分断电源等功能，也可以直接操作不频繁启动的电动机和电 路转换等。 其工作特点是当配电电路处于正常状态时，它的主触头应可靠地接通电路， 其脱扣控制器不应误动作。其辅助触头应接触良好，不应发生接触不良等现象； 当配电电路发生短路、过载、接地等故障时，它应能及时可靠地将电路切断， 以保护配电电路及用电设备不被故障电流的热与电动力效应所损坏。此外，断 路器还应能不频繁地接通与断开配电电路，故障发生时，应尽可能地隔离故障， 而且仅仅隔离配电系统中受影响的部分，以避免或减小故障给电力系统及用电 设备所造成的损失，确保供电系统的安全性和可靠性。 断路器的形式和品种很多，常用的有：万能式断路器、塑料外壳式断路器、 限流式断路器、漏电保护式断路器等。【9 】 2 1 1 低压断路器的工作原理 图2 1 为低压断路器的工作原理图。开关的主触头是靠操作机构手动或电动 合闸的，主触头闭合以后，自由脱扣机构将主触头锁在合闸位置上。过电流脱 扣器的线圈和热脱扣器的热元件与主电路串联，失压脱扣器的线圈与主电路并 联。 8 第2 章低压断路器结构及a n s y s 软件简介 图2 1 低压断路器原理图 1 主触头2 锁键3 搭钩4 转轴5 杠杆6 弹簧7 过流脱扣器 8 欠压脱扣器9 衔铁1 0 衔铁1 1 弹簧 1 2 热脱扣器双金属片 1 3 热脱扣器电热丝1 4 分离脱扣器1 5 按钮1 6 。后电磁铁 图2 1 中，断路器主触头1 串联在三相主电路中。当开关操作手柄合闸以后， 主触头1 由锁键2 保持在合闸状态。锁键2 由搭钩3 支持着，搭钩3 可以绕转轴4 转 动。如果搭钩3 被杠杆5 顶开，则主触头1 就被复位弹簧6 拉开，电路分闸。 搭钩3 被杠杆5 顶开，是由各种脱扣器来完成的。正常运行时，过流脱扣器7 的线圈产生的吸引力不能吸合衔铁9 。当主电路发生短路时，短路电流使过流脱 扣器的吸引力大大增加，将衔铁9 吸合，并撞击杠杆5 ，把搭钩3 顶开，主触头1 分闸。当电路过载时，过载电流经过加热电阻丝1 3 使金属片1 2 受热弯曲，通过 杠杆5 将搭钩3 顶开。当主电路电压正常时，欠压脱扣器8 产生的电磁吸力能够克 服弹簧1 l 的拉力而将衔铁l o 吸合，当主电路电压降低时，欠压脱扣器8 的吸引力 减小，衔铁1 0 便被弹簧1 1 拉开，同样可以撞击杠杆5 和搭钩3 ，使主电路分闸。分 9 第2 章低压断路器结构及a n s y s 软件简介 离脱扣器用来手动远距离分闸。 断路器的手柄是作为正常情况下通、断电路及故障跳闸后重新接通电路之 用。 2 1 2 低压断路器的结构 低压断路器的形式和种类虽然很多，但是其基本的结构和工作原理基本相 同。主要由以下几个基本部分组成，即触头和灭弧系统；热脱扣器和分励脱扣 器，包括过电流脱扣器、欠压脱扣器、热脱扣器和分励脱扣器；操作机构和自 由脱扣机构。 触头系统：触头是电器的执行部分，是有接触点电器的重要组成部分。电 接触的基本任务是传导电流，基本要求是接触元件接触时为良好的导电体，接 触元件分离后为良好的绝缘体。触头的好坏直接影响电器的质量和性能目标。 电接触是复杂的物理化学过程，它涉及到热，电，磁以及金属变形的各种 效应，接触电阻的物理化学本质及其计算，触头接触过程中的跳动，和离开过 程中的电弧腐蚀金属迁移等。 由于需要接通和分断非常大的电流，这就决定了断路器主触头具有特殊的 结构形式。这时它必须满足以下三个基本要求： ( 1 ) 能安全可靠地接通和分断极限短路电流及以下数值的电路电流； ( 2 ) 按标准电寿命，在规定次数中接通和分断电路后不至严重磨损； ( 3 ) 长期工作制的载流能力。【i o j 常见的触头形式有对接式、桥式和插入式。触头在正常合闸状态下通过额 定电流，在故障状态下通过过载电流，所以要求触头材料要有足够的电动稳定 性和热稳定性，并且要有较低的接触电阻，因此，一般选用银基或银基合金材 料制造。 电磁机构：电磁机构是自动化电器的动作部分，在电器中占有十分重要的 地位。电磁机构涉及到磁场和电磁场，而且也是电磁一一力一一运动的综合应 用。低压断路器中的电磁机构多为可动铁心或可变气隙的电磁装置，它的磁场 图复杂而且在理论计算方面有自己特殊规律。电磁机构分析的主要目的是研究 它的静态特性和动态特性，确定电磁机构的动作时间。由于边界形状不规则、 复杂的物质结构、磁场的分散性和铁心磁路的非线性，电磁机构中的电磁计算 1 0 第2 章低压断路器结构及a n s y s 软件简介 十分复杂。在以前的实际设计计算中，只能采取简化的措施，或者用模拟试验 的方法来求得满足工程要求的近似结果。伴随电子计算机飞速发展出现的数值 方法给解决此类问题提供强有力的工具。 灭弧系统：灭弧系统的主要作用是熄灭触头在切断电路时所产生的电弧。 由于开关的结构、型号、电压等级、额定电流等技术参数不一样，所采用的灭 弧方式也不一样。一般低压断路器的灭弧系统常采用铁板制成的栅片和窄片相 结合的复式结构，增强了灭弧能力，有效地限制了灭弧的距离，从而提高了它 的断流容量。 脱扣机构：低压断路器为了得到不同的保护特性，必须带有不同的脱扣器。 为了得到过电流瞬时动作，一般带有电磁脱扣装置；为了得到反时限的过载时 间一一电流特性，可带有过流脱扣或油阻尼脱扣器；为了得到短延时或长延时 脱扣，可带有钟表机构脱扣器；近些年来由于电子、控制技术的快速发展，智 能脱扣器得到广泛应用，智能型断路器是指采用了智能脱扣器的断路器，智能 脱扣器使断路器实现了遥测、遥控、遥信和遥调等功能。现在智能脱扣器都采 用单片机、d s p 等微处理器作为逻辑处理的基础，其发展趋势之一是功能越来越 多，除了传统的脱扣功能外，还有脱扣前报警功能、线路参数检测功能以及试 验功能；另外一种趋势是采用现场总线技术，把设备的网络化作为目标。【l l 】 开关机构：开关机构是分合闸操作机构，包括自由脱扣机构、操作手柄、 电动合闸装置。开关机构应保证在正常状态下开关能可靠地分断与闭合，故障 时又能顺利脱扣。 对开关机构的基本要求是： ( 1 ) 机构应能满足开关分合时动作次序的要求，动作准确可靠； ( 2 ) 机构应灵活省力，脱扣力要小； ( 3 ) 自由脱扣时，触头应能快速地分断，分断速度和手柄位置无关。 低压断路器所采用的操作机构主要是连杆机构，属于典型的五杆机构，通 过临时支点的固定与解除，可以完成合闸和自由脱扣的任务。分闸的速度与手 柄无关，与开断弹簧弹性系数和a b c d 点的位置有关，但弹簧的弹性系数不能选 得过大，否则合闸速度虽然大，但操作费力。 d z l 0 系列塑壳式低压断路器的机构原理如图2 2 所示。 第2 章低压断路器结构及a n s y s 软件简介 图2 2 断路器的机构原理图 图2 2 所示机构位置为断路器的手动分闸和再扣位置。需要合闸时，将手柄 j o 向左推，操作杆j o 绕o 逆时针转动，弹簧( 两端分别连接j 点和b 点) 随手柄 转动而受到拉伸并贮能，当弹簧力的作用线与上连杆d b 重合时处于最大位能状 态。一旦超过上连杆d b ，在弹簧力的作用下b 点向左运动，下连杆a b 推动触头 快速闭合。触头完全闭合后，连杆d b 、a b 处于挺直的死区位置。如果过载或瞬 时电流过大引起脱扣器动作，锁扣h 转动使脱 f i t 端自由，在弹簧的作用下，脱 扣c d t 绕c 点逆时针转动，d 点成为活动点，d b 、a b 自由变成五连杆机构，因 为五连杆机构有两个自由度，触头立即断开。【1 2 】 2 2 瞬时脱扣器结构简介 电磁机构是电器的重要组成部分，其设计的优劣和开关电器的性能密切相 关。在低压电器中，电磁式低压断路器的操作机构为瞬时脱扣器。它主要由静 铁芯、动铁芯( 衔铁) 、线圈、反力弹簧等组成，是一种电流型电磁铁( 即串激 电磁铁) ，电磁铁的线圈被直接串接在主回路中，通过电流大，匝数少，串激电 磁铁的线圈，粗的紫铜线制成。断路器用电磁脱扣的设计一般设计以下几个方 面：负载的反力特性及设计点的吸力特性，静态特性是在不考虑电磁系统的过 渡过程，即在气隙值万和磁势删无限缓慢变化的条件下所得到的电磁吸力与气 隙值的关系，它是电磁铁能可靠工作、具有高灵敏度和长寿命的基本保证，对 电磁系统来说是非常重要的特性之一。【”】 1 2 第2 章低压断路器结构及a n s y s 软件简介 电磁脱扣时主要带动衔铁运动而做机械功，设计主要依据衔铁的反力特性。 反力特性是指反力f 对衔铁行程( 气隙万) 的关系，即f 钔缈，拍合式电磁铁也 可以取反作用力力矩蛳寸衔铁转角口的关系，n l m f = f ( 口) 。电磁铁的反力是由运 动部分的重力、反作用弹簧力、摩擦力及其他机械力组成。典型的额定电流4 0 0 a 断路器瞬时脱扣器如下图2 3 所示。 人n j 。 图2 34 0 0 a 瞬时脱扣器的三维模型 在正常情况下，工作电流经载流导体通过，瞬时脱扣器的衔铁是释放着的； 一旦发生短路故障时，瞬时脱扣将形成强大磁场，铁轭的两个端面就产生较强 的电磁吸力把衔铁往左吸引而顶开锁钩，使主触点断开。当电源电压恢复正常 时，必须重新合闸后才能工作，实现了短路保护。 2 3 电磁力的数值计算方法 磁场的数值计算方法就是将磁场的连续问题离散化的数值解法。所谓“离 1 3 第2 章低压断路器结构及a n s y s 软件简介 散化就是把计算无限多个点上的数值变为有限多个节点上的数值。【1 4 】 对于电磁场的研究通常要用到以下四个电磁场的基本定律和磁路计算基本 公式： p d s = q ( 2 1 ) 拈d l ：一坐 ( 2 2 ) j 班 c b d s = 0 ( 2 3 ) 弘d l = 等 汜4 ) 式( 2 1 ) 是关于电场性质的公式，它表明在任何电场中，通过任意封闭曲 面的电通量等于该封闭曲面的自由电荷的代数和。式( 2 2 ) 是关于变化电场和 磁场之间的联系的公式，在任意电场中，电场强度沿任意闭合曲线的线积分， 等于该闭合曲线所包围面积的磁通量随时间的变化率的负值。式( 2 3 ) 关于磁 场性质的公式，它说明在任何磁场中，通过任意封闭曲面的磁通量等于零。式 ( 2 4 ) 是关于变化电场与磁场之间联系的公式，在任何磁场中，磁场强度沿任 意闭合曲线的线积分等于通过该闭合曲线所包围面积的电流。【1 5 】 运用磁场的方法求电磁力的数值计算方法通常由洛仑兹力、m a x w e l l 、 虚功法求出。【1 6 1 ( 1 ) 洛仑兹力法 根据电磁场理论，任何磁场力都可以归结为磁场对运动电荷的作用力，即 洛仑兹力，该力通过磁场介质传递而在介质中存在磁场应力。 如在由线圈形成的磁场中，衔铁中的感应电流密度为，则磁场对单位体积 的衔铁作用力为： f = j b ( 2 5 ) 在整个衔铁体积上积分可得到整个衔铁上的洛仑兹力。 厂2 杪b ( 2 6 ) ( 2 ) m a x w e l l 法 根据电磁场理论，磁场对载流导体和铁磁体的作用力是通过介质传递的， 1 4 第2 章低压断路器结构及a n s y s 软件简介 在磁场介质( 如空气) 中存在应力，即沿磁力线( 磁感应强度线) 方向的张力 和在磁力线垂直方向的压力；在磁力线方向这些力趋于缩短物体间的距离，而 在横向则趋于把物体挤开。 磁场中，作用在磁质上的体积力向通常用麦克斯韦应力张量t 来表示： 厶= v t ( 2 7 ) 其中t 中的元素： 乃2e 色一岛 ( 2 8 ) 式中 则作用在衔铁上的合力为： 由 。f 1 i = 岛2 t o f h = f b d h ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 代入式( 2 1 1 ) 得， 肛f ( 上t o ( 驴踟一去矿玎) a s ( 2 1 3 ) 式中：s 一一包围衔铁的任意闭合曲面； 一一沿封闭表面法线方向的单位矢量； 曰一一该表面处磁感应强度矢量。 理论上包围曲面是任意的边界，只要包围曲面能够在空气中形成封闭曲面， 而且封闭曲面之间不存在其他载流导体或铁磁物体，其结果是一致的，但是仍 有一些差异，麦克斯韦法选取通过单元质心或单元中线的积分路径时的计算精 度高于其他选择。 ( 3 ) 虚位移原理法 磁场贮存有一定的能量，根据能量守恒的方法应用虚位移原理，可以求得 电磁力。 1 5 第2 章低压断路器结构及a n s y s 软件简介 图2 4 电磁铁虚位移原理示意图 图2 4 为电磁脱扣的侧面模型，取一围绕整个模型的闭合面q ，其边界为s ， 假设衔铁在电磁力的作用下向下移动了d 万，根据能量守恒可以求解出电磁力。 抛，= 施e 一地。一抛s ( 2 1 4 ) 式中d f l p 为磁场力所做的机械功d f l f = d 8 f f 即为所要求的电磁力。 d f l ，为区域内电能的增加量： d o e = p j d t d v ( 2 1 5 ) 式中：e 一一电场强度矢； j 一一电流密度矢量； v 一一区域的体积。 d f l 。场域内磁场能的增加量： 施，= d 工f ( h d b ) d v ( 2 1 6 ) d f l 。为通过边界s 散失的能量： 拉s2 上( e 日) n d t d s ( 2 1 7 ) 综合就可以得到电磁力的大小。【1 7 】 洛仑兹力法、麦克斯韦法、虚位移法求解电磁力是完全等价的，在求解时 可以根据模型的分布及边界曲面的选择来确定采用哪种方法计算电磁力。在本 文中将应用a n s y s 软件，根据m a x w e l l 法求解电磁力，定义衔铁为一组件， 1 6 第2 章低压断路器结构及a n s y s 软件简介 然后在此组件上施加力的标记( f l a g ) 并在后处理中计算此组件包含所有单元的 电磁力之和。【1 8 】 2 4 大型有限元分析软件a n s y s 2 4 1a n s y s 简介 a n s y s 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 1 9 1 ( 1 ) 前处理模块： 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具。a n s y s 程序提供 了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。a n s y s 程序提供了完整的布尔运 算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。无论使用自顶向下还是自底 向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出 一个实 体模型。a n s y s 程序提供了使用便捷、高质量的对c a d 模型进行网格划分的 功能。包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。 用户可以方便地构造有限元模型。 ( 2 ) 分析计算模块： 分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性 分析) 、流体动力学分析、电磁场分析、温度场分析、声场分析、压电分析以及 多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优 化分析能力。 ( 3 ) 后处理模块： 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子 流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式 显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 在a n s y s 中，电磁场分析主要有三种方法：磁标势法、磁矢势法、边界元 法。磁标势法以节点标量磁势为自由度、磁矢势法以节点磁矢势为自由度、边 界元法以边通量为自由度。在这三种方法中，边界元法对于场域中有多种介质 的情况，相对于其它两种方法有更高的精确度。 2 0 l 1 7 第2 章低压断路器结构及a n s y s 软件简介 2 4 2 计算方法的选择 a n s y s 软件是基于m a x w e l l 方程组求解电磁场，其中三维电磁场计算电 磁力使用下列公式： f = 去强旧以胪三b 2 n e m 汜 式( 2 1 8 ) 中：f 一一电磁力； b 一一磁通密度； s 一一位于气隙中包围受力部件的任意一个闭合曲面； d 一一空气磁导率； 一一曲面的单位法相量。 在a n s y s 电磁计算中采用的单元的自由度可能是标量磁势、矢量磁势或者 边界磁通量。在三维静磁场分析中一般采用磁标位法( m s p ) 。具体分为以下几 种：简化磁标位法( r s p ) ，常用于没有铁电磁区或者只有铁电磁区而没有电源 区域时；微分标量势法( d s p ) 和通用标量势法( g s p ) 可用于模型中既有铁电 磁区域又有电源区域，d s p 一般用来分析不构成闭合回路的电磁铁模型，而g s p 一般用来分析构成闭合回路的电磁铁模型。针对本模型选用d s p 方法。【2 1 】 2 4 3 电磁场模型的建立及其求解 在实际分析过程中发现用a n s y s 直接计算二维模型交流电磁吸力比较困 难。经分析，可将交流电磁铁电磁吸力计算转化为静态磁场分析，分别按照虚 功原理和m a x w e l l 张量法计算衔铁电磁吸力( 用f m a g b c 命令加力标志， 用f m a g s u m 命令求力) ，这个静态吸力就等于交流平均吸力。【2 2 】 ( 1 ) 建立模型和网格划分( 前处理模块) ： a 定义单元类型：由于场域存在不同属性的磁介质，根据模型的结构和材 料特性，定义网格划分单元的形状。 b 定义材质属性：整个场域由衔铁、铁轭及铁芯、线圈、空气四个部分组 成，分别定义四个部分对应的相对磁导率或b h 曲线。 c 建立几何模型：在定义了磁场分析的单元类型和材质属性后，就开始建 立几何模型。几何模型是对之剖分并生成有限元模型的基础，在很多情况下， 1 8 第2 章低压断路器结构及a n s y s 软件简介 要根据剖分的具体要求而对几何模型进行分块，分块的好坏有时在很大程度上 决定了模型剖分的质量。 d 定义体属性：完成几何模型创建后，就要对几何模型的不同区块定义相 应的材质属性。材质属性是生成求解系数矩阵的必要条件。 e 几何模型剖分：完成几何模型创建和体属性定义后，就可以对几何模型 进行网格剖分了。这一步将电磁铁的几何模型转