基于Ansys的大电流脱扣器设计与仿真研究

张碧;赵毅君;李谟发;施晓蓉

【摘 要】对TKX800塑壳断路器的大电流脱扣器反力弹簧进行设计,对脱扣器电磁吸力从工程原理上进行分析与计算。在Pro/E中建立大电流脱扣器的模型,并把模型导入到Ansys有限元分析软件中,对大电流脱扣器的静态特性进行仿真研究。仿真结果表明,反力弹簧设计方法与电磁吸力计算方法正确,能为同类大电流脱扣器的研究与设计提供理论依据。

【期刊名称】《电器与能效管理技术》 【年(卷),期】2016(000)017 【总页数】4页(P42-44,55)

【关键词】塑壳断路器;大电流脱扣器;有限元分析;静态特性 【作 者】张碧;赵毅君;李谟发;施晓蓉

【作者单位】[1]湖南工程学院风力发电机组及控制湖南省重点试验室电气信息学院,湖南湘潭411104;[2]湖南电气职业技术学院,湖南湘潭411101 【正文语种】中 文 【中图分类】TM561

脱扣器作为断路器内的保护装置,保护能力直接影响着断路器的保护性能,且不同的脱扣器具有不同的保护性能。低压断路器中,脱扣器类型有热脱扣器、电磁脱扣器、液压-电磁脱扣器、电子脱扣器等[1]。热脱扣器、液压-电磁脱扣器主要用于过载长延时保护,电磁脱扣器[2]用于短路瞬动保护,电子脱扣器具有过载长延时保护、短

路瞬动保护、短路短延时保护以及接地电流保护等多种功能。本文主要针对用于短路保护的TKX800塑壳断路器的大电流脱扣器进行设计。

TKX800额定壳架电流等级相对较高,根据产品结构需要,后备电磁铁保护装置放置在前基座的牵引杆下端,可预留较大的空间。因此,本文设计的大电流脱扣器可安装于50 mm×30 mm×16 mm的空间内;短路故障时,为使得脱扣器在基座瞬动脱扣器动作之前立即响应动作[3],设计动作电流为16 000 A,为断路器额定值的20倍(断路器额定电流为800 A);设计的脱扣行程为6 mm,其中自由行程为2 mm(即顶杆到上方牵引杆的直线距离),动作行程为4 mm。 1.1 反力弹簧的设计

在低压断路器中,弹簧是一种极其重要的零件,其好坏会影响断路器的主要性能和参数[4]。TKX800塑壳断路器操作机构的主拉簧和牵引杆弹簧为圆柱拉伸弹簧,锁扣弹簧为冷卷圆柱螺旋扭转弹簧。本文设计的大电流脱扣器的反力弹簧采用的是圆截面圆柱螺旋压缩弹簧,材料为碳素弹簧钢丝。

设计原始数据[5]:弹簧中径D=4 mm,安装高度H1=(15～17)mm,安装负荷F1=4.8 N,弹簧从安装高度压缩6 mm,压缩负荷F2=9.6 N。反力弹簧计算数据如表1所示。

因电磁铁的磁场材料具有非线性的特性,电磁铁的磁场和温度场分布不均匀等多种原因,使得电磁铁的设计和计算相对复杂。

在工程上,忽略电磁铁的铁心磁阻、铁损耗和边缘扩散作用,对电磁铁的吸力进行近似计算。从能量平衡关系的吸力计算式,推导出常用的电磁铁吸力近似计算式,并分析吸力特性。

本设计方法中气隙值较大,漏磁系数取7。据相关数据代入式(1),F=24.50 N>12.48 N[5]。考虑设计计算的误差与产品工艺制造上的偏差,计算的结果比较理想。经分析,推测在这种结构基础上调节相关参数可以达到设计要求。

大电流脱扣器电磁场仿真分析采用有限元分析软件Ansys,能够与多数CAD软件(如Pro/Engineer,AutoCAD等)接口,从而实现数据的共享和交换。Ansys主要用于电磁场问题的分析,如电感、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力和能量损失等;还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。 3.1 分析方法

分析方法采用3-D静态磁场分析的棱边单元法。脱扣器线圈中的电流为工频交流电,当电流达到峰值时,产生的电磁吸力也最大。仿真时只需考虑此种情况,将谐波磁场分析简化为静态磁场分析。

棱边单元法:允许绞线和块状导体,支持Sourc36载荷、电流、电路和电压馈电,以及直流加载,一般采用Solid117单元进行分析。Solid117单元适用于三维静态磁场、涡流分析,在磁区允许使用,分析类型可为静态、谐波、瞬态。 运用Ansys进行有限元仿真分析,系统流程如图1所示。 本文采用棱边法静态场分析步骤如下:

(1) 导入Pro/E生成的*.igs格式的3D实体模型; (2) 在菜单过滤中选定Magnetic-edge; (3) 选择Soild117单元;

(4) 建立空气区域、赋予特性并剖分模型; (5) 给模型加磁力线平行或垂直边界条件; (6) 加电流密度载荷;

(7) 为计算作用到导磁体上的电磁吸力,先定义组件,再施加力的标志; (8) 选择静态分析类型; (9) 选择求解器;

(10) 求解,对于非线性分析,采用两步求解;

(11) 后处理,观察结果。可进行电流密度和磁场分布显示,计算电磁力等。

其中,大电流脱扣器的简化仿真模型如图2所示;铁磁材料的磁化曲线如图3所示。 3.2 仿真与结果

大电流脱扣器的电磁场仿真及结果如下:

(1) 计算衔铁所受电磁力。线圈匝数一匝,电流为×20×800 A。

(2) 材料特性。磁轭、顶杆和压板磁导率为B-H曲线;软连接带和后基座热元件的电阻率1.75×10-8 Ω·m(20 ℃);相对磁导率为1.0。

(3) 方法与假定。本文使用智能网络划分(LVL为6),设定全面为通量平行、自然边界条件,自动得到满足。

(4) 预期结果。电磁力(Z方向)=-12.48×(1±10%) N。Z方向力即所计算的磁力,X和Y方向力将与建模产生的力相抵消。

电磁力计算,所求的电磁吸力为-13.117 N,负号表示电磁力的方向是使气隙减小的方向。=1.05倍,符合预期的计算结果。

在后处理器查看导体中的电流密度分布图和铁磁材料的磁通密度分布图,分别如图4和图5所示。由图4和图5观察分析,导体中的电流密度和铁磁材料的磁通密度均在设计允许范围内。

随着计算机科学技术的飞速发展和有限元分析软件性能的不断提高,通过计算辅助设计来进行产品可行性方案设计的研究已成为一种主流趋势。本文以额定电流为800 A的TKX塑壳断路器的大电流脱扣器为对象,对磁场进行分析,建立了大电流脱扣器的简化有限元仿真模型,并使用Ansys软件对大电流脱扣器的静态特性进行了计算和仿真。将仿真结果与预期相比较,仿真结果在设计所要求的范围内,从而验证了设计方案的可行性。

【相关文献】

[1] 顾惠民.断路器过电流保护脱扣器的设计研究[J].电器与能效管理技术,2016(2):11-15. [2] 郑永刚,苏邯林.电磁式剩余电流脱扣器的结构分析与研究[J].电器与能效管理技术,2015(1):24-28.

[3] 杨家.低压断路器脱扣电流的整定计算[J].中国高新技术企业,2016(2):110-113. [4] 朱俊,徐迪安,葛伟骏,等.NB310L带过电流保护的剩余电流动作断路器[J].现代建筑电气,2015(2):38-40.

[5] 尹天文.低压电器手册[M].北京:机械工业出版社,2014.