3、电磁脱扣器设计

电力设备电气绝缘国家重点实验室XiXi’’ananJiaotongJiaotongUniversity,ChinaUniversity,China二、电磁脱扣器设计二、电磁脱扣器设计二、电磁脱扣器设计吴翊杨飞纽春萍荣命哲[e-mail]1.1.电磁脱扣器的分类电磁脱扣器的分类2.2.电磁脱扣器的设计要点电磁脱扣器的设计要点3.3.电磁脱扣器的设计难点电磁脱扣器的设计难点4.4.电磁脱扣器的仿真设计方法电磁脱扣器的仿真设计方法主要内容主要内容1.电磁脱扣器的分类断路器利用脱扣器来实现保护功能，而基于电磁原断路器利用脱扣器来实现保护功能，而基于电磁原理的脱扣器应用最为广泛。根据工作原理与保护功理的脱扣器应用最为广泛。根据工作原理与保护功能的不同，一般将电磁脱扣器分为两类。能的不同，一般将电磁脱扣器分为两类。瞬动脱扣器（直接脱扣器）分励脱扣器（间接脱扣器）感应断路器主回路中电流进行动作实现瞬时短路电流脱扣保护由继保系统发指令进行动作结合继保系统可现多种脱扣保护功能1.电磁脱扣器的分类两类脱扣器各有其优缺点1)瞬动脱扣器直接感应回路电流，不需要复杂的判断系统，保护动作迅速、可靠，但实现的保护功能相对单一；2）分励脱扣器可根据用户需求结合继保系统实现过流保护、电流上升率保护、热反时限保护等一系列保护功能，但需要二次系统供电，可靠性不如瞬动脱扣器2.电磁脱扣器的设计要点由于应用场合的差异，两种脱扣器的设计侧重点有所不同1)瞬动脱扣器第一要保证一定的动作整定值，第二要保证较短的脱扣时间；2）分励脱扣器一般情况下用户对脱扣时间特性有相应的要求电磁脱扣器设计过程中需要解决的核心问题就是电电磁脱扣器设计过程中需要解决的核心问题就是电磁力与脱扣器机构反力之间的配合关系磁力与脱扣器机构反力之间的配合关系3.电磁脱扣器的设计难点在了解电磁力与反力的对应关系中，由于仿真与实际等在了解电磁力与反力的对应关系中，由于仿真与实际等多方面因素的影响，造成了脱扣器设计有很多技术难点多方面因素的影响，造成了脱扣器设计有很多技术难点铁磁材料的非线性不同厂家的铁磁材料性能差异很大设计反力特性必须考虑弹簧的尺寸与装配弹簧实际生产中力学特性有差异反力特性3.电磁脱扣器的设计难点对于电磁脱扣器的设计，采用仿真与试验相结合的方法：要保证对于电磁脱扣器的设计，采用仿真与试验相结合的方法：要保证计算的准确，要求在计算中选取的参数有试验依据计算的准确，要求在计算中选取的参数有试验依据铁磁材料磁特性测试装置4.电磁脱扣器的仿真设计方法™瞬动脱扣器™瞬动脱扣器机械设计手册ANSYS电磁问题分析电磁问题分析机构分析机构分析自开发软件图为某种瞬动脱扣器模型图，当铁轭中央有大电流I经过时，铁磁材料中会形成磁场，动铁芯会受到铁轭的电磁吸力。当电磁吸力大于机构反力时，动铁芯运动完成脱扣动作4.电磁脱扣器的仿真设计方法™总体分析流程（以直动脱扣器为例）™总体分析流程（以直动脱扣器为例）计算得到动铁芯所受电磁吸力F随气隙x与电流I变化的二维数据表格设计电磁分析所需要的几何模型根据脱扣器初始位置和电流整定值确认反力f的初始值已知短路电流波形，调节刚弹簧刚度系数得到脱扣器的运动特性根据最终的刚度系数确认弹簧的加工与装配尺寸始终无法满足脱扣要求得到最终脱扣器模型与反力弹簧型号无法满足装配要求ANSYSANSYS自编程程序自编程程序机械设计手册机械设计手册4.电磁脱扣器的仿真设计方法™数据表格计算™数据表格计算几何模型图仿真有限元模型直接脱扣器模型磁通密度分布图数据表格通过ANSYS有限元仿真软件得到。ANSYS电磁分析的基本步骤为：导入模型——定义分析类型与材料属性——模型剖分——施加电流载荷与磁场边界条件——软件求解——后处理提取电磁力结果剖分有效性验证：不断改变剖分密度，当前后两次计算值之差小于1%时认为剖分稳定，以这时的剖分模型作为后续计算的模式。4.电磁脱扣器的仿真设计方法™脱扣运动特性分析™脱扣运动特性分析()(,)()iitFixFxdvdtmdxvdt⎧=⎪⎪−⎪=⎨⎪⎪=⎪⎩吸反脱扣器动态特性求解三个动态方程。式中v为脱扣器可动部件运动速度，m为可动部件质量，F反为机构反力与弹簧反力的合力，电流波形i(t)根据实际工况下的短路电流波形给出。0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.0010000200003000040000500006000070000时间（ms）电流（A）吸力矩（N*m）反力矩（N*m）速度（rad/s）气隙(°)02468101214161820222426283002468101214161820222426280.00.51.01.52.02.53.0瞬动脱扣器动态特性曲线4.电磁脱扣器的仿真设计方法多种结构的直接脱扣器模型不同电流条件下脱扣器测试结果图利用上述思路，课题组成功设计了多种瞬动脱扣器4.电磁脱扣器的仿真设计方法™分励脱扣器™分励脱扣器针对电磁原理不同，课题组设计的分励脱扣器既可以利用斥力机构提供脱扣力，也可以利用电磁机构的吸力作为脱扣力对于吸力式脱扣器，设计流程基本与瞬动脱扣器设计流程一致，区别在于：•由于分励脱扣器原理是电源对脱扣电磁铁线圈放电，动态方程中电流i需要求解电路方程得到；•为了求解电路方程，利用ANSYS进行有限元计算时还要计算脱扣器线圈电感L随电流i与气隙x变化的数据表格。动态方程如下图：⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪cc吸反diU=iR+L(i,x)dtdUi=CdtF(i,x)-F(x)dv=dtmdx=vdt4.电磁脱扣器的仿真设计方法™分励脱扣器™分励脱扣器电磁脱扣机构原理机构模型与实际装置对比图实验和仿真计算结果实验和仿真计算结果电流变化曲线位移曲线动态特性实验测试结果4.电磁脱扣器的仿真设计方法线圈电流密度斥力盘应力分布快速斥力脱扣器原理实验和仿真计算结果实验和仿真计算结果线圈电流位移曲线™分励脱扣器™分励脱扣器斥力机构的工作原理如图，通过预充电的电容C向盘式线圈放电，产生一个维持几毫秒的脉冲电流iq。在脉冲电流的作用下，金属盘中将感应出涡流ip，并使线圈与金属盘之间产生强大的电磁斥力，从而带动机构运动，实现快速脱扣。由于ANSYS软件自身的局限性，对于斥力机构一般利用ANSOFT软件进行分析。虽然ANSOFT开发性不如前者，对于二维对称模型的分析有优势。•操作简单明了；•自动耦合了运动方程与运动方程16谢谢