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《電器工業》2014年第四期

1電磁系統工作原理

以U型電磁鐵為例加以說明，鐵心上兩個繞組并聯。電磁鐵結構原理如圖1（a）所示，在銜鐵吸合的過程中，兩個線圈并聯運行作為激磁源，當銜鐵運動到適當位置，斷開起動線圈，由保持線圈單獨工作。線圈工作原理如圖1（b）所示，常閉開關S由銜鐵位置控制。在開始吸合時S處于閉合狀態，兩線圈并聯于電路中，此過程中系統安匝數有兩線圈共同提供，總的安匝數很大，銜鐵受到的電磁力足以克服反力開始運動，使銜鐵向鐵心靠近，當銜鐵達到適當位置時，S打開，啟動繞組所在支路斷開，但由于泄流二極管D的存在啟動繞組電流經過一個泄放的過程逐漸變為零，此后，回路中只有保持繞組工作，此時電流較小，安匝數小，但銜鐵已經有了較大的運動慣量，將繼續靠近鐵心運動，使氣隙減小，繞組仍能產生足夠大的吸力使鐵心完全閉合并符合觸頭壓力的要求。由于保持繞組的安匝數較小，故可大幅減小損耗；而運動過程中切換電流也減小了完全閉合時的運動慣量。

2電磁系統的應用

應用上述結構對690V/1250A控制與保護開關電器的電磁系統進行設計。從其工作原理可以看出，合閘過程中起動線圈起主要作用，而保持能耗取決于保持線圈。因此，設計時可適當調整起動線圈電流來優化電磁系統吸合特性，在滿足觸頭壓力的情況下盡量減小保持線圈安匝數以減小保持能耗。銜鐵和靜鐵心的設計可根據反力特性，按傳統方法進行初算。電磁系統及反力系統如圖2所示。從圖中可看出其反力主要包括反力彈簧的拉力、主觸頭彈簧拉力、運動部件重力以及緩沖彈簧作用力。合閘過程中電磁吸力克服系統反力做功使銜鐵吸合。其靜態反力特性如圖3所示。對于分斷過程，分斷時間可以計算；下文中將介紹采用Ansoft3D瞬態求解器對其合閘的動態過程進行仿真分析。

2.1仿真模型的建立及材料的分配由于傳統的靜態特性分析不能得出有效的動態特性，本文采用MaxwellAnsoft3D電磁場瞬態求解器對其動態特性進行分析。仿真模型包括銜鐵、靜鐵心、起動繞組、保持繞組、運動域和計算域六個部分組成，其3D仿真模型如圖4所示。由于該模型較為簡單可在Ansoft工作界面中直接建立模型。每個部分都需要設置材料的屬性。為了減少速度通量的影響，必須考慮在分合閘過程中電磁體中渦流的影響，所以動靜鐵心的材料設置為硅鋼片；兩線圈材料設置為銅；其余部分材料設置為空氣。

2.2激勵的施加和邊界條件的給定由于需要在和閘過程中對勵磁繞組進行控制，以實現由雙線圈工作切換為保持線圈單獨工作。因此，需要引入外部電路作為激勵源和Ansoft進行聯合仿真，通過場路耦合來實現勵磁繞組的特殊激勵。外掛電路如圖5所示。外電路中電感名稱要和模型中將要添加的繞組名稱一致，否則將無法調用。三維瞬態場中，邊界條件包括磁場強度切向分量恒為零邊界條件，絕緣邊界條件，對稱邊界條件和主從邊界條件。該模型中，系統同默認的邊界條件比較合適，因此，不需要制定其邊界條件。

2.3模型的剖分和求解設定根據本次仿真分析的需要，采用手工剖分的方法對模型進行剖分。首先，因為要研究銜鐵的運動特性，所以運動域和銜鐵的網格剖分需要加密一些；靜鐵心和勵磁線圈尺寸在一個數量級且都屬于固定件，其網格尺寸可稍微放大；求解域的網格尺寸可以設定到更大。按以上原則設定網格尺寸，然后進行剖分即可。仿真模型模型剖分結果如圖6所示。剖分完畢后，還要定義銜鐵運動的機械屬性。因為運動部件是銜鐵，所以需要對銜鐵在運動區域內的機械運動屬性進行設定。首先，對運動方式和運動的參考方向進行設定；然后，對運動范圍進行設定，需要注意的是，軟件內部規定運動部件和固定部件不能接觸，故運動范圍應稍小于氣隙范圍；最后，是對運動初速度、運動部件質量、阻尼系數和系統反力的設定，因為銜鐵與動觸頭及一些緊固件相連，應把這些物體的質量歸算到銜鐵上。

3仿真結果對比分析

應用上述方法對額定電壓為110V的并聯雙線圈電磁系統進行分析和研究。仿真時間為160ms，步長為1ms。分別對單線圈和并聯雙線圈電磁系統動態特性進行了仿真。從仿真結果可見并聯雙線圈到的啟動電流最大值為14.18A，在60ms時起動繞組斷開，其電流逐漸變為零，保持繞組電流穩定后在0.53A左右，而相同安匝數的單線圈穩定保持電流為21.24A，其電流-時間特性對比曲線如圖7所示。如圖8所示，在12.5ms時吸力等于反力，之后吸力均大與反力并且趨勢相同，兩者配合良好。根據觸頭系統的計算，觸頭終壓力不小于275N即可，雙線圈電磁系統銜鐵停止運動時每個觸頭上的壓力約為440N；單線圈電磁系統每個觸頭壓力約為1800N，兩者均符合設計要求，但單線圈結構由于觸頭壓力過大單線圈結構觸頭發生冷汗現象的可能性增大。銜鐵的位移-時間特性和速度-時間特性對比圖分別如圖9和圖10所示。從圖9可知單線圈結構銜鐵在52ms是完全閉合，而雙線圈結構銜鐵在66ms是完全閉合。從仿真結果可得出并聯雙線圈結構銜鐵和鐵心接觸時速度為1.073s/m，單線圈結構兩者接觸時的速度為1.655s/m。通過對仿真結果的分析得出傳統結構和雙線圈切換結構的主要性能參數對比如表1所示。表1給出了并聯雙線圈切換電磁系統結構和傳統單線圈電磁系統結構主要性能參數的對比，前者與后者相比可以節省96%的電能，碰撞慣量也有明顯減小，提高了電器的使用壽命，但合閘時間稍長。

4結論

通過對并聯雙線圈電磁系統的研究及對應用實例的仿真分析，得出以下結論：（1）并聯雙線圈電磁系統雙線圈切換簡單，容易實現；吸合過程和保持過程分別由兩個線圈控制，便于結構參數優化。（2）利用MaxwellAnsolt3D動態求解器對電磁系統動態特性進行仿真分析，具有直觀性好、計算精確的優點，但是計算量較大。（3）與傳統單線圈電磁系統相比，起動安匝數相同時，并聯雙線圈可以大幅降低能耗，減小運動慣量，吸反力配合特性更好，但吸合時間稍長；可以通過適當增加啟動繞組安匝數來減少合閘時間而不改變保持能耗。

作者：蔡志遠趙自立單位：沈陽工業大學電氣工程學院