基于ANSYS的低壓斷路器電動斥力計算分析

文／杭州之江開關股份有限公司 戴水東 洪黎歡

0 引言

在傳統的塑殼斷路器設計與生產工藝中，觸頭預壓力的確定主要是通過各種經驗數據計算和參數指標摸底實驗進行測仿，而采用有限元分析的較少。產生的弊端一是產品研發的材料成本和試驗成本大，二是開發的周期時間長。在現在的市場競爭和工程實踐中，必須引進和應用有限元分析來提高設計速度，減少試驗費用，提高斷路器的可靠性。

1 模型處理

本次電動斥力的計算是通過ANSYS有限元軟件來分析求解的。首先我們將塑殼斷路器動靜觸頭的實體模型導入到ANSYS中，可得到如圖1所示的模型。

由于實體模型包含了大量對電動斥力計算無關和不利于有限元網格剖分的細節，必須經過適當的加工處理，以減少計算量，提高計算效率和計算結果的精度，為此有必要對原始模型進行處理。由于模型具有對稱性，因此在電動斥力計算中只取其一半的模型，如圖2所示。

為了避免在對模型的剖分過程中出現過小的單元，將原模型帶有倒角的地方處理成直角，并將部分圓孔填充；同時刪除了對計算沒有影響的絕緣墊片。將圖2的計算模型進行有限元網格剖分，可以得到磁場計算時所需的有限元模型，如圖3所示。

2 計算步驟

計算可分三步進行:

2.1 靜態電流分布分析

在動觸頭的A端面加一電壓并流入電流，在靜觸頭的B端面加零電壓并流出電流，具體如圖4所示。

當電流為6kA時的載流導體中的電流密度分布如圖5所示。具體流程序如下所示:

圖1 實體模型

圖2 電動斥力計算模型

圖3 有限元模型(不含空氣、刪片)

圖4 ANSYS中的有限元模型添加電流場的邊界條件

圖5-1 載流導體在電流為6KA時電流密度分布

圖5-2 載流導體在電流為6KA時電流密度分布

2.2 磁場分布計算

為了對磁場分布進行計算，需要定義空氣邊界，包裹載流導體和鐵磁柵片，并對整個模型進行剖分后，施加磁力線平行邊界條件和垂直邊界條件，如圖6所示。圖7為電流為6kA時的磁感應強度分布圖。

我們計算的電動斥力由兩部分組成，包括動觸頭所受的回路洛倫茲力(本次計算只有Y方向的力)和動靜觸頭間因電流收縮而產生的Holm力。

計算得到磁通分布后，就可以利用下面的公式(1)-(3)計算動導電桿所受回路電動斥力:

式中,Fi為回路電動斥力、Ji為電流密度、Bi為磁感應強度、v為體積,l為動觸頭電流流入端到觸頭中點的距離。電動斥力由回路電動斥力和Holm力組成，通過該式子計算得回路電動斥力。

由于動靜觸頭在宏觀環境下的面接觸實際上在微觀下僅僅是點接觸，在這些接觸點上就會造成電流收縮集中，從而產生Holm力，其本質仍然是電動斥力，該力的計算公式為:

式中FH是動觸頭所受Holm力，μ0為真空中的磁導率，R為觸頭半徑，根據計算可是R=3.53mm；r為接觸點半徑,通過計算知，r＝1.572mm；ξ是觸頭接觸系數，取值范圍為0.3～0.6，通常取0.45,H為觸頭材料的布氏硬度，對銀材料為900N/mm2，FK為觸頭預壓力。在本次計算中，設定FK分別為2N和4N。

以1000A電流、觸頭預壓力為2N時的計算電動斥力為例，其計算過程如下:

3 計算結果與分析

在不同電流下，利用公式 (1)- (3)計算動觸頭所受電動斥力力矩和歸算到動觸頭中心的電動斥力，計算結果為旋轉雙斷點MCCB每一側的動觸頭所受的力，如表1所示。

表1 不同電流下的電動斥力計算結果 單位:N

圖6 ANSYS中的有限元模型添加磁場的邊界條件

圖7 電流為6kA時的磁感應強度分布2.3 計算電動斥力

圖8 電流－總電動斥力

4 結語

通過對塑殼斷路器在不同的觸頭預壓力下運行ANSYS有限元分析，可提高設計人員對產品工作特性理論分析能力，并可提高斷路器自主設計能力，推動斷路器虛擬樣機設計技術的發展。基于ANSYS的斷路器電動斥力計算分析，可獲得詳實的數據，結果較為準確。

[1]閻照文.ANSYS工程電磁分析技術與實例詳解.北京:中國水利水電出版社,2006.

[2]劉國強,趙凌志,蔣繼婭.Ansoft工程電磁場有限元分析.北京:電子工業出版社,2006.

[3]夏天偉,丁明道,電器學.北京:中國機械工業出版社,2000.