基于永磁的高速觸頭操動機構仿真與分析

朱朝峰+吳振宇

摘 要：本文結合新型混合式限流斷路器對觸頭操動機構的要求，提出了基于永磁的新型高速觸頭操動機構的方案。分析了該新型高速觸頭操動機構的工作原理，在此基礎上運用Ansoft 有限元仿真軟件對高速觸頭操動機構進行了建模，分析機構的工作特性，并對機構的動作特性進行了仿真分析和解析計算，仿真結果表明該方案有效提高了機構分閘的可靠性。

關鍵詞：永磁；高速觸頭；仿真與分析

中圖分類號：665.2 文獻標識碼：A

Abstract： According to the requirement of new hybrid current-limiting circuit breaker for contact actuating mechanism of， this paper introduces the new high-speed contact actuating mechanism based on permanent magnet， analyzes the working principle of it， establishes the modeling of it by using the finite element simulation software Ansoft touch head operation mech model. The simulation analysis and analytic calculation of the action characteristics of it show that reliability of break-brake of the new contact actuating mechanism is effectively improved.

Keywords： Permanent magnet； High-speed contact； Simulation and analysis

1 前言

隨著艦船綜合電力系統概念的提出、艦船電力推進方式的改進和高能武器的出現，艦船電力系統將發生革命性的變化，其地位將從輔助系統變成主動力系統，系統容量將以幾何曲線上升，現有的艦船直流電力系統保護裝備已無法滿足系統發生短路故障時分斷巨大短路電流的需求，因而研制新的高性能限流保護裝置迫在眉睫。新型混合式限流斷路器的研制正是在這一背景下提出來的，其對海軍現代化建設具有重大意義。

新型直流限流斷路器是為了滿足艦船電力系統短路限流要求而設計的一種高速限流開關設備，與傳統開關設備相比，其解決了大功率電力電子器件應用中的通態損耗問題，并且克服了斷路器分斷速度慢和觸頭電弧燒蝕的問題，具有良好的應用前景。高速觸頭操動機構是新型限流斷路器中的核心部件，正常運行時其承載額定電流，故障發生時要求其快速分斷將電流轉移到并聯支路上，觸頭操動機構分斷時的動作特性和電氣特性對限流斷路器的成功限流具有重要意義。

目前電子操動裝置的發展有了長足的進步，特別是新型永磁操動機構的出現，使得電子操動理論在電氣開關方面得到廣泛應用。近幾年來，國外一些公司如ABB、SIEMENS等都相繼推出了應用電子操動技術的真空斷路器。在國內永磁操動機構的技術也在不斷走向成熟，使用永磁操動機構的單位也越來越多。

本文結合新型混合式限流斷路器對機械開關部分的要求，結合原高速觸頭操動機構完成觸頭分離動作的效率較低的問題，提出基于永磁的新型高速觸頭操動機構的方案。首先分析基于永磁的新型高速觸頭操動機構的工作原理，運用Ansoft有限元仿真軟件對高速觸頭操動機構進行建模，分析其工作特性，并對基于永磁的新型高速觸頭操動機構方案的動作特性進行仿真分析，通過仿真結果驗證該方案的可靠性。

2 新型高速觸頭操動機構仿真模型的建立與分析

本文采用電磁場有限元仿真軟件Ansoft對基于永磁的新型高速觸頭操動機構進行建模，采用Ansoft的XY二維平面建立其等效模型，圖1所示為提出的基于永磁的新型高速觸頭操動機構的二維模型。

該轉型高速觸頭操動機構選用永磁體作為磁源，通過鐵芯、空氣間隙形成的導磁通路在空氣間隙中提供了均勻的磁場，斥力線盤放置在空氣間隙中，通過外接的電容放電回路產生高脈沖電流。根據安培定律，斥力線盤會產生垂直向上的安培力，驅動觸頭高速動作。

該新型高速觸頭操動機構的方案設計中，永磁體材料為釹鐵硼NdFeB38，其退磁曲線如圖2所示。由圖2可知，該永磁體材料的剩磁為1.24T，矯頑力為。釹鐵硼永磁材料是1983 年問世的高性能永磁材料，是目前磁性能最高的永磁材料，由于釹在稀土中的含量是釤的十幾倍，資源豐富，價格比稀土鈷永磁便宜很多，問世以來在永磁電機中迅速得到推廣應用。

鐵芯材料為steel-1008，其磁化曲線如圖3所示。和一般的鐵磁材料性質相同，該材料的磁化曲線是一條非線性曲線，即磁導率隨著磁通密度的變化而變化，在被磁化初期隨著磁場強度的增加，材料的磁通密度迅速增加，但達到某一點后，隨著磁場強度的繼續增加，材料的磁通密度趨于一定值，即進入磁化曲線的飽和區，因此在進行機構方案的仿真、解析過程中，要注意鐵芯材料的工作點。

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3.2 公式的推導

根據3.1節基本磁路公式，結合基于永磁的新型高速觸頭操動機構方案的要求，對解析公式進行推導。首先引入公式推導過程中用到的幾個概念：永磁體的剩磁、矯頑力，空氣氣隙磁感應強度，空氣磁導率，磁通φ，放電回路中的放電電容c，通入線圈產生的脈沖電流i，永磁體導磁長度，空氣氣隙導磁長度，永磁體橫截面積，空氣氣隙橫截面積，產生的垂直向上的電磁力F，上下層線圈匝數各位N匝，每匝線圈徑深x。

下面是公式推導的過程：endprint