基于ANSYSWORKBENCH有限元法的ATSE接觸系統電動力計算

王亞濤 /董天亮(深圳市泰永電氣科技有限公司，廣東深圳518057)

基于ANSYSWORKBENCH有限元法的ATSE接觸系統電動力計算

王亞濤 /董天亮(深圳市泰永電氣科技有限公司，廣東深圳518057)

0 引言

當ATSE觸頭接觸區域通過電流時，由于動、靜觸頭的實際接觸面積很小，電流線會在接觸區域附近產生收縮，使動、靜觸頭間通過的電流反向，磁場強度方向相同且大小相互累加，動、靜觸頭在該磁場的作用下產生相互推斥作用的磁場力，即HOLM力[1]。動、靜觸頭間通過額定電流時產生的電動斥力較小，觸頭不會被斥開，但現行ATSE國家標準GB/T 14048.11-2008中要求抗短時耐受沖擊電流的能力為額定電流的20倍，若觸頭壓力和接觸面積設計不合理，當進行短時耐受沖擊電流實驗時，電流線密度和空間磁場強度會在觸頭接觸區域迅速增加，此時感應出的電動斥力比較大，有可能使閉合的觸頭系統斥開，導致燃弧并燒毀觸頭的嚴重后果，因此準確地計算出觸頭電動斥力對ATSE電器的安全性和穩定性有非常重要的意義。

1 接觸系統結構分析

本文分析的ATSE觸頭系統額定電流為630A，短時耐受沖擊電流Icw值取20kA，由4個觸頭組并聯，分配到每個觸頭的電流值為5kA。因為每一個觸頭所受的壓力相等，所以為了節省計算資源，只取一個觸頭進行結構分析，簡化后的觸頭結構模型如圖1所示，定位桿與動觸頭導電桿前后兩處通過軸槽連接，動觸頭導電桿可以在定位桿的槽內滑動，它們之間通過壓縮彈簧連接，ATSE通過傳動機構帶動定位桿壓迫彈簧將動觸頭導電桿和動觸頭壓在靜觸頭和本體導電桿上，因此觸頭壓力大小由定位桿和動觸頭導電桿之間的壓縮彈簧決定。

圖1 簡化后的觸頭結構模型

本文結構模型由creo 3.0軟件所建，將模型導入ANSYSWORKBENCH軟件的Static Structural(靜態結構)模塊中進行分析，為方便計算，分別將動觸頭與動觸頭導電桿、靜觸頭與靜觸頭導電桿合并，給所有部件賦予Copper Alloy(銅合金)材料屬性，將動觸頭與靜觸頭、動觸頭導電桿與本體導電桿的接觸方式定義為Rough(粗糙)，即只允許分離，不允許滑動和滲透，在定位桿和動觸頭導電桿之間建立Spring(彈簧)連接方式，彈簧參數 Longitudinal Stiffness(剛度系數)設置為14N/mm，Preload(預載荷)設置為 Free Length(自有長度)10.5mm，將本體導電桿、定位桿、靜觸頭設定為Fixed Support(固定支撐約束)，默認方式自由劃分好網格即可，求解結果設置為動觸頭的Force Reaction(反作用力)，運行求解得到垂直觸頭向上的力即為觸頭壓力 (50N)。

2 接觸系統電磁分析

2.1 構建仿真模型

HOLM力只在動、靜觸頭接觸的過程中存在，觸頭實際接觸表面凸凹不平，接觸斑點形狀各異且無規則離散分布。實際上，動靜觸頭導電斑點的形狀在每次接觸時都可能不同，因此只能將導電斑點假設為理想體來估算HOLM力，所以在建模計算時不必過于關注導電斑點的形狀。本文按照觸頭接觸導電斑點的形狀為長方體來計算HOLM力，假設各只有一個導電斑點存在于動、靜觸頭的接觸表面內，即動、靜觸頭的所有導電斑點都分別集中在其中心位置處，從而形成一個較大的長方體導電橋模型。

當按照圓柱形導電斑點計算HOLM力時，圓柱形導體的截面半徑b用式 (1)[2]計算。

式中，P為動、靜觸頭間的接觸壓力，N；H為觸頭材料的硬度，取105HB；ξ為接觸系數，取0.5。

將結構分析中計算求得的壓力50N代入式(1)中求出接觸半徑b為0.550 7mm，再根據面積相等原理πb2＝WL(W、L分別為長方體導電橋截面的寬和長，本文L即為動觸頭的寬6mm)，可求得W≈0.16mm。本文經過多次仿真實驗發現，當長方體的寬W和長L不變時，其高度h為0.1～0.2mm，對計算結果的影響很小。因此，在本次仿真分析中，靜觸頭導電長方體導電橋高度h取0.1mm，由于動觸頭接觸面為弧形面，所以其導電橋為近似長方體，高度取0.1～0.15mm，動、靜觸頭導電橋接觸面之間留0.05mm的間隙以避免仿真計算時相互干涉。由于HOLM力主要因動、靜觸頭接觸區域電流收縮而產生，而本文分析的動、靜觸頭導電桿設計在觸頭接觸區域中心兩側，所以導電桿的洛倫茲力可忽略，只創建動、靜觸頭接觸模型即可，用creo 3.0軟件創建后的觸頭接觸模型如圖2所示。

圖2 觸頭接觸模型

2.2 接觸系統電磁場分析

將上節所建模型導入ANSYSWORKBENCH軟件的Maxwell 3D Design模塊中，首先對接觸系統進行電流傳導分析，求解類型選擇為Electricstatic(靜態電場)，所有部件賦予Copper(銅)材料屬性，分別在動、靜觸頭長方體導電橋電流流向的垂直方向創建橫截面，分別在各個橫截面上施加方向相同、大小為5 000A的電流，采用默認網格劃分，分析結果設置為Total Current Density(總電流密度)，求解后所得電流密度矢量分布如圖3所示，由圖3可以看出觸頭接觸區域有強烈的電流線收縮。

圖3 電流密度矢量分布圖

其次，對接觸系統進行電磁力仿真計算[3]，求解類型選擇為Magnetostatic(靜態磁場)，分別選中各個動觸頭，然后執行Maxwell 3D—Parameters—Assign—Force，Force的類型選擇為 Lorentz(洛倫茲力)，就可以設置好要分析的動觸頭電磁力，然后運行求解，求解完成后，執行 Maxwell 3D—Results—Solution data—Force，就可以查看計算結果Z向的電磁力，即為HOLM力，動觸頭1～4的電磁力分別為5.41N、4.72N、3.79N、5.31N。

2.3 仿真結果與公式法計算結果的比較

根據2.1節計算的接觸點半徑b＝0.550 7mm，又已知觸頭可視接觸面積W×L＝6×12＝72mm2，根據面積相等換算成可視接觸半徑B＝4.8mm，真空磁導率μ0＝4π×10-7，短時耐受電流I＝5 000A，HOLM力計算公式見式 (2)，可解得Fd＝5.4N。

將此計算結果與2.2節中有限元分析軟件計算的電磁力進行比較，可見兩種方法計算結果十分接近，都遠小于觸頭接觸壓力50N，證明接觸系統設計達到現行ATSE國家標準GB/T14048.11-2008中要求的抗短時耐受沖擊電流的能力，也證明了有限元仿真計算方法的準確性，而且有限元仿真計算可以輕易實現對多級并聯觸頭的各個不同位置的觸頭電磁力進行分析，考慮了觸頭所在不同位置處的磁場不同對各級觸頭電磁力的影響，所以仿真分析對ATSE接觸系統的設計和優化具有很強的指導意義。

3 結束語

本文利用ANSYSWORKBENCH軟件作為有限元仿真工具，對ATSE接觸系統進行了結構分析和電磁場分析，并將仿真分析結果與傳統的公式法計算結果進行了比較，兩種計算結果十分接近，證明有限元仿真法計算接觸系統HOLM力的準確性，從而為ATSE接觸系統的設計和優化提供了基礎。

[1] 黃蔚偈，蘭太壽，劉向軍.基于ANSYS有限元法的接觸系統電動力分析 [J].電氣開關.2013年，2013，51 (4):18-24.

[2] 姚翠平.小型斷路器觸頭動態仿真及分析 [D].天津:河北工業大學，2012.

[3] 趙博等.Ansoft 12在工程電磁場中的應用 [M].北京:中國水利水電出版社，2010.

Power Calculation of ATSE Contact System Based on ANSYSWORKBENCH Finite Element Method

Wang Yatao/Dong Tianliang

在ATSE短時耐受沖擊電流試驗中，動、靜觸頭是否因電動力的作用而斥開是考核ATSE安全性和穩定性的一個重要標準，因此通過有限元仿真方法準確計算出ATSE觸頭間電動斥力是研究的主要目的。首先通過ANSYSWORKBENCH軟件進行結構分析，計算出觸頭之間的接觸壓力和接觸半徑，然后建立觸頭電接觸有限元仿真模型，進而用ANSYSWORKBENCH軟件進行電流場和電磁場分析，計算出接觸系統的電流密度分布和電動斥力。結果表明有限元仿真結果與公式法計算結果十分接近，從而證明了有限元仿真方法在計算ATSE觸頭間電動斥力方面的準確性。

ATSE 電動力 有限元分析 接觸系統

In ATSE short-time current tests，wether the dynamic contact and static contact are spended away because of the action of electric repulsion is an important standard to measure the safety and stability of ATSE，so by the finite element simulation to accurately calculate the ATSE electric repulsion between contacts is the main purpose of this article research.First，making structure analysis by ANSYSWORKBENCH software to calculate the contact pressure between the contacts and the contact radius，and then establish contact finite element simulation model of electric contacts and then use ANSYSWORKBENCH software to analyse current field and electromagnetic field to calculate the current density distribution of the contact system and electric repulsion.Results show that the finite element simulation results and formula calculation results are very close，which proves that the finite element simulation method in the computation of ATSE contact between the accuracy of electric repulsion.

ATSE，electric power，finite element analysis，contact system