增強(qiáng)型三線圈電磁斥力機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性分析

趙智忠， 關(guān)孟鑫， 陳海， 劉陽(yáng)

(1．河北工業(yè)大學(xué)省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300401； 2．河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300401； 3. 河北省現(xiàn)代電工裝備可靠性與智能化國(guó)際聯(lián)合研究中心， 天津 300401)

隨著張北±500 kV柔性直流輸電示范工程的建成投運(yùn)以及大規(guī)模分布式清潔能源的并網(wǎng)發(fā)電推動(dòng)了中國(guó)直流輸電網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展。對(duì)于高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)，其固有特點(diǎn)為故障電流的上升速度極快且峰值高，因此高壓直流斷路器必須具有剛分速度大，分?jǐn)鄷r(shí)間短和分?jǐn)嗳萘看蟮膬?yōu)點(diǎn)[1-5]。電磁斥力機(jī)構(gòu)作為高壓直流斷路器實(shí)現(xiàn)快速分?jǐn)嗟年P(guān)鍵操動(dòng)機(jī)構(gòu)之一，已成為中外的研究熱點(diǎn)[6-10]。

電磁斥力機(jī)構(gòu)主要分為兩類[11-14]：雙線圈式和線盤(pán)式。對(duì)于兩種斥力機(jī)構(gòu)，現(xiàn)有文獻(xiàn)研究表明：機(jī)構(gòu)2 ms內(nèi)行程一般均小于15 mm。文獻(xiàn)[15]對(duì)電磁斥力機(jī)構(gòu)的模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，研制了40.5 kV開(kāi)關(guān)樣機(jī)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了2 ms內(nèi)13 mm行程，并得出參數(shù)匹配規(guī)律。但其未對(duì)雙線圈式斥力機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[16]采用有限元方法分析了雙線圈模型的不同參數(shù)對(duì)開(kāi)關(guān)運(yùn)動(dòng)特性的影響規(guī)律，結(jié)果顯示2 ms內(nèi)可完成3 mm行程。文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)出小型客車用500 V/350 A等級(jí)下的電磁斥力機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了 2 ms內(nèi)10 mm行程。文獻(xiàn)[18] 針對(duì)低壓領(lǐng)域，設(shè)計(jì)了雙線圈渦流斥力機(jī)構(gòu)并提出一種基于粒子群多參數(shù)綜合優(yōu)化算法的電器快速動(dòng)作機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，最終實(shí)現(xiàn)1.6 ms內(nèi)10 mm行程。文獻(xiàn)[19] 提出一種定量化設(shè)計(jì)電磁斥力機(jī)構(gòu)的方法，最終實(shí)現(xiàn)2 ms內(nèi)12 mm行程，但未對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究分析。文獻(xiàn)[20] 運(yùn)用場(chǎng)路耦合方法建立電磁斥力機(jī)構(gòu)模型，并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)2 ms內(nèi)11.5 mm行程。但其運(yùn)動(dòng)特性還有進(jìn)一步優(yōu)化空間。文獻(xiàn)[21]在40.5 kV機(jī)械開(kāi)關(guān)樣機(jī)中開(kāi)展結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化運(yùn)動(dòng)特性對(duì)比試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)2 ms內(nèi)13.5 mm行程。但其缺少電路參數(shù)的研究分析。

至于三線圈模型，是在雙線圈模型上改進(jìn)而來(lái)。文獻(xiàn)[22]在雙線圈模型基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，建立了三線圈電磁斥力機(jī)構(gòu)的有限元模型，采用粒子群優(yōu)化算法對(duì)快速機(jī)械開(kāi)關(guān)的線圈型電磁斥力機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)2 ms內(nèi)13.6 mm行程。不僅提高了斥力機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙向電磁斥力驅(qū)動(dòng)。

文獻(xiàn)[23]引入鯨魚(yú)算法對(duì)斷路器觸頭的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了斷路器小型化的目標(biāo)，但沒(méi)有對(duì)斷路器分合閘性能進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。文獻(xiàn)[24]提出一種固態(tài)斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其在經(jīng)濟(jì)性方面有所改善，但未對(duì)斥力機(jī)構(gòu)的可靠性和運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[25]分析了混合式斷路器在地震情況下的機(jī)械強(qiáng)度和動(dòng)力學(xué)特性，驗(yàn)證了其滿足抗震要求，但沒(méi)有驗(yàn)證斥力機(jī)構(gòu)的開(kāi)斷性能是否滿足要求。

因此，為進(jìn)一步研究斷路器的開(kāi)斷性能、改善機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性、縮短機(jī)構(gòu)的行程時(shí)間、提高剛分速度，進(jìn)一步提高電磁斥力機(jī)構(gòu)所適應(yīng)的電壓等級(jí)，現(xiàn)提出一種增強(qiáng)型三線圈電磁斥力機(jī)構(gòu)模型，在三線圈模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)：研究在分閘過(guò)程中如何合理利用合閘線圈。在分閘過(guò)程中，控制合閘線圈通電，并使電流方向與運(yùn)動(dòng)線圈電流方向相同，以此增加電磁吸力作為驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)一步提高斥力機(jī)構(gòu)的斥力峰值，達(dá)到縮短行程時(shí)間的目的。利用有限元分析軟件建立二維對(duì)稱模型，仿真計(jì)算不同線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)、驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)和合閘線圈介入時(shí)刻對(duì)電磁斥力機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性影響，得出各參數(shù)的影響規(guī)律。

1 增強(qiáng)型三線圈電磁斥力機(jī)構(gòu)工作原理

圖1所示為增強(qiáng)型三線圈電磁斥力機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。主要由動(dòng)靜觸頭、真空滅弧室、機(jī)械連桿、分閘線圈、運(yùn)動(dòng)線圈、合閘線圈、緩沖保持裝置等組成。其中分閘線圈繞制方向?yàn)槟鏁r(shí)針，運(yùn)動(dòng)線圈繞制方向?yàn)轫槙r(shí)針，合閘線圈繞制方向?yàn)轫槙r(shí)針，即運(yùn)動(dòng)線圈與分閘線圈繞制方向相反，與合閘線圈繞制方向相同。表1所示為斥力機(jī)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)。其中，3個(gè)線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)與驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)均相同。圖2所示為分閘線圈的驅(qū)動(dòng)電路。

圖1 三線圈電磁斥力機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of three coil electromagnetic repulsion mechanism

表1 斥力機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)Table 1 Relevant parameters of repulsion mechanism

C1為驅(qū)動(dòng)電容；D1為續(xù)流二極管；SW1為壓控開(kāi)關(guān)；R1為線路等 效電阻；L1為線路等效電感；Lwing_opening為分閘線圈圖2 分閘線圈驅(qū)動(dòng)電路Fig.2 Opening coil driving circuit

其中D1作用為延長(zhǎng)電容的放電時(shí)間，以此來(lái)提高機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度。合閘線圈與運(yùn)動(dòng)線圈的驅(qū)動(dòng)電路與其類似，僅僅替換繞組。

增強(qiáng)型三線圈電磁斥力機(jī)構(gòu)的工作原理為：當(dāng)分閘時(shí)，SW1、SW2、SW3同時(shí)打開(kāi)，三線圈的驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)放電。分閘線圈與運(yùn)動(dòng)線圈通入的電流方向相反，根據(jù)楞次定律與電磁感應(yīng)定律可知，運(yùn)動(dòng)線圈會(huì)受到方向垂直向下的電磁斥力。同理，合閘線圈與運(yùn)動(dòng)線圈通入的電流方向相同，則運(yùn)動(dòng)線圈受到方向垂直向下的電磁吸力。運(yùn)動(dòng)線圈運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)連桿以及動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)達(dá)到分閘的效果。對(duì)比現(xiàn)有雙線圈電磁斥力機(jī)構(gòu)模型，運(yùn)動(dòng)線圈疊加了一個(gè)電磁吸力的作用，從而提高了剛分速度。

2 增強(qiáng)型三線圈的仿真模型與數(shù)學(xué)分析

2.1 仿真模型

本文提出的增強(qiáng)型三線圈電磁斥力機(jī)構(gòu)，具有軸對(duì)稱的特點(diǎn)，據(jù)此在ANSYS中建立二維瞬態(tài)場(chǎng)軸對(duì)稱模型，并分析了不同參數(shù)對(duì)斥力機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性影響。表2為仿真模型相關(guān)參數(shù)，圖3為仿真模型圖。

圖3 二維仿真模型Fig.3 Two dimensional simulation model

表2 材料物性參數(shù)Table 2 Material physical parameters

2.2 數(shù)學(xué)分析

斥力機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程涉及運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、瞬態(tài)電磁場(chǎng)方程以及線圈外部驅(qū)動(dòng)電路方程進(jìn)行耦合求解，為分析其運(yùn)動(dòng)特性，逐一列寫(xiě)分析相關(guān)方程。

2.2.1 電磁場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

電磁斥力機(jī)構(gòu)滿足麥克斯韋電磁方程組，其中相關(guān)的方程[26]為

(1)

媒質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系式為

(2)

2.2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型

在ANSYS有限元分析軟件中，利用虛功法計(jì)算電磁力相比直接用洛倫磁力代替電磁力更為精準(zhǔn)。電磁斥力機(jī)構(gòu)滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)的相關(guān)方程為[6]。

(3)

式(3)中：G為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部分的重力；Fa為空氣阻力；a為機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)加速度；V為運(yùn)動(dòng)線圈體積；m為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量；w為線圈總儲(chǔ)能電容的能量；s為機(jī)構(gòu)位移；c空氣阻力系數(shù)；ρ為空氣密度；s0為運(yùn)動(dòng)線圈迎風(fēng)面積；v0為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度；F1為分閘線圈對(duì)運(yùn)動(dòng)線圈的電磁斥力；F2為合閘線圈對(duì)運(yùn)動(dòng)線圈的電磁吸力。

2.2.3 電路數(shù)學(xué)模型

三線圈電磁斥力機(jī)構(gòu)等效電路模型如圖4所示。

圖4 三線圈斥力機(jī)構(gòu)等效電路模型Fig.4 Equivalent circuit model of three coil repulsion mechanism

當(dāng)預(yù)充電電容放電后，3個(gè)線圈之間相互耦合，以此產(chǎn)生電磁力驅(qū)動(dòng)斥力機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)等效電路模型列出相關(guān)方程[22]為

(4)

式(4)中：ia為分閘線圈電流；ib為運(yùn)動(dòng)線圈電流；ic為合閘線圈電流；L1為分閘線圈電路中的雜散電感；L2為運(yùn)動(dòng)線圈電路中的雜散電感；L3為合閘線圈電路中的雜散電感；Ra為分閘線圈的電阻；Rb為運(yùn)動(dòng)線圈的電阻；Rc為合閘線圈的電阻；uc1為電容C1的電壓；uc2為電容C2的電壓；uc3為電容C3的電壓；La為分閘線圈的自感；Lb為運(yùn)動(dòng)線圈的自感；Lc為合閘線圈的自感；M1為分閘線圈與運(yùn)動(dòng)線圈的互感；M2為合閘線圈與運(yùn)動(dòng)線圈的互感；M3為分閘線圈與和合閘線圈的互感；F為運(yùn)動(dòng)線圈所受電磁力。

3 不同參數(shù)對(duì)斥力機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的影響

利用ANSYS軟件，針對(duì)三線圈電磁斥力機(jī)構(gòu)的電參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和分閘電流投入時(shí)間，進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，分析了不同參數(shù)對(duì)斥力機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的影響。同時(shí)，對(duì)比分析增強(qiáng)型三線圈電磁斥力機(jī)構(gòu)和雙線圈電磁斥力機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能，其結(jié)果顯示同等條件下，三線圈運(yùn)動(dòng)特性更優(yōu)并且剛分速度更高，可在2 ms內(nèi)完成25 mm行程。

3.1 驅(qū)動(dòng)電路電容的容值對(duì)運(yùn)動(dòng)特性的影響

3.1.1 運(yùn)動(dòng)線圈電容的容值對(duì)運(yùn)動(dòng)特性的影響

分析圖5和圖6可知：增大運(yùn)動(dòng)線圈容值，能夠提升斥力機(jī)構(gòu)平均運(yùn)動(dòng)速度，縮短總行程時(shí)間，斥力峰值與電流峰值也隨之增加，斥力機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能得到提升，但對(duì)于雙線圈來(lái)講性能提升存在極值，選取8 mF或者7 mF更具有經(jīng)濟(jì)性。

圖5 取不同運(yùn)動(dòng)線圈電容容值時(shí)三線圈模型的各參數(shù)曲線Fig.5 Parameter curves of three coil model when taking different capacitance values of moving coils

圖6 取不同運(yùn)動(dòng)線圈電容容值時(shí)雙線圈模型的各參數(shù)曲線Fig.6 Parameter curves of double coil model when taking different capacitance values of moving coils

對(duì)比分析兩種模型，電容容值每增加1 mF，三線圈模型的速度增加幅度和行程時(shí)間縮短幅度均高于雙線圈模型。對(duì)于三線圈模型，運(yùn)動(dòng)線圈的上方與分閘線圈電磁耦合產(chǎn)生電磁斥力，下方與合閘線圈電磁耦合產(chǎn)生電磁吸力，電磁場(chǎng)能量得到更充分的利用，而雙線圈模型中僅有運(yùn)動(dòng)線圈與分閘線圈耦合。因此對(duì)于三線圈模型，改變其電容容值對(duì)運(yùn)動(dòng)性能提升效果相比雙線圈更為顯著，運(yùn)動(dòng)線圈電容能量的利用效率也高。

3.1.2 分閘線圈電容的容值對(duì)運(yùn)動(dòng)特性的影響

分析圖7和圖8可知：增大分閘線圈電容容值，可以增大線圈電流峰值從而增大電磁斥力峰值與作用時(shí)間，縮短總行程時(shí)間，提升斥力機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能。對(duì)比兩種模型，增強(qiáng)型三線圈電磁斥力機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能更佳，且改變分閘線圈電容容值對(duì)兩種模型的性能提升均存在極值，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性，一般應(yīng)選擇8 mF或者7 mF。

同時(shí)，在同參數(shù)同模型條件下，提升運(yùn)動(dòng)線圈容值比提升分閘線圈容值對(duì)斥力機(jī)構(gòu)的性能提升更佳，其行程時(shí)間可縮短2%～5%。

3.1.3 合閘線圈電容的容值對(duì)運(yùn)動(dòng)特性的影響

由于雙線圈模型中僅有一個(gè)固定線圈和一個(gè)運(yùn)動(dòng)線圈，因此雙線圈模型沒(méi)有此“合閘線圈”，所以僅分析三線圈模型。

分析表3和圖9可知：增加合閘線圈電容不能提升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能，縮短行程時(shí)間，但卻由于渦流效應(yīng)影響運(yùn)動(dòng)線圈中的電流方向，從而產(chǎn)生反向斥力，進(jìn)而達(dá)到一定的緩沖效果。因此，對(duì)于選擇改變電容容值來(lái)提高斥力機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能，改變運(yùn)動(dòng)線圈電容容值是最佳選擇，且存在極值，可根據(jù)經(jīng)濟(jì)性原則選擇合適容值。

表3 取不同合閘線圈電容容值時(shí)三線圈模型的 各參數(shù)結(jié)果Table 3 Parameter results of three coil model when taking different capacitance values of closing coils

3.2 驅(qū)動(dòng)電路電容電壓對(duì)運(yùn)動(dòng)特性的影響

3.2.1 運(yùn)動(dòng)線圈電容的電壓對(duì)運(yùn)動(dòng)特性的影響

分析圖10和圖11可知：增大運(yùn)動(dòng)線圈的電容電壓Uc，運(yùn)動(dòng)線圈中的電流峰值也隨之提升，可以有效提高斥力機(jī)構(gòu)的速度峰值和斥力峰值，縮短總行程時(shí)間，進(jìn)而提升機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能，優(yōu)化機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，提升機(jī)構(gòu)的剛分速度。

圖7 取不同分閘線圈電容容值時(shí)三線圈模型的各參數(shù)曲線Fig.7 Parameter curves of three coil model when taking different capacitance values of opening coils

圖8 取不同分閘線圈電容容值時(shí)雙線圈模型的各參數(shù)曲線Fig.8 Parameter curves of double coil model when taking different capacitance values of opening coils

圖9 取不同合閘線圈電容容值時(shí)三線圈模型的 各參數(shù)曲線Fig.9 Parameter curves of three coil model when taking different capacitance values of closing coils

隨著電容電壓提高，電容體積會(huì)逐漸增大。電流峰值提升也會(huì)增大線圈的發(fā)熱量，對(duì)線圈通流能力提出更高要求。綜合考慮電容體積、經(jīng)濟(jì)性原則以及線圈通流能力，在工程中應(yīng)選擇合適的電容電壓以滿足要求。

對(duì)比分析兩種模型，在相同電容電壓參數(shù)條件下，三線圈模型的總行程時(shí)間比雙線圈模型的總行程時(shí)間縮短5%～10%。

3.2.2 分閘線圈電容的電壓對(duì)運(yùn)動(dòng)特性的影響

分析圖12、圖13及表4可知：增大分閘線圈的電容電壓，可以有效提高斥力機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能，縮短行程時(shí)間。對(duì)比兩種模型，同電壓參數(shù)下，三線圈模型的行程時(shí)間縮短5%～8%。同模型同參數(shù)條件下，改變運(yùn)動(dòng)線圈電容電壓比改變分閘線圈電容電壓行程時(shí)間縮短約5%。

圖10 取不同運(yùn)動(dòng)線圈電容電壓時(shí)三線圈模型 各參數(shù)曲線Fig.10 Parameter curves of three coil model when taking different voltage values of moving coils

3.2.3 合閘線圈電容的電壓對(duì)運(yùn)動(dòng)特性的影響

對(duì)于雙線圈模型，不存在合閘線圈，因此僅僅討論三線圈模型。分析表5和圖14可知：增大合閘線圈電容電壓幾乎不影響行程時(shí)間和運(yùn)動(dòng)特性，且由于渦流效應(yīng)產(chǎn)生一定的緩沖效果。因此，選擇改變運(yùn)動(dòng)線圈的電壓是改變驅(qū)動(dòng)電路電容電壓的最佳選擇。同時(shí)，三線圈模型相比雙線圈模型的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能提升效果更為顯著。

圖11 取不同運(yùn)動(dòng)線圈電容電壓時(shí)雙線圈模型 各參數(shù)曲線Fig.11 Parameter curves of double coil model when taking different voltage values of moving coils

圖12 取不同分閘線圈電容電壓時(shí)三線圈模型各參數(shù)曲線Fig.12 Parameter curves of three coil model when taking different voltage values of opening coils

表4 取不同分閘線圈電容電壓時(shí)兩種模型各參數(shù)結(jié)果Table 4 Parameter results of the two models when taking different voltage values of opening coils

圖13 取不同分閘線圈電容電壓時(shí)雙線圈模型 各參數(shù)曲線Fig.13 Parameter curves of double coil model when taking different voltage values of opening coils

表5 取不同合閘線圈電容電壓時(shí)三線圈模型各參數(shù)結(jié)果Table 5 Parameter results of three coil model when taking different voltage values of closing coils

3.3 合閘線圈不同放電時(shí)刻對(duì)運(yùn)動(dòng)特性的影響

分析表6和圖15可知：為延長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)線圈電流放電時(shí)間，防止運(yùn)動(dòng)線圈電流過(guò)早由于渦流效應(yīng)影響而反向，運(yùn)動(dòng)線圈電容選取10 mF。對(duì)于三線圈模型，延后合閘線圈的放電時(shí)刻，會(huì)增加行程時(shí)間，減小末端速度，不利于改善機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能，因此選擇合閘線圈從初始0時(shí)刻放電效果最佳。

圖14 取不同合閘電容電壓時(shí)三線圈模型各參數(shù)曲線Fig.14 Parameter curves of three coil model when taking different voltage values of closing coils

表6 合閘線圈不同放電時(shí)刻下三線圈模型各參數(shù)結(jié)果Table 6 Parameter results of three coil model under different discharge times of closing coil

3.4 線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)特性的影響

3.4.1 線圈匝數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)特性的影響

分析表7、圖16和圖17可知：增加匝數(shù)可以提高機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度，縮短行程時(shí)間，改善運(yùn)動(dòng)性能，但同時(shí)考慮質(zhì)量的增加會(huì)產(chǎn)生減速效果，匝數(shù)為29～31時(shí)，二者存在較好的平衡。因此，在工程應(yīng)用中應(yīng)選擇合適的匝數(shù)，使得斥力機(jī)構(gòu)達(dá)到良好的運(yùn)動(dòng)性能。

圖15 合閘線圈不同放電時(shí)刻下三線圈模型各參數(shù)曲線Fig.15 Parameter curves of three coil model under different discharge times of closing coil

表7 取不同線圈匝數(shù)時(shí)兩種模型的各參數(shù)結(jié)果Table 7 Parameter results of the two models with different coil turns

圖16 取不同線圈匝數(shù)時(shí)雙線圈模型的參數(shù)曲線Fig.16 Parameter curves of double coil model with different coil turns

圖17 取不同線圈匝數(shù)時(shí)三線圈模型的各參數(shù)曲線Fig.17 Parameter curves of three coil model with different coil turns

3.4.2 線圈截面寬度對(duì)運(yùn)動(dòng)特性的影響

分析表8、圖18和圖19可知：增加線寬可以增加電流峰值和通流能力，從而使得機(jī)構(gòu)獲得更好的運(yùn)動(dòng)性能，同時(shí)需要考慮質(zhì)量的增加所引起的負(fù)面效果，考慮應(yīng)力與機(jī)械強(qiáng)度問(wèn)題，質(zhì)量不可過(guò)小或過(guò)大。因此，在工程應(yīng)用中需要考慮選擇合適的線寬。同時(shí)，三線圈模型相比雙線圈模型機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能更優(yōu)。

表8 取不同線圈截面寬度時(shí)兩種模型的各參數(shù)結(jié)果Table 8 Parameter results of the two models with different coil section widths

圖18 取不同線圈截面寬度時(shí)雙線圈模型的 參數(shù)曲線Fig.18 Parameter curves of double coil model with different coil section widths

3.4.3 線圈截面高度對(duì)運(yùn)動(dòng)特性的影響

分析表9、圖20和圖21可知：增加線高可以減小線圈的電阻從而增加通流能力，繼而增大電流峰值。但同時(shí)會(huì)減弱兩線圈之間的電磁耦合，斥力峰值逐漸減小，線高過(guò)高也會(huì)造成電流過(guò)大引起絕緣問(wèn)題。為使得機(jī)構(gòu)獲得最佳的運(yùn)動(dòng)性能，在應(yīng)用實(shí)踐中應(yīng)選擇適當(dāng)線高，從而使得機(jī)構(gòu)獲得最佳運(yùn)動(dòng)性能。同時(shí)，三線圈模型相比雙線圈模型機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能更佳。

圖19 取不同線圈截面寬度時(shí)三線圈模型的各參數(shù)曲線Fig.19 Parameter curves of three coil model with different coil section widths

表9 取不同線圈截面高度時(shí)兩種模型的各參數(shù)結(jié)果Table 9 Parameter results of the two models with different coil section heights

3.4.4 線圈截面間隙對(duì)運(yùn)動(dòng)特性的影響

分析表10和圖22可知：減小線圈間隙可以縮短行程時(shí)間改善機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，但由于制造工藝限制以及考慮每匝線圈之間絕緣問(wèn)題，間隙不可過(guò)小，實(shí)際工程應(yīng)用應(yīng)綜合考慮，從而達(dá)到最佳的效果。

圖20 取不同線圈截面高度時(shí)三線圈模型的 各參數(shù)曲線Fig.20 Parameter curves of three coil model with different coil section heights

表10 取不同線圈間隙時(shí)兩種模型的各參數(shù)結(jié)果Table 10 Parameter results of the two models with different coil clearances

圖21 取不同線圈截面高度時(shí)雙線圈模型的 各參數(shù)曲線Fig.21 Parameter curves of double coil model with different coil section heights

4 結(jié)論

(1) 增加驅(qū)動(dòng)電路的電容容值和電壓，可以縮短總行程時(shí)間，提升斥力機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的剛分速度，3個(gè)線圈中選擇增加運(yùn)動(dòng)線圈容值和電壓效果最佳，可以最大化利用電容的能量。同時(shí)，考慮經(jīng)濟(jì)性原則、電容體積、線圈通流能力和絕緣問(wèn)題，不可以無(wú)限增大容值，應(yīng)選擇合適的電容容值和電壓。

(2)延緩合閘線圈介入時(shí)刻，會(huì)削弱斥力機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能，延長(zhǎng)總行程時(shí)間。因此，合閘線圈選擇從0時(shí)刻開(kāi)始放電為最佳。

圖22 取不同線圈間隙時(shí)不同線圈模型的參數(shù)曲線Fig.22 Parameter curves of different coil model with different coil clearances

(3)改變線圈匝數(shù)和寬度時(shí)，機(jī)構(gòu)的總行程時(shí)間存在最小值，減小線圈截面高度和間隙，耦合效果增加，運(yùn)動(dòng)特性更優(yōu)。考慮線圈的絕緣問(wèn)題和斥力機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以及間隙過(guò)小會(huì)導(dǎo)致電阻過(guò)大，發(fā)熱嚴(yán)重，應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合實(shí)際選擇合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(4)三線圈模型對(duì)比雙線圈模型，在同等參數(shù)下具有更高的剛分速度和更優(yōu)的運(yùn)動(dòng)特性。在對(duì)三線圈電磁斥力機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮機(jī)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度、線圈通流能力以及經(jīng)濟(jì)性，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)。

(5)未來(lái)應(yīng)考慮在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)行溫度、應(yīng)力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度耦合分析，提升模型的準(zhǔn)確性和精確性，同時(shí)結(jié)合緩沖裝置研制樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。