高磁性背板对斥力机构能量利用率的影响研究

孙良友



高磁性背板对斥力机构能量利用率的影响研究

孙良友

（海军驻湖南地区军事代表室，湖南 411101）

随着中压直流混合断路器的发展，电磁斥力机构因其优越的快速性与可靠性而得到关注与研究，本文通过在ANSYS EM软件中对电磁斥力机构进行建模仿真，分别对背板材料为高导磁材料与非导磁材料进行了仿真分析，从仿真分析的结果可以看出，高导磁的背板材料可以提高电磁斥力机构的能量利用率，减小电容体积。

电磁斥力机构 高导磁背板 能量利用率

0 引言

随着舰船电力系统的发展，中压直流区域配电因其固有优势而得到重视与研究。与此同时，中压直流断路器的缺失成为影响其发展的瓶颈。

目前，大量研究的中压直流断路器主要为混合式直流断路器。该型断路器的关键技术之一为快速机械开关，其快速性对断路器的体积和成本有重要影响。

电磁斥力机构具有触动时间短（百微秒级）、分散性小（微秒级），可靠性高等优点，因此，目前在研究的混合式断路器中基本都采用电磁斥力机构。其基本原理示意图如图1所示a为励磁线圈，b为斥力盘，C为储能电容，储能电容对励磁线圈脉冲放电，与励磁线圈临近的斥力盘感应出与励磁电流方向相反的涡流，从而产生电磁斥力驱动触头运动。国内外学者对电磁斥力机构已经进行了一些研究[1-2]，本文主要从实际工程设计角度出发，仿真分析了电磁斥力机构安装固定用的背板的材料对电磁斥力机构的影响。

1不同背板材料下的仿真分析

1.1仿真模型建立

在ANSYS EM中建立电磁斥力机构的二维轴对称仿真模型，如图2所示。图中，1为线圈，匝数为40匝，2为斥力盘，3为band域（运动域），4为线圈背板，5为斥力盘背板，4和5的材料设定为高导磁材料（电工纯铁Iron）或非导磁材料（真空Vacuum）。

线圈由外电路供电，电路图如图3所示，图中，C1为储能电容，容量为100uF，初始电压为5kV，LWinding1代表线圈，DD为续流二极管，Rc为电容内阻及线路电阻之和，RL为线圈电阻以及线路电阻之和，LL1、LL2、LL3均为线路电感。

运动部件质量为m=6kg，负载反力为Fh=5kN。

1.2背板材料设定为Iron

将背板材料设置为电工纯铁Iron，其相对磁导率为4000，进行仿真。

仿真结果如图4、图5所示，从图中标记点可以看出，960 µs时刻，机构行程约为3.5 mm，此时的速度为5.614 m/s。

1.3背板材料设定为Vacuum

将背板材料设置为真空Vacuum，其相对磁导率为1，其他条件保持不变，进行仿真。

仿真结果如图6、图7所示。从图中标记点可以看出，1.03 ms时，机构行程约为3.5 mm，此时的速度为5.025 m/s。

为确保3.5 mm行程时间与1.2节仿真结果一致，即为960 µs。分别对储能电容的初始电压以及电容容量进行参数扫描。

电容容量不变条件下，电容初始电压为5.28 kV时，满足上述要求。此条件下的仿真结果如图8、图9所示。此时的速度为5.518 m/s。

电容电压不变条件下，电容容量为5.28 kV时，满足上述要求。此条件下的仿真结果如图10、图11所示。此时的速度为5.493 m/s。

2 结果分析

将上一节中仿真分析的结果进行汇总并进行处理，其数据见表1。从表1中数据可以得出如下结论：

1)同等条件下，高导磁背板材料可减小机构

行程3.5 mm的时间；

2) 3.5 mm行程时间保持一定的情况下，高导磁的背板材料可以提高电容能量利用率。

3 总结

本文通过在ANSYS EM软件中对电磁斥力机构进行建模仿真，分别对背板材料为高导磁材料与非导磁材料进行了仿真分析，从仿真分析的结果可以看出，高导磁的背板材料可以提高电磁斥力机构的能量利用率，减小电容体积。

[1] TOSHIE TAKEUCHI, KENICHI KOYAMA, MITSURU TSUKIMA. Electromagnetic analysis coupled with motion for high-speed circuit breakers of eddy current repulsion using the Tableau Approach. Electrical Engineering in Japan, 2005,152（4）.

[2] 李庆民, 刘卫东, 钱家骊. 电磁推力机构的一种分析方法.电工技术学报, 2004, 19（2）: 20-24.

Research on Influence of High Magnetic Back Board on Energy Utilization of Repulsion Mechanism

Sun Liangyou

(Naval Representatives Office in Hunan, Xiangtan 411101, Hunan, China)

TM561

A

1003-4862（2016）05-0031-03

2016-03-09

孙良友(1977-)，男，工程师。研究方向：电力电子技术。