高速直流断路器磁脱扣器的特性分析

2025-09-29 百科知识版权反馈

【摘要】：与计算继电器，电磁弹射装置，电磁操动机构等装置中的电磁力不同，脱扣器的载荷为短路电流，可视为电流源，动铁心运动产生的反电势可以近似忽略。表4-5 碟片弹簧几何参数基于上述静态计算结果，可以求解该脱扣器的动态特性。利用Fmag和Fspr加载脱扣器多体动力学模型，考虑重力，忽略摩擦力，求解牛顿欧拉微分方程，可以得到脱扣器动态特性曲线，如图4-24所示，其中Ipeak为短路电流峰值。图4-23 碟片弹簧组特性曲线图4-24 脱扣器动态特性曲线

该脱扣器中电磁铁的有限元模型如图4-21所示（空气未画出），其中d_c=∞表示铁核从轭铁中完全取出。由于气隙处的磁感应强度梯度较大，气隙附近的网格需要细化以增加求解精度。与计算继电器，电磁弹射装置，电磁操动机构等装置中的电磁力不同，脱扣器的载荷为短路电流，可视为电流源，动铁心运动产生的反电势可以近似忽略。

本文考虑铁磁物质的非线性B-H特性，忽略短路电流涡流效应的影响，利用三维有限元法和麦克斯韦张量法计算随电流和气隙长度变化的静态电磁吸力。该电磁铁的静态吸力曲线如图4-22所示，其中d_a为动铁心的移动距离。可以看出i<16kA时，F_mag随着i的增大迅速增大，而在i>16kA时，由于磁路饱和的缘故，F_mag增大趋势逐渐趋于平缓。另一方面，随着d_a增大，气隙长度不断减小，所以F_mag也随之增大。通过对比图4-22和图4-22b还可以发现，在i和d_a相同的情况下，d_c=0时电磁吸力比d_c=∞时的大，这是因为d_c增大时，由轭铁、动铁心和铁核组成磁路的磁阻增大，致使动铁心的电磁吸力降低。这也是可以通过d_c调节脱扣电流的原因。

一般地，碟片弹簧组的弹簧力F_spr可以利用公式（4-15）进行简化计算，代入表4-5中的几何参数，可以得到碟片弹簧组特性曲线，如图4-23所示，碟片弹簧组弹簧力与压缩量近似为线性关系。

图4-21 电磁铁有限元剖分网格（d_c=∞）

图4-22 电磁铁静态吸力曲线

式中

D——碟片弹簧外径/mm；

d——碟片弹簧内径/mm；

Δ——碟片弹簧组压缩量；

N——碟片弹簧数目；(https://www.chuimin.cn)

h₀——自由长度减厚度/mm；

E——弹性模量/MPa；

μ——泊松比；

t——厚度/mm。

表4-5 碟片弹簧几何参数

基于上述静态计算结果，可以求解该脱扣器的动态特性。图4-22所示的静态吸力曲线可拟合为3-D样条函数F_mag=f（i，d_a），将短路电流函数i=i（time）代入，可以得到电磁吸力随时间和动铁心位移变化的表达式F_mag=f（time，d_a）。式（4-15）所计算的碟片弹簧阻力可以化简为F_spr=F（Δ）。利用F_mag和F_spr加载脱扣器多体动力学模型，考虑重力，忽略摩擦力，求解牛顿欧拉微分方程，可以得到脱扣器动态特性曲线，如图4-24所示，其中I_peak为短路电流峰值。随着短路电流的增大，F_mag不断增大，当time<2.1ms时，F_mag<F_spr，动铁心未动作；当time>2.1ms时，F_mag>F_spr，动铁心带动脱扣杆向上运动，并转动脱扣叉；当time=5.9ms时，脱扣叉与固结在动触头上的卡住装置分离，动触头脱扣，并开始运动，动态仿真停止。

图4-23 碟片弹簧组特性曲线

图4-24 脱扣器动态特性曲线（L₀=15mm，I_peak=14kA，d_c=0）

高速直流断路器磁脱扣器的特性分析

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