孫良友
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高磁性背板對斥力機構(gòu)能量利用率的影響研究
孫良友
(海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室,湖南 411101)
隨著中壓直流混合斷路器的發(fā)展,電磁斥力機構(gòu)因其優(yōu)越的快速性與可靠性而得到關(guān)注與研究,本文通過在ANSYS EM軟件中對電磁斥力機構(gòu)進行建模仿真,分別對背板材料為高導磁材料與非導磁材料進行了仿真分析,從仿真分析的結(jié)果可以看出,高導磁的背板材料可以提高電磁斥力機構(gòu)的能量利用率,減小電容體積。
電磁斥力機構(gòu) 高導磁背板 能量利用率
0 引言
隨著艦船電力系統(tǒng)的發(fā)展,中壓直流區(qū)域配電因其固有優(yōu)勢而得到重視與研究。與此同時,中壓直流斷路器的缺失成為影響其發(fā)展的瓶頸。
目前,大量研究的中壓直流斷路器主要為混合式直流斷路器。該型斷路器的關(guān)鍵技術(shù)之一為快速機械開關(guān),其快速性對斷路器的體積和成本有重要影響。
電磁斥力機構(gòu)具有觸動時間短(百微秒級)、分散性?。ㄎ⒚爰墸煽啃愿叩葍?yōu)點,因此,目前在研究的混合式斷路器中基本都采用電磁斥力機構(gòu)。其基本原理示意圖如圖1所示a為勵磁線圈,b為斥力盤,C為儲能電容,儲能電容對勵磁線圈脈沖放電,與勵磁線圈臨近的斥力盤感應出與勵磁電流方向相反的渦流,從而產(chǎn)生電磁斥力驅(qū)動觸頭運動。國內(nèi)外學者對電磁斥力機構(gòu)已經(jīng)進行了一些研究[1-2],本文主要從實際工程設(shè)計角度出發(fā),仿真分析了電磁斥力機構(gòu)安裝固定用的背板的材料對電磁斥力機構(gòu)的影響。
1不同背板材料下的仿真分析
1.1仿真模型建立
在ANSYS EM中建立電磁斥力機構(gòu)的二維軸對稱仿真模型,如圖2所示。圖中,1為線圈,匝數(shù)為40匝,2為斥力盤,3為band域(運動域),4為線圈背板,5為斥力盤背板,4和5的材料設(shè)定為高導磁材料(電工純鐵Iron)或非導磁材料(真空Vacuum)。
線圈由外電路供電,電路圖如圖3所示,圖中,C1為儲能電容,容量為100uF,初始電壓為5kV,LWinding1代表線圈,DD為續(xù)流二極管,Rc為電容內(nèi)阻及線路電阻之和,RL為線圈電阻以及線路電阻之和,LL1、LL2、LL3均為線路電感。
運動部件質(zhì)量為m=6kg,負載反力為Fh=5kN。
1.2背板材料設(shè)定為Iron
將背板材料設(shè)置為電工純鐵Iron,其相對磁導率為4000,進行仿真。
仿真結(jié)果如圖4、圖5所示,從圖中標記點可以看出,960 μs時刻,機構(gòu)行程約為3.5 mm,此時的速度為5.614 m/s。
1.3背板材料設(shè)定為Vacuum
將背板材料設(shè)置為真空Vacuum,其相對磁導率為1,其他條件保持不變,進行仿真。
仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。從圖中標記點可以看出,1.03 ms時,機構(gòu)行程約為3.5 mm,此時的速度為5.025 m/s。
為確保3.5 mm行程時間與1.2節(jié)仿真結(jié)果一致,即為960 μs。分別對儲能電容的初始電壓以及電容容量進行參數(shù)掃描。
電容容量不變條件下,電容初始電壓為5.28 kV時,滿足上述要求。此條件下的仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。此時的速度為5.518 m/s。
電容電壓不變條件下,電容容量為5.28 kV時,滿足上述要求。此條件下的仿真結(jié)果如圖10、圖11所示。此時的速度為5.493 m/s。
2 結(jié)果分析
將上一節(jié)中仿真分析的結(jié)果進行匯總并進行處理,其數(shù)據(jù)見表1。從表1中數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論:
1)同等條件下,高導磁背板材料可減小機構(gòu)
行程3.5 mm的時間;
2) 3.5 mm行程時間保持一定的情況下,高導磁的背板材料可以提高電容能量利用率。
3 總結(jié)
本文通過在ANSYS EM軟件中對電磁斥力機構(gòu)進行建模仿真,分別對背板材料為高導磁材料與非導磁材料進行了仿真分析,從仿真分析的結(jié)果可以看出,高導磁的背板材料可以提高電磁斥力機構(gòu)的能量利用率,減小電容體積。
[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] 李慶民, 劉衛(wèi)東, 錢家驪. 電磁推力機構(gòu)的一種分析方法.電工技術(shù)學報, 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
孫良友(1977-),男,工程師。研究方向:電力電子技術(shù)。