快速机械开关机械特性和结构强度研究

快速机械开关机械特性和结构强度研究

吕老仔,周阮国,张晓

温州市麦特力克电器有限公司  浙江温州 325609

摘要：

电磁斥力机构是快速机械开关的核心部件，在快速合闸和分闸过程中巨大的电磁驱动力会给电磁斥力机构和整个机械传动系统带来强烈的瞬态冲击。针对该问题，文中对电磁斥力机构在合闸和分闸全过程中的机械特性和结构强度进行了研究。采用LS-DYNA建立快速机械开关的有限元仿真计算模型，并求解得到合闸和分闸全过程各零部件的机械运动特性和瞬态冲击强度。采用激光测距对某单断口快速机械开关进行了实验测量，得到合闸和分闸过程的时间—行程特性曲线，实验测量结果和仿真计算结果匹配良好。最后对仿真计算模型进行参数优化，从而降低合闸弹跳、分闸过冲与反弹并减少零部件内部的瞬态冲击应力。文中的仿真计算方法和所获结果能为快速开关的运动特性分析、瞬态强度校核和设计参数优化提供指导。

关键词：电磁斥力机构;快速机械开关;机械特性;结构强度;冲击;

作为快速机械开关核心的斥力机构需在高速运动的斥力盘到达终点前及时介入进行缓冲降速。文中基于有限元分析法在快速斥力机构二维模型的基础上对电容放电时间、出力峰值与持续时间的影响因素进行研究与电磁缓冲仿真，仿真表明在电容能量相同且缩减线圈匝数条件下，电流峰值增加1.63 k A，峰值出力增加50.41 kN。根据仿真结果提出采用出力峰值高，出力时间缩短的电磁缓冲方案对用于缓冲的电磁线圈结构进行改进并在现有平台试验验证，通过传感器可知行程时间满足且实测弹跳距离1.2 mm，合闸电阻25.3 mΩ，研究为解决电磁缓冲导致触头墩粗使接触电阻增大导致发热与寿命问题提供一种思路。

针对某单断口快速机械开关样机的机构运动特性和瞬态强度计算问题，文中以Ansys Maxwell软件得到的电磁斥力作为输入，采用LS-DYNA建立快速机械开关的有限元仿真计算模型，并求解得到分闸全过程和合闸全过程各零部件的机构运动学特性和瞬态强度计算结果。采用激光测距对单断口快速机械开关进行了实验测量，得到分闸特性曲线和合闸特性曲线。仿真计算结果和试验测量结果匹配良好，证明了仿真计算方法的有效性。

文中提出一种适用于快速机械开关分闸过程的电磁缓冲装置。该电磁缓冲装置不需要在线圈型电磁斥力机构中增加额外机械部件，有利于减小电磁斥力机构体积。文中在分析快速机械开关电磁缓冲原理基础上，在Ansoft Maxwell软件中建立线圈型电磁斥力机构及电磁缓冲装置的二维有限元模型，仿真分析了缓冲储能电容容量、初始电压和缓冲触发时间对电磁缓冲特性的影响规律，得出一般性的设计指导。最后结合仿真分析，验证了电磁缓冲的有效性。

1 基本结构和工作原理

其主要由真空灭弧室、电磁斥力机构、双稳保持机构和液压缓冲器组成。真空灭弧室包括静触头和动触头；电磁斥力机构包含拉杆、斥力盘、分闸线圈和合闸线圈；双稳保持机构包括连杆、活塞和保持弹簧；液压缓冲器则由缓冲器头部和缓冲器本体组成。

当断路器接到合闸指令时，外接储能电容向合闸线圈放电产生脉冲电流，斥力盘中感应出方向相反的电流，合闸线圈与斥力盘之间产生电磁斥力，驱动斥力盘带动拉杆和动触头克服双稳保持机构的分闸保持力开始运动，走完预定的开距之后，动触头和静触头产生多次碰撞接触，最终在双稳保持机构合闸保持力的作用下停止运动。

2 机械特性和结构强度

在快速合闸和分闸过程中巨大的电磁驱动力会给机械开关的整个传动系统带来强烈的机械冲击，导致关键零部件的运动特性和应力场分布发生改变，这一问题可采用柔性多体系统动力学的理论和方法进行研究分析。

2.1 理论模型

包含电磁斥力机构在内的快速机械开关的整个传动系统构成一个柔性多体系统，其运动可以分解为整体刚性运动和相对变形两部分。

给定初始条件、边界条件和约束条件，对以上三式进行求解即可得到整体刚性运动和相对变形，再通过连续介质力学的本构方程和几何方程即可求出柔性变形体的应力场和应变场。

上述控制整体运动和相对变形的方程是强非线性的，其非线性来源于两个方面：(1)大范围刚性运动本身的非线性，尤其是不同物体刚性运动之间的耦合；(2)整体刚性运动和相对变形之间的耦合。除了运动的非线性之外，电磁斥力机构在合闸和分闸过程中会经历多次强烈冲击碰撞，这便是接触的非线性。而材料自身在强冲击下可能出现非弹性变形，这是材料的非线性。综合考虑到几何运动非线性、材料非线性和接触非线性，采用有限元分析软件LS-DYNA对电磁斥力机构的机械运动特性和瞬态冲击应力进行仿真计算。

2.2 仿真模型和结果分析

电磁斥力机构在合闸和分闸过程中的机械运动和冲击碰撞不尽相同，需要单独建立仿真模型进行计算。

2.2.1 合闸全过程

在合闸过程初始时刻斥力盘处于分闸位置。为了控制网格数量和计算时长，对仿真计算模型进行了简化，删除了部分小孔、细槽、圆角、倒角等特征。各构件被赋予的材料属性见表

1，采用双线性弹塑性模型来描述柔性部件，采用线弹性模型来描述刚体部件。单个双稳弹簧刚度设定为0.33 k N/mm、预压缩力为1.86 k N,4个双稳弹簧在轴向的合力为3 k N作为分闸保持力。用Ansys Maxwell软件得到电磁斥力曲线作为驱动见图3。之后设定构件之间的接触、约束、边界条件、旋转副、计算时间和步长，并控制时间沙漏为0.1。

在电磁斥力的作用下，由斥力盘、拉杆和动触头组成的运动构件向上运动，动触头的时间—行程特性曲线见图4(a)。在16.9 ms时刻，动触头走完27 mm的开距和静触头进行首次碰撞，持续0.4 ms之后，在17.3 ms时动静触头脱离。动触头获得一个向下的速度，在双稳弹簧合闸保持力的作用下，动触头先减速到零再反向加速。在27.0 ms时刻，动静触头开始第2次碰撞，碰撞过程持续0.3 ms。在36.3 ms动静触头进行第3次碰撞，碰撞过程持续0.6 ms。之后经过多次碰撞，最终在76.5 ms时由于合闸保持力的作用动静触头停止运动。

2.2.2 分闸全过程

在分闸过程初始时刻斥力盘处于合闸位置。分闸过程的仿真计算模型的设置和合闸过程类似。建立有限元网格计算模型见图8，该模型去掉了静触头，新增了缓冲器头部、缓冲器底座和合闸线圈。

3参数优化

快速机械开关的传动系统在碰撞瞬间会产生极大的撞击力，这种撞击力能改变运动构件的运动状态并在构件内部产生极大的瞬态冲击应力。碰撞之后的反弹如果过大将会造成由于绝缘距离下降导致的2次击穿，而构件内部产生的过大瞬态应力将会造成材料的失效破坏而影响构件的正常工作。因此有必要调整仿真计算模型的部分参数来降低碰撞过程的过冲与反弹和运动构件的瞬态冲击应力。

4结论

采用LS-DYNA建立了快速机械开关的柔性多体动力学仿真计算模型，求解得到合闸和分闸全过程各零部件的机械运动特性和瞬态强度计算结果。采用激光测距对某单断口快速机械开关进行了实验测量，得到了合闸和分闸的时间—行程特性曲线。对部分参数进行调整优化从而降低了合闸弹跳、分闸过冲与反弹以及瞬态冲击应力。

参考文献

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