高压断路器电磁铁仿真设计及优化

王亚辉，张全民，顾根泉

（平高集团有限公司，河南 平顶山 467001）

0 引 言

电磁铁是高压断路器操动机构中的重要元件之一。电磁铁的结构形式多样，根据电磁铁的负载和动作行程，在断路器的操动机构中一般采用直流螺管电磁铁。在操动机构中，要求电磁铁的吸力特性与操动机构的动作特性相匹配，动作时间短，具有高可靠性。基于电磁铁设计理论进行电磁铁初步设计，确定电磁铁的各个结构参数，再通过仿真软件计算，优化参数，可以快速、低成本实现产品研发[1]。

1 电磁铁设计理论

电磁铁是一种电磁铁线圈通电后对电磁铁铁心产生吸力将电能转换为机械能的电器元件。

1.1 电磁铁结构

电磁铁结构见图1，由上磁轭、动铁芯、下磁轭、线圈、隔磁环和隔磁垫等组成。电磁铁在电流的作用下打开电磁阀先导阀，以控制电磁阀动作。

图1 电磁铁结构

1.2 电磁铁理论分析

在工程上，常采用等值磁路来分析、计算电磁铁的磁场，以简化计算。合理建立模型，有助于控制计算误差处于允许范围，使计算精度满足工程需要。

电磁铁电压方程：

电磁铁的感应电动势：

电磁铁机械运动方程：

电磁铁吸力计算：

式中，U表示线圈两端电压（V）；R表示线圈电阻（Ω）；L表示线圈电感（T）；di/dt表示电流对时间的变化率；i表示线圈中电流（A）；uf表示线圈感应电动势（V）；v表示动铁芯运动速度（m/s）；F表示电磁铁吸力（N）；f表示电磁铁负载（N）；m表示动铁芯质量（kg）；x表示动铁芯运动位移（m），N表示线圈匝数（匝）；μ0表示真空导磁率[Mx/（A·cm）]；S表示动铁芯截面积（cm2）；δ表示气隙长度（cm）。

电磁铁的动作过程分2个阶段：第1阶段，电磁铁线圈通电到电磁铁动铁芯开始动作时刻；第2阶段，电磁铁动铁芯开始动作时刻到铁芯最后吸合时刻。

第1阶段，电磁铁线圈刚通电，由于线圈为感性元件，线圈电流不能突变到稳态电流，而是由0逐渐增大到稳态电流。同时，电磁铁的吸力逐渐增大，直到使动铁芯动作。第2阶段，线圈电流逐渐增大到动作电流，即电磁铁吸力刚超过电磁铁负载力，动铁芯开始运动，使得电路中又增加了一项感应电动势。此时，线圈电流将比铁芯开始运动时的电流要小，而且动铁芯运动速度越快，感应电动势越大，线圈电流减少得越多。动铁芯到达最终吸合位置，停止运动。电磁铁线圈电流再次逐渐增大，直到达到稳态电流。

2 电磁铁仿真与分析

对电磁铁建模，进行静态仿真分析和动态分析。

2.1 电磁铁静态仿真分析

上面采用电磁有限元分析软件Maxwell对电磁铁进行了静态分析，通过分析对电磁铁的材料特性有了一定的了解，并再现了电磁铁的磁路分布情况，但得到的结果只是静态特性。

2.1.1 仿真模型

为便于分析，利用电磁铁轴对称结构，取其一半结构，在有限元软件中建立电磁铁的仿真模型，如图2所示。仿真过程中，为提高分析精度，采用自适应网格分析，并利用系统的迭代求解，对最大误差存在的区域进行网格细化得到较高的网格密度，从而生成更加准确的解[2]。

图2 电磁铁模型

2.1.2 仿真结果

（1）电磁铁磁路分析。针对不同电磁铁气隙进行仿真，观察磁力线分布。不同气隙下磁力线分布，如图3～图6所示。可见，随着气隙的增大，漏磁增大。

图3 气隙为0.2 mm磁路图

图4 气隙为1.2 mm磁路图

图5 气隙为2.2 mm磁路图

图6 气隙为3.2 mm磁路图

（2）电磁铁静态吸力分析。假设电磁铁线圈电流保持为稳定值，改变电磁铁的气隙，计算不同气隙下电磁铁静态吸力，可得到电磁铁静态吸力曲线，见图7。从图7可以看出，静态吸力随着气隙的减小而增大。气隙在2.2～3.2 mm，输出力增加迅速；气隙在1.4～2.2 mm，输出力变化幅度较小；气隙在0.2～1.4 mm，电磁力迅速增大。

图7 电磁铁静态吸力特性

（3）铁芯长度对静态输出力的影响。轴向推力随着衔铁长度的增加而增大，但是轴向推力上升速率呈下降趋势。产生这种现象的原因在于衔铁长度变化引起磁路的闭合路径发生变化进而导致磁阻变化。因衔铁长度变短而引入的后端非工作气隙导致整个磁路磁阻变大，引起磁力大幅度减小[3]。衔铁作为电磁铁的重要组成部分，是其唯一的可动工作部件。减少衔铁长度、降低衔铁质量可缩短其动作时间，但电磁铁的推力减小。过长的衔铁长度并不能增加轴向推力，因而应选取合适的铁芯长度。

图8 铁芯长度对静态输出力的影响

2.2 电磁铁动态仿真

2.2.1 建立仿真模型

仿真模型主要由电磁铁模型、先导阀阀口节流模型、先导阀阀芯静压力模型、先导阀质量模型等构成。电磁铁、先导阀模型建立基于AMESim系统仿真软件下的HCD（Host Controller Driver）液压元件仿真模块建立仿真模型，见图9。

图9 电磁铁—先导阀模型

2.2.2 仿真结果

通过仿真计算，提取电磁铁在运动过程中的电流曲线、吸力特性曲线、先导阀阀芯动作位移曲线。

（1）电磁铁电流曲线。从仿真中提取电磁铁电流曲线，可以看出电磁铁驱动先导阀运动，先导阀约在4 ms时开始动作，约5 ms时先导阀打开（见图10）。电磁铁基本完成了其在电磁阀中所承担的任务。

图10 电磁铁时间—电流曲线

（2）电磁铁吸力特性曲线。从仿真中提取电磁铁吸力特性曲线，可以看出电磁铁随时间变化的出力情况，见图11。

图11 电磁铁时间—吸力曲线

（3）电磁铁先导阀阀芯动作行程曲线。从仿真中提取先导阀阀芯动作行程曲线，可以看出阀芯随时间变化的位移变化情况，5 ms时先导阀完全打开（见图12）。

图12 先导阀阀芯打开时间—行程曲线

通过对电磁铁、先导阀动态仿真，可以了解到电磁铁线圈电流、电磁铁吸力、先导阀阀芯动作行程，了解三者的动作匹配关系。根据计算结果，该优化后的电磁铁驱动先导阀的动作时间可以满足与控制阀匹配的需要，但需要将研制的电磁铁装配在电液控制阀上。此外，配断路器进行空载机械特性，还需满足断路器机械特性参数要求[4-8]。

3 试验验证

电磁铁装配到某型液压机构的电液控制阀上，并进行配断路器的空载机械特性测试，测试曲线见图13和图14。

图13 断路器合闸测试曲线

图14 断路器分闸测试曲线

从图13可以读出断路器的机械特性参数，满足该型断路器技术参数的要求。从图14可以了解断路器测试过程中电磁铁的电流曲线，可以读出先导阀打开时间等。通过试验验证，确认了电磁阀设计可满足产品使用要求。

4 结 论

仿真计算在产品研发过程中得到了广泛应用，减少了传统设计需依靠大量试验验证结果修正设计结构的过程，缩短了产品研制周期，节约了研发费用。仿真计算已成为产品研发中的必备工具。