基于Maxwell脉冲脱扣器动态特性的研究

汪 浩，师慧倩，陈孟秋

（1.武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2.武汉长海电气科技开发有限公司，武汉 430064）

0 引言

脉冲脱扣器是一种对铁磁物质产生吸力，将电能转换成机械能的电器部件。具有体积小、操作简单、价格低廉、推力大、无油气污染、固有动作时间短等优点，被广泛应用于液压传动、气压传动、自动控制等领域[1～4]。

对于断路器、接触器、继电器等开关电器而言，脉冲脱扣器是常用的动力元件[5,6]，具有动作快的特点。电磁吸力设计太小，脉冲脱扣器无法带动操动机构，开关不能正常工作。电磁吸力设计过大，动铁芯完全吸合时的冲量太大，操动机构运行极限位置的冲击变大，降低了开关的稳定性；同时开关闭合时触头速度变大，触头弹跳增加，加速了触头电磨损；电磁吸力设计增大时，整个脉冲脱扣器的体积和重量也会相应增大，对于有空间尺寸和重量限制的开关电器而言，这种设计并不可取。由于电磁吸力与脉冲脱扣器的工作气隙不是简单线性关系，掌握动铁芯运动过程中所受吸力的变化情况，对设计和分析开关触头的闭合时间、闭合速度以及弹跳都有着很大的意义[2,7]。

本文基于船用直流开关用的快速脉冲脱扣器，运用麦克斯韦电磁场理论和能量转换原理，联合电路方程、空间磁场来求解其动态特性，分析脉冲脱扣器的受力情况以及该电磁系统的吸合过程，并运用Maxwell软件对快速脉冲脱扣器的内部电磁场等动态特性进行了分析研究，对脉冲脱扣器动特性影响因素进行分析，旨在研制出结构设计合理，运行性能良好的快速脉冲脱扣器。

1 组成结构及工作原理

1.1 组成结构

图1为脉冲脱扣器的组成结构示意图及控制电路图。脉冲脱扣器的壳体、铁芯和后盖都是由导磁材料碳素结构钢做成[8]，以便线圈通电形成磁场回路。由具有一定自润滑性能的塑料做的线圈骨架固定在壳体中，而线圈缠绕在线圈骨架中。

图1 脉冲脱扣器的结构组成

1.2 脉冲脱扣器工作原理

脉冲脱扣器工作原理是：通过直流电源→电阻R→电容C→直流电源回路给电容C充电；当保护装置输出驱动信号，使电容C对脉冲脱扣器的线圈放电产生脉冲电流，从而使脉冲脱扣器的动铁芯获得轴向运动加速度，进而带动其他机构运动，完成断路器的快速分断操作；当电容放电完成后，动铁芯又在弹簧力的作用下复位到初始位置。

动铁芯运动状态是由脉冲脱扣器的线圈电流决定，而脉冲脱扣器线圈电流的大小取决于线圈的物理结构参数（如线圈的匝数等）和电容放电回路的电气参数。因此，综合考虑电容放电回路的电气参数以及线圈结构参数的优化设计是脉冲脱扣器结构设计的关键技术。

2 理论分析

2.1 脉冲脱扣器数学模型

脉冲脱扣器的吸力模型分析如下：

忽略动铁芯和非工作气隙的磁压降，如图2（a）所示，铁芯与壳体之间的磁压降为[9]

图2 脉冲脱扣器理论分析示意图

式中：IN为磁路总磁势

假设单位长度的漏磁导为τ，在x段铁芯内的漏磁通为

则在铁芯x处的总磁通为

同理在壳体上凸出来与铁芯相对的圆柱体中x处的总磁通为

因此，该螺管式电磁铁系统的磁链为：

假设系统为线性，忽略铁芯磁阻，并且dt=-dδ，由恒磁通下的磁力公式可求该电磁吸力如下：

由上式分析可知，脉冲脱扣器的电磁吸力由两部分组成，其中一部分是，由主气隙磁导和主磁场能量变化产生；另外一部分是由铁芯的有效漏磁通产生。由于漏磁导很难确定，导致该力也很难计算，所以很难精确计算电磁吸力。

脉冲脱扣器的电压平衡方程分析如下：

如图2（b）所示，线圈可以等效成一个电阻和电感，从电磁上来分析，该回路存在以下电压平衡方程[10]：

其中：L—线圈等效电感，R—线圈等效电阻而，故方程可以化简如下：

其中：v—铁芯运动速度

2.2 脉冲脱扣器有限元模型

根脉冲脱扣器结构参数，建立分析模型，脉冲脱扣器二维分析模型如图3所示。

图3 脉冲脱扣器有限元分析模型

3 脉冲脱扣器瞬态运动分析

3.1 概述

对脉冲脱扣器进行动态仿真分析时，通过改变脉冲脱扣器控制电路的电气参数，得到各个不同参数对脉冲脱扣器运动特性的影响，为脉冲脱扣器的优化设计提供理论基础。根据脉冲脱扣器控制电路图可知，主要电气参数有：电容值C、控制电压U。

3.2 充电电容的影响

根据有限元分析模型，当电压为220 V、初始间隙为7 mm时，分析脉冲脱扣器在不同电容参数下的动态特性，结果如图4所示。

图4 充电电容对脉冲脱扣器的影响

由图可看出，随着电容值的增大，电磁力逐渐的增大，但增长较为缓慢，脉冲脱扣器的磁路基本达到饱和；当电容值较小时，线圈电流的峰值电流小，持续时间短，这是由于电容增大，电容中存储能量增大，当线圈不变时，电容给线圈放电电流峰值增大，持续时间延长；但随着电容值增大，动铁芯运动相同位移时间差别不大；综上所述，脉冲脱扣器的充电电容选用470 μF。

3.3 控制电压的影响

根据有限元分析模型，当电容为470 μF、初始间隙为7 mm时，分析脉冲脱扣器在不同控制电压参数下的动态特性，结果如图5所示。

图5 控制电压对脉冲脱扣器的影响

随着电压的增大，电磁力逐渐的增大，但当U=220 V时增长较为缓慢，脉冲脱扣器的磁路基本达到饱和；当电压较小时，线圈电流的峰值电流小，持续时间短，这是由于电压增大，电容中存储能量增大，当线圈不变时，电容给线圈放电电流峰值增大，持续时间延长。

3.4 初始间隙的影响

根据有限元分析模型，当电容为470 μF、控制电压为220 V时，分析脉冲脱扣器在不同初始间隙参数下的动态特性，结果如图6所示。

图6 初始间隙对脉冲脱扣器的影响

随着初始间隙的增大，电磁力逐渐的减小，但变化较为缓慢，脉冲脱扣器的磁路基本达到饱和，由于初始间隙的改变对脉冲脱扣器的磁场分布有一定的影响，但在小范围内影响较小。

3.5 小结

综上所述，电容值越高越有利于脉冲脱扣器快速动作，但电容值增加对脉冲脱扣器动态特性影响较小；电压值越高也越有利于脉冲脱扣器快速动作，但当电压高于220 V后增加较为缓慢，因此在设计脉冲脱扣器的控制电路时需要考虑电容值和电压值的影响因素。

4 结论

本文结合脉冲脱扣器的仿真计算与样机实验，分析了脉冲脱扣器的动态特性，结论如下：

1）通过对脉冲脱扣器控制电路的充电电容、电压等参数对脉冲脱扣器动态特性的影响分析，得到电容增大电磁力缓慢增大，电压增大电磁力增大，但当电压增大到220 V后，电磁力增加缓慢。最终确定充电电容为470 μF；

2）建立了脉冲脱扣器有限元分析模型，通过仿真研究了不同结构参数和电气参数对脉冲脱扣器动态特性的影响，为脉冲脱扣器的优化设计提供了理论基础；

3）脉冲脱扣器的电磁吸力随着气隙的减小而增大，但变化较为缓慢，最终确定脉冲脱扣器的初始间隙为7 mm；

4）脉冲脱扣器吸合过程中动铁芯所受的吸力逐渐增大然后再逐渐减小的过程。