电动斥力仿真分析报告

Xi'anJiaotongUniversity仿真分析报告提交单位：西安交通大学日期：2008-10-10电子信箱：dgchen@xwli@研究计划仿真分析NM8-1250塑壳断路器的电动斥力NM8-1250塑壳断路器的电动斥力仿真分析报告1仿真分析目的当短路电流到来时，低压塑壳断路器(MCCB)中动、静触头在电动斥力的作用下分离并在操作机构的带动下，电弧将在触头之间产生，拉长，并在吹弧力的作用下进入栅片被分割成若干个短弧，而后熄灭。在这个过程的起始阶段，作用在动触头上的电动斥力F(包括导电回路产生的Lorentz力FL及触头间由于电流收缩产生的Holm力F詁,和预压力决定了触头的斥开时间和打开速度，从而对MCCB的限流性能产生重要的影响。而且，从式(1)所示的Holm公式可以看出，接触点半径r与预压力FK，触头材料的布氏硬度H,触头表面接触情况(用E描述，一般为其范围为0.3-0.6,—般取0.45)有关。而Holm力FH与r,触头半径R以及电流大小i有关，这样Fk对F就有一定的影响；另一方面，Fk的选择也由于发热容许的要求,而受到F的限制。因此，在进行MCCB的触头导电回路的设计时必须进行电动斥力的计算。F= xln(一)xi2 其中r二K (1)H4兀 r 兀•H近年来，随着计算机技术发展和数值计算方法的不断进步，计算机辅助工程在MCCB新产品的设计中得到了越来越广泛的应用，大大缩短了产品开发周期，降低了开发成本，同时产品的性能也得到了很大提高。就电动斥力的计算来说，一般用式(1)来计算FH，而忽略触头区域的电流收缩。这种简化不仅使载流导体中的电流分布和实际相差甚远，而且会进一步影响了磁场的分布，从而使fl的计算结果有一定的误差。本次仿真分析基于ANSYS软件，应用三维有限元分析，引入圆柱体导电桥模型作为接触点，对NM8-1250低压断路器的电动斥力进行了仿真分析。2计算方法2・1导电桥模型图1给出了触头及导电桥模型的示意图，其中R和r分别为触头半径和导电桥半径。图1触头及导电桥模型

根据已有的研究结果，发现，在相同的r下，其高度h在0.1-0.25mm范围内对电动斥力的影响不大，因此，在本次仿真分析中，高度h取0.2mm。2・2计算原理对于MCCB来说，动触头是在一个对转动轴的力矩M的作用下打开，如图2所示。对任何一个单元i来说，其对于转轴O的转矩Mi为di和力密度耳的向量积，那么在整个动导电杆区域对Mi进行体积分运算，则可得到作用在其上相对于O的力矩。从而作用在其上的等效电动力也可以得到。如式(2)所示。而力密度Fi可通过式(3)计算，其中Ji和Bi分别为单元i上的电流密度和磁通密度。A转轴O动触头A转轴O动触头图2力计算方法示意图M=fdxFdv F=M/1 (2)iiVF=JxB (3)iii采用恒定场的方程来计算电流密度和磁通密度的分布。这样在导电体区域，也就是触头导电回路，电流密度J满足式(4)所示的公式和式(5)所示的边界条件。其中o为导体的电导率,在本文中，导电杆和触头分别为铜和银材料；T为矢量电位，I为流过导体的电流。rot(丄rotT)=0, J=rotT (4)(5)s在得到了电流密度J的分布后，在整个场域中，根据磁通密度B和J之间的关系式(6),其中A为矢量磁位，p为磁导率，即可得到B的分布。rot(丄rotArot(丄rotA)=J,B=rotA(6)基于以上的电流-磁场-电动斥力之间的关系，采用三维有限元分析，可以得到作用在动导电杆上和触头上的电动斥力。3计算结果在该断路器中，作用在触头上的初始压力为13.78N，而银的布氏硬度可取900N/mm，这

样根据式(1)所示的Holm公式，可得导电桥的半径为0.104mm。图3所示为NM8-1250断路器触头灭弧系统的一半剖分图。图3触头灭弧系统的一半剖分图图4所示为电流等于20kA时的电流密度分布，其中(a)为整个导电回路流过的电流密度分布，(b)显示的是流过动静导电杆(不包含动静触头和导电桥)的电流密度分布。从图(a)中可以明显的看出触头间的电流收缩。(a)整个导电回路的电流密度分布

1VECTORANOCT1020083TEP=1SUB=1TIME=113:17:44■JTELEM^6905MTN=176690(b)动静导电杆的电流密度分布

图4电流为20kA时的电流密度分布图5所示为电流等于20kA时的磁感应强度分布。图5磁感应强度分布图6和表1给出了不同电流时的作用在各动触头的电动斥力。・最外侧触头外侧第二个触头-•”-中间触头40-图6作用在各触头上的电动斥力与电流之间的关系表1电动斥力仿真分析结果电流/A最外侧触头外侧第二个触头中间触头10001.84E-022.45E-020.0251974820007.37E-029.77E-020.100450440000.29441180.39053090.401304460000.66144140.8774130.90154480001.1735421.5559111.598082100001.8290232.420432.483464120002.6236253.4215083.476544140003.5521754.541964.56293160004.6110435.800125.781766180005.7919237.18747.12866200007.0979188.703978.6020162400010.0921112.134711.927622800013.592216.1010215.756863200017.5855420.586420.071363600022.069825.5932824.876144000027.0393431.12091304958637.1705535.964664800038.4348843.7382342.24475000041.5857947.2169545.568765200044.8574650.8255949.015664结论＞基于电流-磁场-电动斥力之间的关系，应用三维有限元非线性分析，引入导电桥模型来表述触头间的电流收缩，可统一计算作用在动导电杆上和触头上的电动斥力。＞作用在最外侧