李瑞耸
平高集团河南平高电气股份有限公司 河南省平顶山市 467000
摘要：为了提高液压电磁断路器的磁矩，对某型液压电磁断路器的电磁系统进行了优化。首先，基于产品设计平面创建液压电磁断路器的三维物理模型。其次，由于初始设计时电磁系统的输出特性不能满足按钮要求，断路器的电磁系统结构根据altairflux有限元软件进行优化，使输出特性能够满足按钮要求。最后，建立了断路器电磁转矩测量实验系统，验证了有限元模拟的准确性。通过提高断路器电磁系统的输出磁矩，可以提高断路器解锁的可靠性，前提是确定机构锁定的时间。
关键词：液压电磁断路器；吸合磁力矩；电磁系统；三维物理模型；
前言
小型电流断路器为热磁式和液压式。液压电磁断路器采用液压电磁按钮，液压机构中的液压油采用粘度相对稳定的硅油，使断路器的脉动运行稳定可靠，无需考虑过高的环境温度导致的容量减少。其特殊结构结合了过载环和短路环，可广泛应用于计算机及其外围设备、工业自动控制系统、铁路机车和一般电力系统 特别是在保护精度较高的情况下。通过改变断路器电磁机构的某些结构参数，可以获得不同的按钮特性。 在设计小型断路器时，通常使用经验公式来计算某些释放参数。此方法很简单，但可以进行多次修改和验证，以确定最终参数，但会出现严重错误。随着计算机技术的发展和仿真分析软件的快速开发，有限元分析已成为工程技术领域必不可少的前沿工具。本文采用有限元法分析液压电磁断路器的工作特性，可提高计算精度，缩短研发周期，为产品优化设计提供理论依据。
一、液压电磁断路器工作原理
1.结构组成及其工作原理
断路器的带电线圈是充电电路的一部分。当负荷电路电流低于临界电流(该物体的105%)时，磁路产生的磁通量非常小，移动铁芯的电磁重力低于精密压缩弹簧预热，钢筋的重力不足，负荷电路保持在初始位置，工作正常。当负荷电路电流超过断路器额定电流时，带电线圈产生的磁场开始增大。当电流达到阈值(105%In)时，移动铁芯超过精密压缩弹簧的预压力，在电磁重力作用下向上加速，提高电感度上的电磁重力。移动铁芯与固定铁芯接近后，磁路中的磁流达到最大值，感应超过旋转轴扭转弹簧的反作用力，从而拉动输入，导致操作机构跳闸释放负荷电路。电流大小用于控制延时，使断路器具有延时保护特性。当断路器负载电路电流超过断路器额定电流的6至8倍时，钢筋平板的电磁重力比轴复位扭转弹簧的预热力大得多。当铁芯不移动时，钢筋盘被吸引，另一端推半开轴，推动操作机构断开接触，使断路器具有瞬时保护特性。
2.有限元模型的建立
电磁机构主要由增压器、铁芯、极靴、支架、电感器和线圈组成，是一种不对称结构，需要构建完整的模型。对于非对称零件和复杂零件(例如铰链、支撑等)。，使用SolidWorks软件绘制模型，然后将在SolidWorks中创建的模型导入Ansys有限元分析软件以创建线轴模型。
二、电磁系统结构优化
1.原始模型分析
额定电流下，移动铁芯初始位置的电磁重力为0.043N，低于精密压缩弹簧预热。在105%In的情况下，移动铁芯初始位置的电磁吸引力为0.048n，也小于精密压缩弹簧的预热力，钢筋在拉出位置的电磁力矩仅为10.26N mm，大大低于冲压力矩的要求。为了满足发射要求，需要优化电磁系统，增加电磁吸引时间。电磁转矩受限的主要原因是移动铁芯饱和；此外，电枢与磁轭之间的空气间隙横截面较小，电枢板中间的磁流密度较高，但较细的横截面也可能降低电枢的电磁吸引力。
2.优化方案一
增加磁轨的有效表面和磁链，方法是加厚电感和弯曲磁轭，以便尽可能增加电磁转矩，以应对最初设计的磁轨的弱点。为了避免电枢密实对机械指示器的影响，应根据感应运动轴增加另一侧的相应重量。电磁转矩可以通过结构改进提高到15.62 N mm，但移动铁芯半径提高到0.1mm时不能满足按键要求，这是装配尺寸的限制。移动铁芯半径不能增大。在尺寸和空间限制范围内，在电流结构的黄铜延时管上部添加了纯电铁磁性套筒，提高了磁路和磁流的有效表面，降低了移动铁芯的饱和程度，提高了电感的电磁转矩。与原始型号相比，这种新结构可以大大降低移动铁芯的饱和，从而增加电磁转矩。为了满足发射要求，电感器的电磁转矩提高到31.85 N mm。在结构的初始状态下，额定电流下移动铁芯的电磁吸引力为0.052 N，高于精密压缩弹簧预热，可能会提前发生错误操作。其原因是，在该结构中添加磁柱可增加磁轨的磁流体，提高移动铁芯的电磁吸引力，并可在过载较低时提前解决故障。在组合大小公差栏位中，将动态核心的初始位置向下移动0.2mm，可将其额定电流下的电磁重力降低至0.046 N，临界电流下的电磁重力小于精密压缩弹簧的预载。
3.优化方案二
原料为DT4C纯电铁，饱和磁感应值约为1.85t-什么动态铁芯磁流密度最大，达到材料饱和磁感应值，因此磁流密度不能继续增加，从而限制了感应电磁转矩的大小。Fe-Co-V 1J22软合金在软材料中具有最大的饱和磁感应强度。在厚电感板和弯曲磁轭模型中，移动铁芯材料改为1J22，其磁轨仍由DT4C纯电铁进行分析。如您所见，由于材料的改进，电磁转矩可以提高到24.56mm。在尺寸空间公差范围内，将移动铁芯半径增加0.075 mm，即直径增加0.15mm，将电磁转矩增加到31.5n mm，以满足按键要求。作为该方案的一部分，当移动铁芯半径增加0.075 mm时，磁路空气间隙在初始状态下较大，移动铁芯材料不饱和，而柔性磁性材料1j22和DT4C处于非饱和状态，即磁场强度较低 但移动铁芯初始位置的电磁重力为0.047 N，低于精度压力。初步设计和优化方案的主要指标见表1。
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4.实验验证
优化设计基于有限元模拟分析，因此需要验证实验所完成的图元的精度。低压电动力位移试验系统用于液压电磁断路器输出的电磁转矩测试。实验设备包括电气系统、机械平台和软件平台。电气系统包括PLC、传感器发送器、电源和电机驱动。机械平台包括高精度抽屉、步进电机和矩阵测量规则；该软件平台由参数测试、曲线显示、数据分析和管理功能模块组成。使用步进电机控制平台移动，推动悬挂力传感器推动断路器导电性改变位置。变频器处理力信号，PLC通过AD采集光光栅规则的力信号和位移信号，并与上位机软件平台通信进行数据处理和分析。该实验系统多次在电感器的初始位置以及105% in、135% in和150% in过载抽吸位置测试电磁转矩，以平均值为测试值，最大限度地减少测量误差。感应放电位置和牵引放电位置的电磁转矩误差分析分别见表2和表3。如表2和表3所示，有限元结果更好地反映了钢筋作用位置的测量结果，由于钢筋释放位置的电磁力值非常小，测试装置本身误差较大，导致误差较大，最大值为但是，如果误差小于5%，则有限元分析更适合用户的体验，并且可以满足优化设计的精度要求。
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此外，在优化方案1和2下制作了10个原型，成功地发射和解锁了原型，低压电力移动试验系统测量的脉动时间和模拟值误差小于5%。
结束语
总之，液压电磁断路器的电磁系统与运行机构分离。因此，在确定机构锁定时间的前提下，提高解锁可靠性主要是提高电磁系统产生的电磁力矩，通过优化设计使其大于机构锁定时间，可以成功解锁。
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