低压塑壳断器电动斥力.doc

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1、低压塑壳断路器中电动斥力的三维有限元非线性分析与实验研究李兴文，陈德桂，向洪岗，李志鹏，刘洪武（西安交通大学电气工程学院，陕西西安710049） 3-DFINITEELEMENTNONLINEARANALYSISANDEXPERIMENTALINVESTIGATIONOFELECTRO-DYNAMICREPULSIONFORCEINMoldedCaseCircuitBreakersLIXing-wen,CHENDe-gui,XIANGHong-gang,LIZhi-peng,LIUHong-wu（Schoolo

2、fElectricalEngineering,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China）　　ABSTRACT:Fortheoptimizationdesignofmoldedcasecircuitbreakers(MCCBs),itisnecessaryandimportanttocalculatetheelectro-dynamicrepulsionforceactingonthemovableconductor.With3-Dfiniteelementnonline

3、aranalysis,accordingtotheequationsamongcurrent-magneticfield-repulsionforceandtakingintoaccounttheferromagnet,weintroducecontactbridgemodeltosimulatethecurrentconstrictionbetweencontacts,soLorentzandHolmforceactingonthemovableconductorandcontact,respectively

4、,canbeintegratedtocalculate.Coupledwithcircuitequations,theopeningtimeofmovablecontactalsocanbeobtainedusingiterationwiththerestrictionofcontactforce.Simulationandexperimentforrepulsionforceandopeningtimeoffivedifferentconfigurationmodelshavebeeninvestigated

5、.TheresultsindicatethattheproposedmethodiseffectiveandiscapableofevaluatingnewdesignofcontactsystemsinMCCBs.　　KEYWORDS:Low-voltageapparatus;Finiteelementanaly-sis;Repulsionforce　　摘　要：电动斥力的计算对低压塑壳断路器（MCCB）的设计有重要意义。基于电流-磁场-电动斥力之间的方程，并考虑铁磁物质的影响，应用三维有限元非线性分析，引入圆

6、柱导电桥模型作为接触点模拟触头间的电流收缩，统一计算触头间的Holm力和动导电杆上的Lorentz力。耦合电路方程，并以动触头上的预压力为约束通过迭代运算，从而确定动触头的打开时间。分析了五种不同结构的MCCB，并对电动斥力和触头打开时间进行了实验研究，结果表明，该方法是有效的，可用于MCCB新产品触头系统的设计。　　关键词：低压电器；有限元；电动斥力1引言　　当短路电流产生时，低压塑壳断路器（MCCB）中动、静触头在电动斥力的作用下分离，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

7、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FH）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x描述，其范围一般为0.3~0.6，通常取0.45)有关。而Holm力FH与r，触头半径R、以及电流大小i有关[1]，这样FK对F就有一定的影响；另一方面，FK的

8、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。　　　　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[2-3]，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。对于电动斥力的计算，国内外的学者做了很多有益的工作。在文献[4-5]中，由于