3、电磁脱扣器设计
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铁磁材料磁特性测试装置
4.电磁脱扣器的仿真设计方法
瞬动脱扣器
图为某种瞬动脱扣器模型图，当铁 轭中央有大电流I经过时，铁磁材 料中会形成磁场，动铁芯会受到铁 轭的电磁吸力。当电磁吸力大于机 构反力时，动铁芯运动完成脱扣动 作
电磁问题分析 机构分析
ANSYS 机械设计手册
自开发软件
4.电磁脱扣器的仿真设计方法
•由于分励脱扣器原理是电源对脱扣电磁铁线圈放电，动态方程中电流i需要求解电路方 程得到；
•为了求解电路方程，利用ANSYS进行有限元计算时还要计算脱扣器线圈电感L随电流i与 气隙x变化的数据表格。
动态方程如下图：
⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪
Uc= i= C
iR + L(i, x)
dU c dt
di dt
⎪⎪ d v
1. 电磁脱扣器的分类
断路器利用脱扣器来实现保护功能，而基于电磁原 理的脱扣器应用最为广泛。根据工作原理与保护功 能的不同，一般将电磁脱扣器分为两类。
瞬动脱扣器 （直接脱扣器）
分励脱扣器 （间接脱扣器）
感应断路器主回路 中电流进行动作
由继保系统发指令 进行动作
实现瞬时短路电流 脱扣保护
结合继保系统可现 多种脱扣保护功能
二、电磁脱扣器设计
吴翊 杨飞 纽春萍 荣命哲
wuyic51@mail.xjtu.edu.cn
Xi’an Jiaotong University, China
电力设备电气绝缘国家重点实验室
主要内容
1. 电磁脱扣器的分类 2. 电磁脱扣器的设计要点 3. 电磁脱扣器的设计难点 4. 电磁脱扣器的仿真设计方法
斥力机构的工作原理如 图 ，通过预充电的电容C 向盘式线圈放电，产生一 个维持几毫秒的脉冲电流 iq 。 在 脉 冲 电 流 的 作 用 下，金属盘中将感应出涡 流ip ，并使线圈与金属盘 之间产生强大的电磁斥 力，从而带动机构运动， 实现快速脱扣。
实验和仿真计算结果
线圈电流密度 线圈电流
斥力盘应力分布 位移曲线
总体分析流程（以直动脱扣器为例）
设计电磁分析所需要的几何模型 计算得到动铁芯所受电磁吸力F随气隙x与电流I变化的二维数据表格
根据脱扣器初始位置和电流整定值确认反力f的初始值 已知短路电流波形，调节刚弹簧刚度系数得到脱扣器的运动特性
始终无法满足脱扣要求
根据最终的刚度系数确认弹簧的加工与装配尺寸
无法满足装配要求
8 6 4 2 0
脱扣器动态特性求解三个动态方程。
式中v为脱扣器可动部件运动速度，m为可
动部件质量，F反为机构反力与弹簧反力 的合力，电流波形i(t)根据实际工况下的
短路电流波形给出。
70000
28
3.0
60000 50000
电流（A） 吸力矩（N*m） 反力矩（N*m） 速度（rad/s） 气隙(°)
在了解电磁力与反力的对应关系中，由于仿真与实际等 多方面因素的影响，造成了脱扣器设计有很多技术难点
不同厂家的 铁磁材料性 能差异很大
弹簧实际生 产中力学特 性有差异
铁磁材料的 非线性
反力特性
设计反力特性必须考虑 弹簧的尺寸与装配
3.电磁脱扣器的设计难点
对于电磁脱扣器的设计，采用仿真与试验相结合的方法：要保证 计算的准确，要求在计算中选取的参数有试验依据
得到最终脱扣器模型与反力弹簧型号
ANSYS 自编程程序 机械设计手册
4.电磁脱扣器的仿真设计方法
数据表格计算
几何模型图 仿真有限元模型
直接脱扣器模型
磁通密度分布图
数据表格通过ANSYS有限元仿真软件得到。 ANSYS电磁分析的基本步骤为：导入模型——定义分析类型 与材料属性——模型剖分——施加电流载荷与磁场边界条 件——软件求解——后处理提取电磁力结果
谢谢
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0.5
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0
0.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0
时间（ms）
瞬动脱扣器动态特性曲线
4.电磁脱扣器的仿真设计方法
1. 电磁脱扣器的分类
两类脱扣器各有其优缺点 1) 瞬动脱扣器直接感应回路电流，不需要复杂的判断 系统，保护动作迅速、可靠，但实现的保护功能相对单 一； 2）分励脱扣器可根据用户需求结合继保系统实现过流 保护、电流上升率保护、热反时限保护等一系列保护功 能，但需要二次系统供电，可靠性不如瞬动脱扣器
利用上述思路，课题组成功设计了多种瞬动脱扣器
多种结 构的直 接脱扣 器模型
不同电流条件下脱扣器 测试结果图
4.电磁脱扣器的仿真设计方法
分励脱扣器
针对电磁原理不同，课题组设计的分励脱扣器既可以利用斥力机构提供脱 扣力，也可以利用电磁机构的吸力作为脱扣力
对于吸力式脱扣器，设计流程基本与瞬动脱扣器设计流程一致，区别在于：
2.电磁脱扣器的设计要点
由于应用场合的差异，两种脱扣器的设计 侧重点有所不同
1) 瞬动脱扣器第一要保证一定的动作整 定值，第二要保证较短的脱扣时间；
2）分励脱扣器一般情况下用户对脱扣时 间特性有相应的要求
电磁脱扣器设计过程中需要解决的核心问题就是电 磁力与脱扣器机构反力之间的配合关系
3.电磁脱扣器的设计难点
⎨ ⎪
源自文库
d
t
=
F吸 (i, x) - F 反 (x) m
⎪ ⎪ ⎪
dx dt
=
v
⎪
4.电磁脱扣器的仿真设计方法
分励脱扣器
电磁脱扣机构 原理
实验和仿真计算结果
电流变化曲线
位移曲线
机构
模型
与实
际装 置对
动态特性实验测试结果
比图
4.电磁脱扣器的仿真设计方法
分励脱扣器
快速斥力脱扣器原理
由于ANSYS软件自身的局限性，对于斥力机构一般利用ANSOFT软 件进行分析。虽然ANSOFT开发性不如前者，对于二维对称模型 的分析有优势。 •操作简单明了； •自动耦合了运动方程与运动方程
剖分有效性验证：不断改变剖分密度，当前后两次 计算值之差小于1%时认为剖分稳定，以这时的剖分 模型作为后续计算的模式。
4.电磁脱扣器的仿真设计方法
脱扣运动特性分析
⎧
⎪
i = i(t)
⎪⎪ dv ⎨
=
F吸 (i,
x)
−
F反 (x)
⎪ dt
m
⎪ ⎪⎩
dx = v dt
30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10
4.电磁脱扣器的仿真设计方法
瞬动脱扣器
图为某种瞬动脱扣器模型图，当铁 轭中央有大电流I经过时，铁磁材 料中会形成磁场，动铁芯会受到铁 轭的电磁吸力。当电磁吸力大于机 构反力时，动铁芯运动完成脱扣动 作
电磁问题分析 机构分析
ANSYS 机械设计手册
自开发软件
4.电磁脱扣器的仿真设计方法
•由于分励脱扣器原理是电源对脱扣电磁铁线圈放电，动态方程中电流i需要求解电路方 程得到；
•为了求解电路方程，利用ANSYS进行有限元计算时还要计算脱扣器线圈电感L随电流i与 气隙x变化的数据表格。
动态方程如下图：
⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪
Uc= i= C
iR + L(i, x)
dU c dt
di dt
⎪⎪ d v
1. 电磁脱扣器的分类
断路器利用脱扣器来实现保护功能，而基于电磁原 理的脱扣器应用最为广泛。根据工作原理与保护功 能的不同，一般将电磁脱扣器分为两类。
瞬动脱扣器 （直接脱扣器）
分励脱扣器 （间接脱扣器）
感应断路器主回路 中电流进行动作
由继保系统发指令 进行动作
实现瞬时短路电流 脱扣保护
结合继保系统可现 多种脱扣保护功能
二、电磁脱扣器设计
吴翊 杨飞 纽春萍 荣命哲
wuyic51@mail.xjtu.edu.cn
Xi’an Jiaotong University, China
电力设备电气绝缘国家重点实验室
主要内容
1. 电磁脱扣器的分类 2. 电磁脱扣器的设计要点 3. 电磁脱扣器的设计难点 4. 电磁脱扣器的仿真设计方法
斥力机构的工作原理如 图 ，通过预充电的电容C 向盘式线圈放电，产生一 个维持几毫秒的脉冲电流 iq 。 在 脉 冲 电 流 的 作 用 下，金属盘中将感应出涡 流ip ，并使线圈与金属盘 之间产生强大的电磁斥 力，从而带动机构运动， 实现快速脱扣。
实验和仿真计算结果
线圈电流密度 线圈电流
斥力盘应力分布 位移曲线
总体分析流程（以直动脱扣器为例）
设计电磁分析所需要的几何模型 计算得到动铁芯所受电磁吸力F随气隙x与电流I变化的二维数据表格
根据脱扣器初始位置和电流整定值确认反力f的初始值 已知短路电流波形，调节刚弹簧刚度系数得到脱扣器的运动特性
始终无法满足脱扣要求
根据最终的刚度系数确认弹簧的加工与装配尺寸
无法满足装配要求
8 6 4 2 0
脱扣器动态特性求解三个动态方程。
式中v为脱扣器可动部件运动速度，m为可
动部件质量，F反为机构反力与弹簧反力 的合力，电流波形i(t)根据实际工况下的
短路电流波形给出。
70000
28
3.0
60000 50000
电流（A） 吸力矩（N*m） 反力矩（N*m） 速度（rad/s） 气隙(°)
在了解电磁力与反力的对应关系中，由于仿真与实际等 多方面因素的影响，造成了脱扣器设计有很多技术难点
不同厂家的 铁磁材料性 能差异很大
弹簧实际生 产中力学特 性有差异
铁磁材料的 非线性
反力特性
设计反力特性必须考虑 弹簧的尺寸与装配
3.电磁脱扣器的设计难点
对于电磁脱扣器的设计，采用仿真与试验相结合的方法：要保证 计算的准确，要求在计算中选取的参数有试验依据
得到最终脱扣器模型与反力弹簧型号
ANSYS 自编程程序 机械设计手册
4.电磁脱扣器的仿真设计方法
数据表格计算
几何模型图 仿真有限元模型
直接脱扣器模型
磁通密度分布图
数据表格通过ANSYS有限元仿真软件得到。 ANSYS电磁分析的基本步骤为：导入模型——定义分析类型 与材料属性——模型剖分——施加电流载荷与磁场边界条 件——软件求解——后处理提取电磁力结果
谢谢
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时间（ms）
瞬动脱扣器动态特性曲线
4.电磁脱扣器的仿真设计方法
1. 电磁脱扣器的分类
两类脱扣器各有其优缺点 1) 瞬动脱扣器直接感应回路电流，不需要复杂的判断 系统，保护动作迅速、可靠，但实现的保护功能相对单 一； 2）分励脱扣器可根据用户需求结合继保系统实现过流 保护、电流上升率保护、热反时限保护等一系列保护功 能，但需要二次系统供电，可靠性不如瞬动脱扣器
利用上述思路，课题组成功设计了多种瞬动脱扣器
多种结 构的直 接脱扣 器模型
不同电流条件下脱扣器 测试结果图
4.电磁脱扣器的仿真设计方法
分励脱扣器
针对电磁原理不同，课题组设计的分励脱扣器既可以利用斥力机构提供脱 扣力，也可以利用电磁机构的吸力作为脱扣力
对于吸力式脱扣器，设计流程基本与瞬动脱扣器设计流程一致，区别在于：
2.电磁脱扣器的设计要点
由于应用场合的差异，两种脱扣器的设计 侧重点有所不同
1) 瞬动脱扣器第一要保证一定的动作整 定值，第二要保证较短的脱扣时间；
2）分励脱扣器一般情况下用户对脱扣时 间特性有相应的要求
电磁脱扣器设计过程中需要解决的核心问题就是电 磁力与脱扣器机构反力之间的配合关系
3.电磁脱扣器的设计难点
⎨ ⎪
源自文库
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t
=
F吸 (i, x) - F 反 (x) m
⎪ ⎪ ⎪
dx dt
=
v
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4.电磁脱扣器的仿真设计方法
分励脱扣器
电磁脱扣机构 原理
实验和仿真计算结果
电流变化曲线
位移曲线
机构
模型
与实
际装 置对
动态特性实验测试结果
比图
4.电磁脱扣器的仿真设计方法
分励脱扣器
快速斥力脱扣器原理
由于ANSYS软件自身的局限性，对于斥力机构一般利用ANSOFT软 件进行分析。虽然ANSOFT开发性不如前者，对于二维对称模型 的分析有优势。 •操作简单明了； •自动耦合了运动方程与运动方程
剖分有效性验证：不断改变剖分密度，当前后两次 计算值之差小于1%时认为剖分稳定，以这时的剖分 模型作为后续计算的模式。
4.电磁脱扣器的仿真设计方法
脱扣运动特性分析
⎧
⎪
i = i(t)
⎪⎪ dv ⎨
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F吸 (i,
x)
−
F反 (x)
⎪ dt
m
⎪ ⎪⎩
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