通过仿真分析磁力开关的电动力学

2017年 9月 21日

你是否曾经在一个电路中接入过多设备?这样做会使电路过载并损坏其组件。为了避免这类问题发生,许多家庭都使用了诸如电气开关断路器之类的设备。当电流达到临界值时,电气开关断路器可以中断电流。其他类型的断路器也用于预防高电压情况下的问题,例如城市的输电线。在本篇博客文章中,我们将讨论如何使用仿真来研究一类重型断路器:磁力开关。

断路器提高了电气系统的安全性

在住宅建筑物中,通常在连接到面板的各种电路之间分配电源功率。如果太多的设备从单个电路汲取功率,则功率可能超过电路的极限,从而导致电路过载。其他电气事件(例如过电流)也可能损坏系统的关键部件,不仅需要进行昂贵的维修,还可能造成火灾隐患。

断路器和保险丝有助于预防这些问题。今天,我们主要讨论电气开关断路器。一旦检测到故障,电气开关断路器就会“跳闸”,并通过移动一个柱塞中断电流。与保险丝不同,断路器在启动后无需更换,只需要被简单地重置。任何使用过这两种方法的人都知道,重置断路器要比更换保险丝容易得多。

住宅建筑中断路器面板的照片
一个断路器面板。

断路器按照功能可以分为以下几类:

  • 施工类型
  • 额定电压
  • 结构体
  • 中断方式

到目前为止,我们仅介绍了家用断路器。基于截然不同设计的断路器用于保护具有比住宅建筑规模更大的电流系统,例如电力线和工厂。在这里,我们将分析更重型的断路器之一,一种磁力开关 型断路器。这种机电装置利用流过线圈电流的磁引力来移动铁柱塞。当驱动电流关闭时,开关将重置为其初始状态。

使用 AC/DC 模块精确模拟磁力开关

磁力开关的教程模型有两个主要目的:

  1. 确定模拟磁力开关的可能解
  2. 研究开关的工作原理

我们可以使用 COMSOL Multiphysics® 软件中的内置 CAD 工具以及参数化的 几何零件 来创建模型几何,以更精确地控制几何模型;也可以使用对称性将模型的几何尺寸减小到其原始大小的1/4,并将模型嵌入到空气域中以计算电磁场。

磁力开关的几何模型
磁力开关的几何模型。

几何模型由两个分离的E形铁芯组成,这些铁芯由气隙隔开。下部E磁芯被固定,而上部E磁芯(也称为活动柱塞)通过预应力弹簧固定。当电流流过下部E磁芯的中央支柱上的铜线圈时,会在柱塞上施加吸引力。我们可以使用力计算 特征来模拟该吸引力,并使用常微分方程(ODE)的结果描述基于牛顿力学的柱塞动力学。

最终,当磁引力达到阈值时,柱塞通过向下移至较低的E磁芯来关闭气隙。关闭时间取决于弹簧刚度。因此,该模型考虑了将柱塞保持在平衡位置的弹簧和约束装置。

我们可以通过将磁场 接口耦合到移动网格 接口来模拟闭合。这些接口共同计算出随时间变化的几何形状中的磁场。

 

运动中的磁力开关模型。

在模型中,我们可以模拟柱塞闭合气隙所需的移动和时间,并考虑磁力和感应电流的影响。

接下来,我们将讨论磁力开关的刚体动力学。

断路器设备的瞬态分析

分析 t = 0s 到 t=1s 时间段内的主要瞬态研究步骤可以划分为不同的阶段。电流在仿真的前 45ms 内增加。在此期间,气隙保持打开状态,因为电磁引力不足以克服相对弹簧的力。直到模拟开始后 45~85ms,电磁引力才足以推动柱塞下移向铁芯。

当这种运动发生时,由于电感的变化,电流开始减小。当柱塞关闭气隙并停止在新的位置时,电感达到最小值。然后,由于柱塞和铁芯之间的接触产生了一个新的固定 RL 电路,电流再次增加。电流增加的斜率取决于设备的新特性时间。

t=0.05s后,断路器的磁通密度模仿真结果
t=0.1s后,断路器的磁通密度模仿真结果

磁通密度模仿真结果显示,在 t=0.05s 时为开放气隙(左),在 t=0.1s 时为封闭气隙(右)。此处看到的感应涡流似乎从磁场中屏蔽了磁芯内部。通过使用一个边界层网格并将它们限制为与集肤深度一样大的区域,就可以解析绘图中的电流。

仿真结果显示了电流密度和磁通密度随时间的变化。如下图所示,弹簧在 t = 0.1s 时达到了其最大压缩(左下图)。注意,在模拟时间结束之前,磁芯中的感应电流衰减了 t = 0.5s(右下图)。

磁力开关的电动力学分析。
绘图显示了磁力开关的电流密度(表面)和磁通密度(流线)。该绘图用于研究弹簧受到预应力(左上图),开始压缩(右上图),达到最大压缩(左下图)和随着磁芯中感应电流衰减时被完全压缩(右下图)的实例。

我们还可以分析由开关中的感应电流活动而引起的磁芯损耗。这是断路器设计中的关键问题,并且对于研究开关中潜在的过热很有帮助。

使用COMSOL 模型研究磁力开关的过损耗
分别由 50、100 和 200ms 的感应电流引起的磁芯损耗。

一维绘图可用于研究过程中的开关动力学。在开关(柱塞运动)之前,我们先来看一下仿真的开始阶段。此时,弹簧没有被压缩且间隙大小保持不变(如绿色直线所示)。在这里,我们可以看到归一化电流(蓝线)与理想系统的响应相似(红线)。

A 1D plot of the dynamics of a circuit breaker before switching.
该绘图显示了柱塞运动之前的磁通密度模。

通扩展时间尺度,我们可以查看柱塞移动期间和之后的系统动力学。下面的绘图表明,机械功率(红线)仅在柱塞运动时(如预期)上升到零以上。当间隙闭合时,机械功率归零。

A 1D plot of the dynamics of a circuit breaker during switching.
该绘图显示了柱塞运动期间的磁通密度模。

接下来,我们来看较长时间段内磁芯的感应损耗(下图中的红线)。当柱塞处于运动状态时,这些损耗非常大-基于设备详情及其预期性能,在设计磁力开关时可能需要考虑这一因素。对于一个非线性 RL 电路,当运动停止时,归一化电流再次增加。

A 1D plot of the dynamics of a circuit breaker.
该绘图显示了整个仿真时间内的磁通密度模。

在研究断路器(如磁力开关)时,仿真是一个有用的工具。利用本文讨论的模型,我们可以研究磁力开关设计的关键因素。点击下方按钮,以获取有关此过程的更多信息,并尝试自己建立教程模型。

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