【IBE】基于ANSYSWORKBENCH有限元法的ATSE接触系统电动力计算

2016-10-22 by:CAE仿真在线来源:互联网

在ATSE短时耐受冲击电流试验中,动、静触头是否因电动力的作用而斥开是考核ATSE安全性和稳定性的一个重要标准,因此通过有限元仿真方法准确计算出ATSE触头间电动斥力是研究的主要目的。首先通过ANSYSWORKBENCH软件进行结构分析,计算出触头之间的接触压力和接触半径,然后建立触头电接触有限元仿真模型,进而用ANSYSWORKBENCH软件进行电流场和电磁场分析,计算出接触系统的电流密度分布和电动斥力。结果表明有限元仿真结果与公式法计算结果十分接近,从而证明了有限元仿真方法在计算ATSE触头间电动斥力方面的准确性。

0 引言

当ATSE触头接触区域通过电流时,由于动、静触头的实际接触面积很小,电流线会在接触区域附近产生收缩,使动、静触头间通过的电流反向,磁场强度方向相同且大小相互累加,动、静触头在该磁场的作用下产生相互推斥作用的磁场力,即HOLM力[1]。动、静触头间通过额定电流时产生的电动斥力较小,触头不会被斥开,但现行ATSE国家标准GB/T14048.11-2008中要求抗短时耐受冲击电流的能力为额定电流的20倍,若触头压力和接触面积设计不合理,当进行短时耐受冲击电流实验时,电流线密度和空间磁场强度会在触头接触区域迅速增加,此时感应出的电动斥力比较大,有可能使闭合的触头系统斥开,导致燃弧并烧毁触头的严重后果,因此准确地计算出触头电动斥力对ATSE电器的安全性和稳定性有非常重要的意义。

1 接触系统结构分析

本文分析的ATSE触头系统额定电流为630A,短时耐受冲击电流Icw值取20kA,由4个触头组并联,分配到每个触头的电流值为5kA。因为每一个触头所受的压力相等,所以为了节省计算资源,只取一个触头进行结构分析,简化后的触头结构模型如图1所示,定位杆与动触头导电杆前后两处通过轴槽连接,动触头导电杆可以在定位杆的槽内滑动,它们之间通过压缩弹簧连接,ATSE通过传动机构带动定位杆压迫弹簧将动触头导电杆和动触头压在静触头和本体导电杆上,因此触头压力大小由定位杆和动触头导电杆之间的压缩弹簧决定。

本文结构模型由creo 3.0软件所建,将模型导入ANSYSWORKBENCH软件的StaticStructural (静态结构)模块中进行分析,为方便计算,分别将动触头与动触头导电杆、静触头与静触头导电杆合并,给所有部件赋予Copper Alloy(铜合金)材料属性,将动触头与静触头、动触头导电杆与本体导电杆的接触方式定义为Rough(粗糙),即只允许分离,不允许滑动和渗透,在定位杆和动触头导电杆之间建立Spring(弹簧)连接方式,弹簧参数Longitudinal Stiffness(刚度系数)设置为14N/mm, Preload(预载荷)设置为Free Length(自有长度)10.5mm,将本体导电杆、定位杆、静触头设定为Fixed Support(固定支撑约束),默认方式自由划分好网格即可,求解结果设置为动触头的Force Reaction(反作用力),运行求解得到垂直触头向上的力即为触头压力(50N)。

注:1.本体导电杆 2.定位杆 3.动触头导电杆 4.动触头 5.静触头 6.静触头导电杆

图1 简化后的触头结构模型

2 接触系统电磁分析

2.1 构建仿真模型

HOLM力只在动、静触头接触的过程中存在,触头实际接触表面凸凹不平,接触斑点形状各异且无规则离散分布。实际上,动静触头导电斑点的形状在每次接触时都可能不同,因此只能将导电斑点假设为理想体来估算HOLM力,所以在建模计算时不必过于关注导电斑点的形状。本文按照触头接触导电斑点的形状为长方体来计算HOLM力,假设各只有一个导电斑点存在于动、静触头的接触表面内,即动、静触头的所有导电斑点都分别集中在其中心位置处,从而形成一个较大的长方体导电桥模型。

当按照圆柱形导电斑点计算HOLM力时,圆柱形导体的截面半径b用式(1)计算。

(1)

式中,P为动、静触头间的接触压力,N;H为触头材料的硬度,取105HB;ζ为接触系数,取0.5。

将结构分析中计算求得的压力50N代入式(1)中求出接触半径b为0.550 7mm,再根据面积相等原理Πb2=WL(W、L分别为长方体导电桥截面的宽和长,本文L即为动触头的宽6mm),可求得W≈0.16mm。本文经过多次仿真实验发现,当长方体的宽W和长L不变时,其高度h为0.1~0.2mm,对计算结果的影响很小。因此,在本次仿真分析中,静触头导电长方体导电桥高度h取0.1mm,由于动触头接触面为弧形面,所以其导电桥为近似长方体,高度取0.1~0.15mm,动、静触头导电桥接触面之间留0.05mm的间隙以避免仿真计算时相互干涉。由于HOLM力主要因动、静触头接触区域电流收缩而产生,而本文分析的动、静触头导电杆设计在触头接触区域中心两侧,所以导电杆的洛伦兹力可忽略,只创建动、静触头接触模型即可,用creo3.0软件创建后的触头接触模型如图2所示。

图2 触头接触模型

2.2接触系统电磁场分析

将上节所建模型导入ANSYSWORKBENCH软件的Maxwell 3D Design模块中,首先对接触系统进行电流传导分析,求解类型选择为Electricstatic(静态电场),所有部件赋予Copper(铜)材料属性,分别在动、静触头长方体导电桥电流流向的垂直方向创建横截面,分别在各个横截面上施加方向相同、大小为5 000A的电流,采用默认网格划分,分析结果设置为Total CurrentDensity(总电流密度),求解后所得电流密度矢量分布如图3所示,由图3可以看出触头接触区域有强烈的电流线收缩。

图3 电流密度矢量分布图

其次,对接触系统进行电磁力仿真计算,求解类型选择为Magnetostatic(静态磁场),分别选中各个动触头,然后执行Maxwell 3D—Parameters—Assign—Force,Force的类型选择为Lorentz(洛伦兹力),就可以设置好要分析的动触头电磁力,然后运行求解,求解完成后,执行Maxwell 3D—Results—Solution data—Force,就可以查看计算结果Z向的电磁力,即为HOLM力,动触头1~4的电磁力分别为5.41N、4.72N、3.79N、5.31N。

2.3仿真结果与公式法计算结果的比较

根据2.1节计算的接触点半径b=0.550 7mm,又已知触头可视接触面积W×L=6×12=72mm2,根据面积相等换算成可视接触半径B=4.8mm,真空磁导率U0=4π×10-7,短时耐受电流I=5 000A, HOLM力计算公式见式(2),可解得Fd=5.4N。

(2)

将此计算结果与2.2节中有限元分析软件计算的电磁力进行比较,可见两种方法计算结果十分接近,都远小于触头接触压力50N,证明接触系统设计达到现行ATSE国家标准GB/T14048.11-2008中要求的抗短时耐受冲击电流的能力,也证明了有限元仿真计算方法的准确性,而且有限元仿真计算可以轻易实现对多级并联触头的各个不同位置的触头电磁力进行分析,考虑了触头所在不同位置处的磁场不同对各级触头电磁力的影响,所以仿真分析对ATSE接触系统的设计和优化具有很强的指导意义。