高速机械开关多场耦合仿真计算方法及其计算装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种高速机械开关多场耦合仿真计算方法及其计算装置，其中，该方法包括如下步骤：对高速机械开关进行电磁场仿真分析，以确定高速机械开关的瞬态线圈电流和斥力金属盘的电磁斥力；根据瞬态线圈电流对高速机械开关进行热电耦合场仿真分析，以获得线圈的温升曲线；根据电磁斥力对高速机械开关进行分闸反弹运动场耦合仿真分析，以获得高速机械开关的位移曲线。本发明专利技术中通过对高速机械开关进行电磁场仿真分析、热电耦合场仿真分析和分闸反弹运动场耦合仿真分析，可以全面反映高速机械开关运动、触头碰撞和线圈温升情况，从而可以全面准确反映高速机械开关的机械性能，进而为混合式直流断路器快速机械开关优化设计提供了理论指导。

【技术实现步骤摘要】
高速机械开关多场耦合仿真计算方法及其计算装置
本专利技术涉及断路器仿真计算
，具体而言，涉及一种高速机械开关多场耦合仿真计算方法及其计算装置。
技术介绍
高速机械开关是混合式直流断路器关键部件，其性能主要由其操动机构决定，目前主要采用电磁斥力机构，普遍存在出力时间短、操动距离小的缺点，因此多被应用于中低压电压等级。对于高电压等级高速机械开关，国内外普遍采用多个中低压等级高速机械开关单元串联同步操作结构形式。因此，高速机械开关的机械特性及稳定性显得尤为重要。高速机械开关动作过程涉及电磁场、温度场及运动场，而目前对快速开关的研究多基于电磁场单场进行仿真设计，并不能全面准确反映机械性能。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术提出了一种高速机械开关多场耦合仿真计算方法及其计算装置，旨在解决目前对高速机械开关的研究多基于电磁场单场进行仿真设计，导致的不能全面准确反映机械性能的问题。一个方面，本专利技术提出了一种高速机械开关多场耦合仿真计算方法，该方法包括如下步骤：对高速机械开关进行电磁场仿真分析，以确定高速机械开关的瞬态线圈电流和斥力金属盘的电磁斥力；根据瞬态线圈电流对高速机械开关进行热电耦合场仿真分析，以获得线圈的温升曲线；根据电磁斥力对高速机械开关进行分闸反弹运动场耦合仿真分析，以获得高速机械开关的位移曲线。进一步地，上述高速机械开关多场耦合仿真计算方法中，上述确定电磁斥力的方法为：根据方程组和确定电磁斥力Fc，其中公式(3)的初始条件为v|t＝0＝v0＝0,x|t＝0x0＝0；上式中，ψq、ψg均为电磁系统全磁链，t为高速机械开关动作时间，Lq为斥力线圈自感，iq为脉冲电流，M为斥力线圈与斥力金属盘的互感，ig为感应电流，Uc为电容电压，Rq为斥力线圈电阻，Lg为斥力金属盘的自感，Rg为斥力金属盘的电阻，Ff为斥力金属盘受到的运动反力，x为斥力金属盘的位移，v1f为高速机械开关运动部件碰撞后初速度，v2f为高速机械开关运动部件碰撞后终速度，v1i为高速机械开关运动部件碰撞前初速度，v2i为高速机械开关运动部件碰撞前终速度，e为碰撞恢复系数。进一步地，上述高速机械开关多场耦合仿真计算方法中，上述获得线圈的温升曲线的方法为：根据公式其中初始条件为确定线圈随时间的温升；上式中，τ为斥力线圈温升，T为热时间常数，t为高速机械开关动作时间，e为碰撞恢复系数，c为线圈的材质的比热容，m为线圈的质量，KT为线圈的散热系数，A为线圈的散热面积，P为线圈的发热功率；根据线圈随时间的温升确定温升曲线。进一步地，上述高速机械开关多场耦合仿真计算方法中，上述获得高速机械开关的位移曲线的方法为：将电磁斥力导入预先建立的计算模型中；对高速机械开关的部件连接部分添加相关类型运动副，并设置部件的参数；对高速机械开关进行分闸反弹运动场耦合仿真分析，以获得位移曲线。进一步地，上述高速机械开关多场耦合仿真计算方法中，电磁斥力通过AKISPL样条差值函数和DM距离函数导入计算模型中。本专利技术通过对高速机械开关进行电磁场仿真分析、热电耦合场仿真分析和分闸反弹运动场耦合仿真分析，可以全面反映高速机械开关运动、触头碰撞和线圈温升情况，从而可以全面准确反映高速机械开关的机械性能，以得到对高速机械开关最优化的设计，进而为混合式直流断路器快速机械开关优化设计提供了理论指导。另一方面，本专利技术还提出了一种高速机械开关多场耦合仿真计算装置，该装置包括：电磁场分析模块，用于对高速机械开关进行电磁场仿真分析，以确定高速机械开关的瞬态线圈电流和斥力金属盘的电磁斥力；瞬态热分析模块，用于根据瞬态线圈电流对高速机械开关进行热电耦合场仿真分析，以获得线圈的温升曲线；动力学分析模块，用于根据电磁斥力对高速机械开关进行分闸反弹运动场耦合仿真分析，以获得高速机械开关的位移曲线。进一步地，上述高速机械开关多场耦合仿真计算装置中，电磁场分析模块包括：电磁斥力确定子模块，用于根据方程组和确定电磁斥力Fc，其中公式(3)的初始条件为v|t＝0＝v0＝0,x|t＝0x0＝0；上式中，ψq、ψg均为电磁系统全磁链，t为高速机械开关动作时间，Lq为斥力线圈自感，iq为脉冲电流，M为斥力线圈与斥力金属盘的互感，ig为感应电流，Uc为电容电压，Rq为斥力线圈电阻，Lg为斥力金属盘的自感，Rg为斥力金属盘的电阻，Ff为斥力金属盘受到的运动反力，x为斥力金属盘的位移，v1f为高速机械开关运动部件碰撞后初速度，v2f为高速机械开关运动部件碰撞后终速度，v1i高速机械开关运动部件碰撞前初速度，v2i为高速机械开关运动部件碰撞前终速度，e为碰撞恢复系数。进一步地，上述高速机械开关多场耦合仿真计算装置中，瞬态热分析模块包括：线圈温升确定子模块，用于根据公式其中初始条件为确定线圈随时间的温升；上式中，τ为斥力线圈温升，T为热时间常数，t为高速机械开关动作时间，e为碰撞恢复系数，c为线圈的材质的比热容，m为线圈的质量，KT为线圈的散热系数，A为线圈的散热面积，P为线圈的发热功率；温升曲线确定子模块，用于根据线圈随时间的温升确定温升曲线。进一步地，上述高速机械开关多场耦合仿真计算装置中，运动学分析模块包括：导入子模块，用于将电磁斥力导入预先建立的计算模型中；设置子模块，用于对高速机械开关的部件连接部分添加相关类型运动副，并设置部件的参数；仿真分析子模块，用于对高速机械开关进行分闸反弹运动场耦合仿真分析，以获得位移曲线。进一步地，上述高速机械开关多场耦合仿真计算装置中，电磁斥力通过AKISPL样条差值函数和DM距离函数导入计算模型中。本专利技术通过对高速机械开关进行电磁场仿真分析、热电耦合场仿真分析和分闸反弹运动场耦合仿真分析，可以全面反映高速机械开关运动、触头碰撞和线圈温升情况，从而可以全面准确反映高速机械开关的机械性能，以得到对高速机械开关最优化的设计，进而为混合式直流断路器快速机械开关优化设计提供了理论指导。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1为本专利技术实施例提供的高速机械开关多场耦合仿真计算方法的流程图；图2为本专利技术实施例提供的线圈匝数对高速机械开关出力影响的示意图；图3为本专利技术实施例提供的线圈匝数对线圈电流影响的示意图；图4为本专利技术实施例提供的线圈匝数对高速机械开关运动速度影响的示意图；图5为本专利技术实施例提供的线圈匝数对位移影响的示意图；图6为本专利技术实施例提供的斥力盘材质对高速机械开关出力影响的示意图；图7为本专利技术实施例提供的斥力盘材质对线圈电流影响的示意图；图8为本专利技术实施例提供的斥力盘材质对高速机械开关运动速度影响的示意图；图9为本专利技术实施例提供的斥力盘材质对位移影响的示意图；图10为本专利技术实施例提供的线圈与斥力盘初始间距对高速机械开关出力影响的示意图；图11为本专利技术实施例提供的线圈与斥力盘初始间距对线圈电流影响的示意图；图12为本专利技术实施例提供的线圈与斥力盘初始间距对高速机械开关运动速度影响的示意图；图13为本专利技术实施例提供的线圈与斥力盘初始间距对位移影响的示意图；图14为本专利技术实施例提供的磁感线回路对高速机械开关出力影本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速机械开关多场耦合仿真计算方法，其特征在于，包括如下步骤：对高速机械开关进行电磁场仿真分析，以确定所述高速机械开关的瞬态线圈电流和斥力金属盘的电磁斥力；根据所述瞬态线圈电流对所述高速机械开关进行热电耦合场仿真分析，以获得线圈的温升曲线；根据所述电磁斥力对所述高速机械开关进行分闸反弹运动场耦合仿真分析，以获得所述高速机械开关的位移曲线。

【技术特征摘要】
1.一种高速机械开关多场耦合仿真计算方法，其特征在于，包括如下步骤：对高速机械开关进行电磁场仿真分析，以确定所述高速机械开关的瞬态线圈电流和斥力金属盘的电磁斥力；根据所述瞬态线圈电流对所述高速机械开关进行热电耦合场仿真分析，以获得线圈的温升曲线；根据所述电磁斥力对所述高速机械开关进行分闸反弹运动场耦合仿真分析，以获得所述高速机械开关的位移曲线。2.根据权利要求1所述的高速机械开关多场耦合仿真计算方法，其特征在于，上述确定所述电磁斥力的方法为：根据方程组和确定所述电磁斥力Fc，其中公式(3)的初始条件为v|t＝0＝v0＝0,x|t＝0x0＝0；上式中，ψq、ψg均为电磁系统全磁链，t为所述高速机械开关的动作时间，Lq为斥力线圈的自感，iq为脉冲电流，M为所述斥力线圈与所述斥力金属盘的互感，ig为感应电流，Uc为电容电压，Rq为所述斥力线圈的电阻，Lg为所述斥力金属盘的自感，Rg为所述斥力金属盘的电阻，Ff为所述斥力金属盘受到的运动反力，x为所述斥力金属盘的位移，v1f为高速机械开关运动部件碰撞后初速度，v2f为高速机械开关运动部件碰撞后终速度，v1i为高速机械开关运动部件碰撞前初速度，v2i为高速机械开关运动部件碰撞前终速度，e为碰撞恢复系数。3.根据权利要求1所述的高速机械开关多场耦合仿真计算方法，其特征在于，上述获得线圈的温升曲线的方法为：根据公式其中初始条件为确定所述线圈随时间的温升；上式中，τ为所述斥力线圈的温升，T为热时间常数，t为所述高速机械开关的动作时间，e为碰撞恢复系数，c为所述线圈的材质的比热容，m为所述线圈的质量，KT为所述线圈的散热系数，A为所述线圈的散热面积，P为所述线圈的发热功率；根据所述线圈随时间的温升确定所述温升曲线。4.根据权利要求1所述的高速机械开关多场耦合仿真计算方法，其特征在于，上述获得所述高速机械开关的位移曲线的方法为：将所述电磁斥力导入预先建立的计算模型中；对所述高速机械开关的部件连接部分添加相关类型运动副，并设置所述部件的参数；对所述高速机械开关进行分闸反弹运动场耦合仿真分析，以获得所述位移曲线。5.根据权利要求4所述的高速机械开关多场耦合仿真计算方法，其特征在于，所述电磁斥力通过AKISPL样条差值函数和DM距离函数导入所述计算模型中。6.一种利用权利要求1至5中任一项所述的高速机械开关多场耦合仿真计算方法的高速机械开关多场耦合仿真计算装置，其特征在于，包括：电磁场分析模块，用于对高速机械开关进行电磁场仿真分析，以确定所述高速机械开关的瞬态...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志兵，田宇，田阳，董恩源，徐晓东，朱玉，刘北阳，王浩，颜湘莲，刘焱，曹德新，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院有限公司，国家电网公司，大连理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11