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2023-06-15
改进设计：小规格拍合式脱扣器的优化
【摘要】：图4-39 几种不同磁极结构的拍合式脱扣器图4-40 5种不同磁极结构的拍合式脱扣器静态吸力特性的对比表4-11 5种方案的衔铁转动惯量和脱扣电流的关系图4-41 方案a和方案e的保护特性比较由以上分析可知，改变磁极结构对降低脱扣电流的作用不大，为了增加铁轭对衔铁的电磁吸力，也可以设法改变载流导体的绕线方式，使励磁增加，吸力矩也会相应地增加，同时不改变衔铁的转动惯量和反力，从而能够达到减小脱扣电流的目的。
螺管式磁脱扣器由于可通过改变线圈匝数来满足对小规格脱扣器保护特性的要求，但它体积大、结构比较复杂、加工的工作量大，因此目前有趋势用拍合式结构来取代螺管式，这一节中，介绍如何通过选择拍合式的结构形式来满足对小规格脱扣器保护特性的要求。
假设有一拍合式脱扣器，其反力矩特性如图4-38所示，现取5种不同磁极结构的拍合式脱扣器，其结构如图4-39所示。
图4-38 反力矩M反与气隙α的关系曲线
方案图4-39a，是基本结构，磁系统由衔铁和铁轭两部分组成，衔铁为平板形，厚度为1mm，铁轭带两个侧边磁圾，断路器主回路平板导体穿过铁轭起励磁作用。
方案图4-39b在不改变方案图4-39a的其他参数的前提下，将衔铁加厚至2mm。
方案图4-39c是在将衔铁加厚至2mm的基础上，将衔铁也做成带两个侧边磁极，与铁轭磁极形状类似的拱状，高度为3mm，保证闭合时衔铁、铁轭的磁极总厚度不变，让铁轭的磁极缩短3mm，这样弹簧的初始位移和最终位移也不会改变，即反力特性不变。
方案图4-39d是在方案图4-39c的基础上，让衔铁的磁极面做成外凸的三角形，而铁轭的磁极面相应修改成内凹的三角形，方案图4-39d能使衔铁、铁轭磁极之间工作气隙的有效工作面积增加。
方案图4-39e，维持衔铁厚度为1mm不变，不改变方案图4-39a其他参数的前提下，将衔铁磁极面的形状由平面型变成弯曲型，从衔铁的转轴位置开始，有三个连续的转折平面，相邻两段平面之间的夹角均为165°。为了保证能与衔铁完全闭合，铁轭的磁极面也做成三段曲折的平面。
由式（4-4）可以看出，影响衔铁向铁轭运动的因素不仅仅只有吸力矩M和反力矩Mf，还有衔铁的转动惯量J。图4-40为5种方案的静态转矩特性，从图可见，当衔铁打开角度大时，5种结构的吸引力矩相差不大，而当衔铁打开角度小时，则方案图4-39b、图4-39c、图4-39d的转矩远大于方案图4-39a，而方案图4-39e则略大于方案图4-39a。图4-39b、图4-39c、图4-39d、图4-39e4种方案虽然都使M增加了，但同时也使衔铁的转动惯量J增加了。从表4-11的数据可以看出，b、c、d3种方案虽然使衔铁打开角度小时的转矩变大，但脱扣电流反而增加，只有方案图4-39e由于转动惯量变化不大，而衔铁、铁轭之间工作气隙的有效工作面积增加了，因而脱扣电流有所下降，但下降幅度不大，它的保护特性与方案图4-39a的比较见图4-41，可见其动作也略为加快，由图4-40和表4-11的计算结果可明显得出：脱扣电流不但与吸引转矩有关，并且随转动惯量增大而增大。
图4-39 几种不同磁极结构的拍合式脱扣器
图4-40 5种不同磁极结构的拍合式脱扣器静态吸力特性的对比
表4-11 5种方案的衔铁转动惯量和脱扣电流的关系
图4-41 方案a和方案e的保护特性比较
由以上分析可知，改变磁极结构对降低脱扣电流的作用不大，为了增加铁轭对衔铁的电磁吸力，也可以设法改变载流导体的绕线方式，使励磁增加，吸力矩也会相应地增加，同时不改变衔铁的转动惯量和反力，从而能够达到减小脱扣电流的目的。
拍合式磁脱扣器增加励磁可采用图4-42所示的两种结构，图4-42a是在磁轭上再增加一载流导体，其电流方向与原导体一致，以起增磁作用，图4-42b是在磁轭的两侧磁极上绕线圈，让其励磁方向与原导体相同，增加励磁后，拍合式脱扣器的电磁转矩大幅度增大，在方案图4-42a的基础上，采用图4-42a的结构增加励磁，仿真获得的保护特性与原方案图4-42a的比较见图4-43，由图4-43可知新的方案没有改变衔铁的转动惯量，而电磁吸力矩却大大增加了，因此脱扣电流有了明显下降，变为205A，并且脱扣器的动作也加快了。
图4-42 拍合式脱扣器增加励磁的方案
a）增加一载流导体 b）在侧边磁极上绕线圈
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