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艦船中壓直流電力系統(tǒng)的容量等級隨著艦船功能的多樣性而不斷提升，其容量高達(dá)100MW，短路電流上升率在20A/μs以上，這對電力系統(tǒng)的保護裝置提出了更高要求。混合型直流真空斷路器是目前艦船電力系統(tǒng)中最為常見的保護裝置，而高速電磁斥力機構(gòu)憑借其快速性和穩(wěn)定性可在1~2ms內(nèi)形成足夠開距，是直流真空斷路器中最為常見的分閘裝置。

電磁斥力機構(gòu)最早于1969年提出，在20世紀(jì)90年代由富士電機公司首先投入工程應(yīng)用，并作為快速分閘裝置逐步應(yīng)用于額定4kV/6kA、12kV/2.5kA、15kV/630A和40.5kV等真空斷路器中。對于斥力機構(gòu)的研究多基于等效電路法和有限元法。

其中等效電路法大多用于初步設(shè)計階段，它將斥力盤等效為多匝線圈后建立等效電路方程，通過求解微分方程獲得斥力線圈的電流特性和斥力盤的位移特性。但由于斥力盤中電流密度及電磁力分布不均勻，等效電路法的準(zhǔn)確性有待進一步提高。

隨著有限元軟件的普及，有學(xué)者基于二維有限元方法討論了斥力盤厚度、線圈匝數(shù)、線圈直徑和初始?xì)庀秾Σ煌谐碳半妷旱燃壪鲁饬C構(gòu)運動特性的影響規(guī)律并提出若干設(shè)計原則。隨著斥力機構(gòu)在工程上的應(yīng)用和大型工作站的普及，考慮熱場對機構(gòu)的影響，即斥力線圈和斥力盤的電阻率隨著溫度的上升而改變。有學(xué)者將電磁場與結(jié)構(gòu)力場耦合，討論了在不均勻洛侖茲力作用下斥力盤在分閘時的振動及其應(yīng)力分布。

但無論是對斥力機構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化還是對斥力盤振動和應(yīng)力分布的討論，目前的研究都集中于斥力盤和斥力線圈本身，對斥力線圈的固定方式尚無研究。在艦用高速直流真空斷路器中，為保證斥力機構(gòu)有較短的固有分閘時間和高的初始速度，斥力盤及斥力線圈受到的峰值斥力在20kN以上，封裝斥力線圈的環(huán)氧材料極易在高電磁力的反復(fù)沖擊下結(jié)構(gòu)性失效，進而影響斥力機構(gòu)的使用壽命。

圖1 環(huán)氧材料的失效形式

海軍工程大學(xué)的研究人員通過電磁場和結(jié)構(gòu)力場的耦合求解，獲得了在線圈電磁力作用下環(huán)氧材料的應(yīng)力分布，解釋了環(huán)氧板彎折與環(huán)氧膠開裂的原因；提出了采用圓周約束替代四角約束以降低環(huán)氧板內(nèi)的應(yīng)力，并在斥力線圈上端增加環(huán)氧薄板以改變固定約束位置，降低環(huán)氧膠內(nèi)的應(yīng)力集中位置以解決其開裂問題；最后設(shè)計了兩組工程樣機，分別進行環(huán)氧板在四角約束下的沖擊電流實驗和在圓周約束下加裝環(huán)氧薄板后的耐受實驗。

圖2 斥力機構(gòu)實驗平臺

針對高速電磁斥力機構(gòu)中固定斥力線圈的環(huán)氧材料在多次使用后損壞這一問題，海軍工程大學(xué)的研究人員通過有限元分析配合樣機實驗，解釋和驗證了環(huán)氧板彎折及環(huán)氧膠開裂的原因，并根據(jù)環(huán)氧材料內(nèi)的應(yīng)力分布，給出了斥力線圈固定形式的改進結(jié)構(gòu)，得出以下結(jié)論：

圖3 工程樣機

圖4 樣機示意圖

1）在電磁力作用下，包裹斥力線圈的環(huán)氧材料內(nèi)有應(yīng)力出現(xiàn)，應(yīng)力數(shù)值隨著電流數(shù)值的增高而增大。對于四角約束型斥力線圈結(jié)構(gòu)，環(huán)氧板的最大應(yīng)力出現(xiàn)在固定約束附近，環(huán)氧膠的最大應(yīng)力出現(xiàn)在靠近線圈側(cè)上方和靠近環(huán)氧板側(cè)下方處。

2）將斥力線圈由四角約束改為圓周套筒約束，并在環(huán)氧膠和環(huán)氧板上端增加一層環(huán)氧薄板。在電磁力作用下，應(yīng)力集中位置出現(xiàn)在上方的環(huán)氧薄板中，可有效改善斥力線圈的損壞問題。環(huán)氧薄板厚度在0.5~1.5mm之間，對環(huán)氧膠內(nèi)最大應(yīng)力無影響。與四角約束結(jié)構(gòu)相比，經(jīng)過改進后的斥力線圈結(jié)構(gòu)的截面積減小42.3%。

以上研究成果發(fā)表在2020年第21期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“電磁斥力機構(gòu)中固定線圈的環(huán)氧材料的失效分析與改進措施”，作者為董潤鵬、莊勁武、武瑾、胡鑫凱。