- 頭條包裹斥力線圈的環氧材料易失效，海軍工程大學的學者提出解決措施2021-04-12 作者：董潤鵬 莊勁武 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語針對包裹斥力線圈的環氧材料在機構多次使用后易失效問題，海軍工程大學電氣工程學院的研究人員董潤鵬、莊勁武、武瑾、胡鑫凱，在2020年第21期《電工技術學報》上撰文，對環氧材料的失效原因進行討論并提出了改進措施。基于有限元分析和實驗驗證，相比于四角固定形式，環氧材料在圓周約束下的應力降低明顯，且在斥力線圈上方加裝環氧薄板后可有效降低環氧膠內應力，機構在經過5000次耐受實驗后未出現環氧板彎折或環氧膠開裂問題。
艦船中壓直流電力系統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100MW，短路電流上升率在20A/μs以上，這對電力系統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中最為常見的保護裝置，而高速電磁斥力機構憑借其快速性和穩定性可在1~2ms內形成足夠開距，是直流真空斷路器中最為常見的分閘裝置。
電磁斥力機構最早于1969年提出，在20世紀90年代由富士電機公司首先投入工程應用，并作為快速分閘裝置逐步應用于額定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，等效電路法的準確性有待進一步提高。
隨著有限元軟件的普及，有學者基于二維有限元方法討論了斥力盤厚度、線圈匝數、線圈直徑和初始氣隙對不同行程及電壓等級下斥力機構運動特性的影響規律并提出若干設計原則。隨著斥力機構在工程上的應用和大型工作站的普及，考慮熱場對機構的影響，即斥力線圈和斥力盤的電阻率隨著溫度的上升而改變。有學者將電磁場與結構力場耦合，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力分布。
但無論是對斥力機構的結構優化還是對斥力盤振動和應力分布的討論，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，封裝斥力線圈的環氧材料極易在高電磁力的反復沖擊下結構性失效，進而影響斥力機構的使用壽命。
圖1 環氧材料的失效形式
海軍工程大學的研究人員通過電磁場和結構力場的耦合求解，獲得了在線圈電磁力作用下環氧材料的應力分布，解釋了環氧板彎折與環氧膠開裂的原因；提出了采用圓周約束替代四角約束以降低環氧板內的應力，并在斥力線圈上端增加環氧薄板以改變固定約束位置，降低環氧膠內的應力集中位置以解決其開裂問題；最后設計了兩組工程樣機，分別進行環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氧薄板后的耐受實驗。
圖2 斥力機構實驗平臺
針對高速電磁斥力機構中固定斥力線圈的環氧材料在多次使用后損壞這一問題，海軍工程大學的研究人員通過有限元分析配合樣機實驗，解釋和驗證了環氧板彎折及環氧膠開裂的原因，并根據環氧材料內的應力分布，給出了斥力線圈固定形式的改進結構，得出以下結論：
圖3 工程樣機
圖4 樣機示意圖
1）在電磁力作用下，包裹斥力線圈的環氧材料內有應力出現，應力數值隨著電流數值的增高而增大。對于四角約束型斥力線圈結構，環氧板的最大應力出現在固定約束附近，環氧膠的最大應力出現在靠近線圈側上方和靠近環氧板側下方處。
2）將斥力線圈由四角約束改為圓周套筒約束，并在環氧膠和環氧板上端增加一層環氧薄板。在電磁力作用下，應力集中位置出現在上方的環氧薄板中，可有效改善斥力線圈的損壞問題。環氧薄板厚度在0.5~1.5mm之間，對環氧膠內最大應力無影響。與四角約束結構相比，經過改進后的斥力線圈結構的截面積減小42.3%。
以上研究成果發表在2020年第21期《電工技術學報》，論文標題為“電磁斥力機構中固定線圈的環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。
