包裹斥力线圈的环氧材料容易失效，海军工程大学的学者提出解决措施

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针对包裹斥力线圈的环氧材料在机构多次使用后易失效问题，海军工程大学电气工程学院的研究人员董润鹏、庄劲武、武瑾、胡鑫凯，在2020年第21期《电工技术学报》上撰文，对环氧材料的失效原因进行讨论并提出了改进措施。基于有限元分析和实验验证，相比于四角固定形式，环氧材料在圆周约束下的应力降低明显，且在斥力线圈上方加装环氧薄板后可有效降低环氧胶内应力，机构在经过5000次耐受实验后未出现环氧板弯折或环氧胶开裂问题。

舰船中压直流电力系统的容量等级随着舰船功能的多样性而不断提升，其容量高达100MW，短路电流上升率在20A/µs以上，这对电力系统的保护装置提出了更高要求。混合型直流真空断路器是目前舰船电力系统中最为常见的保护装置，而高速电磁斥力机构凭借其快速性和稳定性可在1~2ms内形成足够开距，是直流真空断路器中最为常见的分闸装置。

电磁斥力机构最早于1969年提出，在20世纪90年代由富士电机公司首先投入工程应用，并作为快速分闸装置逐步应用于额定4kV/6kA、12kV/2.5kA、15kV/630A和40.5kV等真空断路器中。对于斥力机构的研究多基于等效电路法和有限元法。

其中等效电路法大多用于初步设计阶段，它将斥力盘等效为多匝线圈后建立等效电路方程，通过求解微分方程获得斥力线圈的电流特性和斥力盘的位移特性。但由于斥力盘中电流密度及电磁力分布不均匀，等效电路法的准确性有待进一步提高。

随着有限元软件的普及，有学者基于二维有限元方法讨论了斥力盘厚度、线圈匝数、线圈直径和初始气隙对不同行程及电压等级下斥力机构运动特性的影响规律并提出若干设计原则。随着斥力机构在工程上的应用和大型工作站的普及，考虑热场对机构的影响，即斥力线圈和斥力盘的电阻率随着温度的上升而改变。有学者将电磁场与结构力场耦合，讨论了在不均匀洛仑兹力作用下斥力盘在分闸时的振动及其应力分布。

但无论是对斥力机构的结构优化还是对斥力盘振动和应力分布的讨论，目前的研究都集中于斥力盘和斥力线圈本身，对斥力线圈的固定方式尚无研究。在舰用高速直流真空断路器中，为保证斥力机构有较短的固有分闸时间和高的初始速度，斥力盘及斥力线圈受到的峰值斥力在20kN以上，封装斥力线圈的环氧材料极易在高电磁力的反复冲击下结构性失效，进而影响斥力机构的使用寿命。

图1  环氧材料的失效形式

海军工程大学的研究人员通过电磁场和结构力场的耦合求解，获得了在线圈电磁力作用下环氧材料的应力分布，解释了环氧板弯折与环氧胶开裂的原因；提出了采用圆周约束替代四角约束以降低环氧板内的应力，并在斥力线圈上端增加环氧薄板以改变固定约束位置，降低环氧胶内的应力集中位置以解决其开裂问题；最后设计了两组工程样机，分别进行环氧板在四角约束下的冲击电流实验和在圆周约束下加装环氧薄板后的耐受实验。

图2  斥力机构实验平台

针对高速电磁斥力机构中固定斥力线圈的环氧材料在多次使用后损坏这一问题，海军工程大学的研究人员通过有限元分析配合样机实验，解释和验证了环氧板弯折及环氧胶开裂的原因，并根据环氧材料内的应力分布，给出了斥力线圈固定形式的改进结构，得出以下结论：

图3  工程样机

图4  样机示意图

1）在电磁力作用下，包裹斥力线圈的环氧材料内有应力出现，应力数值随着电流数值的增高而增大。对于四角约束型斥力线圈结构，环氧板的最大应力出现在固定约束附近，环氧胶的最大应力出现在靠近线圈侧上方和靠近环氧板侧下方处。

2）将斥力线圈由四角约束改为圆周套筒约束，并在环氧胶和环氧板上端增加一层环氧薄板。在电磁力作用下，应力集中位置出现在上方的环氧薄板中，可有效改善斥力线圈的损坏问题。环氧薄板厚度在0.5~1.5mm之间，对环氧胶内最大应力无影响。与四角约束结构相比，经过改进后的斥力线圈结构的截面积减小42.3%。

以上研究成果发表在2020年第21期《电工技术学报》，论文标题为“电磁斥力机构中固定线圈的环氧材料的失效分析与改进措施”，作者为董润鹏、庄劲武、武瑾、胡鑫凯。

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