基于SolidWorks的真空开关线圈式纵磁触头参数化设计

摘 要：真空灭弧室中触头的形状和尺寸对于提高真空开关的开断能力十分重要。真空开关中线圈式纵磁触头都具有相似的结构但是在尺寸方面有所不同。在对线圈式纵磁触头进行设计时,设计人员每次都需要对触头进行重新建模,极大地浪费设计人员的时间和精力。基于SolidWorks软件平台,利用VB(Visual Basic)语言作为二次开发工具,通过对真空开关触头的结构和参数进行合理化分析,建立了真空开关线圈式纵磁触头参数化设计系统。利用该系统可以对真空开关电极触头进行快速高效地建模和装配,提高对零件的设计效率。

关键词：真空开关; 线圈式纵磁触头; SolidWorks; 参数化设计

0 引 言

真空开关从开始应用到电力系统至今已经有50多年的历史[] 。真空开关凭借其开断容量大、体积小、可靠性高、寿命长,在中压领域迅速占领市场,并且还在逐年地扩大市场占有率[]。真空开关的关键部件是真空灭弧室,而真空灭弧室的核心部位是电极触头,所以对电极触头结构的研究一直是一个很重要课题[]。然而在开发人员每次对杯状触头进行设计和分析时都需要对触头重新进行建模,极大地浪费了设计人员的时间和精力,增加了开发的成本。本文通过对电极触头的结构和每个参数进行分析,以SolidWorks软件为开发平台,利用VB语言对电极触头进行参数化设计,从而设计出真空开关线圈式纵磁触头参数化设计系统。只要设计人员输入需要建立的模型参数就能实现快速地建模和装配,极大地提高了设计开发效率。

2.2.4 课程设置 有些学校的课程安排不太合理，也容易引起学生课堂问题行为。常见的是课程设置问题有：难度偏大，学生不易接受，导致厌学；理论知识过多而实践操作较少，课程安排不合理，引发课堂问题行为也在所难免。

2.2 两组患者手术前后心功能变化比较 两组术后二尖瓣反流面积减小(P<0.05)，左室射血分数升高(P<0.05)。与A组比较，B组二尖瓣反流面积减小和左室射血分数升高更明显(P<0.05)。两组患者术后左心室舒张期末内径均有所减小，但两组间比较，差异无统计学意义(P>0.05)。见表1。

1 二次开发原理

Solidworks软件为了方便开发人员进行二次开发设计,提供了大量的应用程序接口(Application Programming Interface,API) 对象。设计人员通过利用支持对象链接与嵌入(Object linking and Embedding,OLE)的编程软件[4],例如 Visual C++、VBA、Delphi、VB等软件,调用API,从而对Solidworks进行二次开发[5]。本文对线圈式纵磁触头的开发方法是利用参数化系统建模法,通过利用VB软件建立人机交互的界面,人为对设计变量进行赋值,然后驱动程序建立模型。这种方法能够实现对模型的快速建立,且只要更改尺寸便可以实现模型的重建,十分便捷。

2 真空开关线圈式纵磁触头结构

现阶段,国际上大多数真空断路器的触头采用线圈式和杯状纵磁触头[6-7]。杯状和线圈式纵磁触头在有电流流过后能够产生纵向磁场。扩散型电弧在纵向磁场的作用下可以提高转变为收缩型电弧的转换电流值。在足够大的纵向磁场的作用下,大电流真空电弧能够保持真空电弧的扩散性,电弧斑点能够均匀地分布在触头表面,触头不会因为温度过高而产生严重的熔化[8]。所以杯状和线圈式纵磁触头具有分断能力强、磨损率低(寿命长)的优点。由于线圈式纵磁触头结构相对复杂,设计人员每次进行建模都需要浪费很多时间和精力,所以本文对线圈式触头进行参数化设计。

线圈式纵磁触头由触头片、线圈和导电杆三部分组成。触头片之间称弧区。触头片和线圈间由不锈钢片支撑。线圈由数个触头拐臂组成,当电流经导电杆流入触头拐臂后可以分成2路、3 路…形成环向电流,形成1/2、1/3 …匝线圈式纵磁触头。触头拐臂在尾端有突起,与不锈钢支撑片相连接。触头片上开有与触头拐臂相同数目的槽。线圈式纵磁触头的结构如图1所示。电流按照图1标示方向流动。

图1 线圈式纵磁触头结构

3 真空开关线圈式纵磁触头参数分析

一个好的电极触头不仅需要考虑产生纵向磁场的强度,还需要考虑产生的纵向磁场的滞后时间的长短和机械强度。线圈式纵磁触头的二次开发需要考虑的参数有触头开距,触头片的直径、厚度、开槽数,不锈钢支撑板的厚度,线圈的高度、厚度。其参数不同,会影响触头片产生纵向磁场的强度和纵向磁场滞后时间和机械寿命。所以需要对触头的各个参数进行具体考虑。

对城市道路每盏灯实现全面的感知、智能的控制、广泛的交互和深度的融合，在满足正常照明需求的前提下，通过智能调光、降功率、按需开关灯等管理方式，减少过度照明，电能节约率可达30%～60%。

3.1 触头开距

触头开距由真空开关的额定电压决定。当触头的开距过小,真空开关的耐压和开断能力会受到影响;当开距过大会使波纹管的寿命减小。所以在满足真空开关的耐压条件下,开距尽量选得小一些。

3.2 触头片的直径和厚度

触头片的直径决定了触头的开断能力。当触头片直径越大,电弧在阳极的扩散范围越大,电弧越容易熄灭。但如果直径太大,在高电压下被击穿的概率就会增大,屏蔽罩的尺寸也会增加,会加大加工难度和增加生产成本[9]。在生产设计的时候根据短路开断电流与触头片的直径关系可以计算出触头片合适的直径。按照Rich的模型,假设在半个周期内燃弧能够熄灭,同时假定当真空开关分断后质点平均自由行程小于开距s倍后绝缘才被破坏,则触头直径可由式(1)计算得出:

（2）河口位置由于水流较大，将河道里粗颗粒泥沙冲到河口外，所以河口处显示为中细砂为主，粒径较河口内为细，中值粒径在0.07-0.2mm之间，中值粒径较两侧为粗，约为0.14mm。沙质成分均超过90%，基本不含有粉砂和粘土。

D=-

(1)

式中: I——最大分断电流;

q——触头材料的磨损率;

d——材料原子直径;

S——常数;

L——开距距离;

Ie ——断路器额定电流;

K——波尔兹曼常数;

T——材料原子温度;

Ci——触头表面凝结系数。

当触头直径确定后就需要考虑触头片厚度,触头片的厚度决定了触头的寿命。触头太薄则寿命短,太厚则影响纵向磁场分布。假设每开断一次消耗触头片的磨损率q相同,触头片的厚度可以由式(2)计算得出:

Δh≥×10-3

(2)

式中: Δh——触头片的最小距离;

风影作别父母，提前回到了白云寺。师父感到非常奇怪，离开寺庙是风影求之不得的事，这次破天荒地放三天假，让他回家探望双亲，已经是法外开恩了，照理风影是梦寐以求的，他就像放鸟出笼一样，暂时恢复自由的风影，可以与久别重逢的父母难得的团聚数日，他在父母身边多呆一刻也是好的，可风影为什么一反常态，会提前一日回到寺院里呢？

将破碎榨汁后的苹果汁分装到500 mL的三角瓶中，装液量为400 mL，在苹果汁中分别接种酿酒酵母（CICC 31084、CICC 31085、CICC 32178、CICC 32130、CICC 32168），接种量为6%，接种浓度为1×104 cfu/mL，在20 ℃进行恒温发酵，发酵过程中当二氧化碳失重量不再变化时则发酵结束。发酵结束后蒸馏取样，测定苹果白兰地中异丁醇、异戊醇及苯乙醇含量。

N——开断次数;

ω——角频率;

地下水水量修复可以通过人工回灌补给地下水方式得以部分解决。受水区地下水补给水源有雨洪资源、再生水和南水北调来水。受水区沿太行山前平原洪积扇区，是地下水人工补给和调蓄十分有利的空间条件。受水区内由于地下水超采，许多含水层疏干，形成了无数大大小小的地下水降落漏斗，这也为地下水储存和调蓄提供了空间（地下水库）。建设地下水库，不但可增辟可利用的水资源，调控地下水水位，而且可以腾出地下库容，增大降雨入渗，减少降雨径流流失，减少潜水蒸发，调节地表水、引黄引江水、土壤水和地下水，控制土壤返盐，防止渍涝灾害，改良盐碱地等。

DC——触头直径;

γ——触头材料的密度。

3.3 触头其他参数的考虑

触头片开槽个数越多,纵向磁场滞后时间越短,在电流过零时有利于电子和离子向外扩散。开槽宽度和长度对纵向磁场强度没有太大的影响。线圈拐臂的个数越少,纵向磁场越强,但其产生的纵向磁场滞后时间越长。所以对线圈拐臂个数需要综合考虑。线圈高度越低、厚度越小、纵向磁场越强,且纵向磁场滞后时间越短,熄弧能力越强。但是线圈高度越低、厚度越小,其支撑能力越弱,在压力过大时线圈容易变形。所以在线圈高度和厚度能够支撑触头片压力时,线圈高度和厚度尽量选得小一些。线圈和触头片的开槽宽度对纵向磁场没有太大的影响[10]。

4 线圈式纵磁触头参数化设计实现

4.1 参数化系统设计流程

真空开关线圈式纵磁触头的设计流程如图2所示。

图2 线圈式纵磁触头参数化设计流程图

4.2 线圈式纵磁触头参数化设计系统界面

研究组患儿咳嗽消失时间、呼吸困难消失时间、肺部哮鸣音消失时间以及住院时间均短于参照组，差异均具有统计学意义（P＜0.05），见表1。

为了用户更方便地使用本系统,对线圈式纵磁触头建模界面的设计始终要遵循界面友好的原则。线圈式纵磁零件设计界面如图3所示。当用户输入完各项参数后点击零件建模则自动生成3个模型文件,当点击装配按钮则将3个零件生成一个装配体文件。当点击重建的时候则根据参数的改变重新生成模型文件。

图3 线圈式纵磁触头建模界面

4.3 零件参数化编写过程

零件参数化建模就是通过分析零件的参数,明确各个参数的几何关系以及尺寸的约束,然后将参数值变量化,再利用Visual Basic进行编程,调用SolidWorks的API函数,通过修改函数中的相关约束变量的数值来完成零件的建模。下面介绍线圈的参数化设计编程过程。

线圈的直径为D,厚度为d,高度为h,拐臂个数为n,开槽宽度为w,线圈凸台角度θ,线圈凸台高度h1,导流杆直径为D1,导流杆高度为h2。对线圈的参数化编写过程可以设计为

(1) 对一个拐臂画草图。

(2) 对草图进行凸台拉伸。

(3) 对拐臂凸台进行沿曲线阵列。

对表1中的工况1和工况12进行实验，并将实验结果与相应的数值模拟结果进行对比，结果如表3所列。表3还给出了数值模拟得到的碎片第2阶段瞬时速度v1、第3阶段速度增量vi及最终速度v。针对这两个工况，给出了3个理论模型的相应结果。可以看出，模型2的结果与实验结果偏离较多，而模型1和模型3在装药比很小时的结果都比较接近实验结果，在装药比较大时与实验结果偏离较多。相对而言，模型3的结果整体上更接近实验结果，这表明数值模拟方法是正确的。因此，后续其他工况通过3个理论模型计算的碎片最终速度与数值模拟的相应结果进行比较。

(4) 对导电杆画草图。

(5) 拉伸导电杆。

针对奖学金、优团优干以及优秀毕业生等评优工作，也可以利用大数据对学生进行多个维度的考核。综合学生自身的上课出勤、发言以及作业质量、社团活动、课外竞赛等多个方面，利用具体提供的数据对学生展开评比，更加全面地掌握学生的学习态度、实践能力、探索精神、人际关系以及意志等多个方面。多维度的评估工作不仅仅局限于对学生的智力进行考核，还需要对学生的内在元素进行挖掘，这样也能为学生提供相应的引导，进而优化学习的模式，使学生能够更好地适应社会的发展需要，促进高校人才培养质量的提升。

得到完整的线圈和导电杆。拐臂的草图如图4所示。

图4 线圈拐臂草图

根据图4可以看出,只要知道草图上的几个点的位置便可以很顺利地将拐臂和拐臂凸台的草图画出。根据几何关系式(3)～式(18),得到各点的横坐标和纵坐标的位置:

各个点的参数确定以后调用API函数即可完成线圈的建模。

4.4 线圈式纵磁触头参数化设计系统应用实例

采用SPSS 17.0统计学软件对数据进行处理，计量资料以“±s”表示，采用t检验，计数资料以百分数（%）表示，采用x2检验，以P＜0.05为差异有统计学意义[3] 。

将参数化设计系统应用到额定电压126 kV,额定电流2 000 A、额定短路开断电流40 kA、频率为50 Hz的交流电的触头建模中。在真空断路器中,额定电压为126 kV时,触头开距一般为50 mm左右[11]。本文选择触头开距为60 mm。根据式(1)和式(2)可以算出触头的直径约为120 mm,厚度不小于6 mm。该真空开关短路电流很大,需要很强的纵向磁场,而且短路关合电流很大,会产生很大的压强,所以选择为1/2匝线圈,线圈高度为20 mm,线圈厚度为10 mm。为了减小纵向磁场的滞后时间,在触头片上开槽个数为6个。除此之外对线圈凸台的高度和角度选择为高2 mm,角度为30°,支撑钢板的厚度为2 mm,支撑钢板的角度为60°的1/2匝线圈,导电杆的直径选择为50 mm。开槽的宽度为3 mm,开槽的长度为30 mm。

在本系统上输入各个参数以后,点击零件建模和零件装配就能生成相应的文件。利用该系统生成的各个零件和装配体的结构视图如图5所示。

近年来，随着科技水平的提高，微创的腹腔镜手术已经得到了患者的认同。而无气腹腹腔镜作为腹腔手术的重要组成部分，在20世纪90年代初应用于临床［1］。与有气腹腔镜相比具有更高的安全性、可操作性且经济实用，应用范围日益扩大。我院自2010年10月以来开展妇科无气腹腹壁下钢针悬吊法腹腔镜手术15例，现将护理体会报道如下。

图5 各个零件和装配体的结构视图

5 结 语

本文通过对线圈式纵磁触头参数的分析,利用SolidWorks平台,用Visual Basic语言作为开发工具,设计了线圈式纵磁触头参数化设计系统。利用该系统快速地完成了额定电压126 kV、额定电流2 000 A、额定短路开断电流50 kA、频率为50 Hz的交流电的触头建模和装配。这表明了参数化设计系统方便快捷,能够很大程度上提高设计人员的设计效率,节约设计成本。本文通过利用参数化设计,对纵磁线圈式触头进行建模装配,也对真空开关的其他零部件的快速设计提供了参考。