基于Ansys的自动转换开关电器机构运动仿真与设计优化

银引森，吴利军，周国强

（雷顿电气科技有限公司，浙江 温州 325600）

1 引言

自动转换开关电器（Automatic Transfer Switch Equipment，ATSE）是主要用于两路电源间的转换，可检测和监视电源质量，当一路电源发生故障时，将负载电路转换到另一路电源（备用）的开关电器。

按照我国建筑设计规范的要求，一、二级用电负载应采用两路或两路以上的电源供电。因此，转换开关电器已被广泛应用到医疗、金融、通信、机场、商务大楼、大型商场、体育场、工业生产领域及军事设施等重要供电场所，以及建筑消防供配电等领域，保障重要负载的连续、可靠供电。

国标和IEC标准中将ATSE分为三类：CC级、CB级和PC级。CC级即接触器式转换开关，主要由2台交流接触器及其机械和电气联锁装置组成，只能用于小电流转换，且因机械联锁不可靠、耗电量大等缺点，在工程中越来越少地被采用。CB级即断路器式转换开关，由2台断路器构成，由一套机械和电气联锁相连接，具有短路和过载保护。PC级分为两种类型，一种是派生型，是由两台隔离开关组合而成的，另一种是专用型，整体开发设计，具有可靠性高，性能优异，使用寿命长等特点，是未来PC级ATSE的发展趋势。而机械结构的可靠性和稳定性是决定了其技术指标的关键因素。因此通过有限元分析优化各参数具有重大的意义[1,2]。

本文主要阐述产品在进行机械寿命测试时，较多部件存在磨损，运动部件与基座发生碰撞。通过运动学仿真来合理配比弹簧参数以及控制运动限位，以减轻磨损、避免碰撞，从而达到提高产品机械寿命的目的。

2 建模与描述

自动转换开关电器是一个比较复杂的结构，建模时应尽量简化模型的规模，对分析影响不大的部件或特征都可以被忽略掉，主要由驱动齿轮组、主轴传动部分、驱动弹簧、联动件、触头部件及壳体等零件组成。合闸：驱动齿轮动主轴传动部分转动，同时驱动弹簧被压缩，当过死点之后机构在驱动弹簧的作用下完成合闸。分闸的过程与合闸类似，只是与驱动弹簧产生的动力反向。在Creo软件中建立模型，简化模型如图1所示，通过与ANSYS Workbench 软件的接口导入 ANSYS Workbench中。

图1 简化模型

3 仿真分析

3.1 驱动弹簧力分析

触头压簧做功计算：安装位的弹簧力为45N，工作时压缩增量为0.6mm，可计算出四组弹簧在合闸时总做功222N·mm。

动触头做功计算：在静摩擦系数为0.2、动摩擦系数为0.1的情况下，对动触头的切向力、速度、时间进行积分，并通过降低动触头运动速度，确保计算准确性。

动触头做功约为492.8N，此外，动触头对静触头的摩擦力做功（动触头做功-触头压簧做功）约为

270.8N。

当触头压簧安装位的弹簧力为45N，刚度为4.17N·mm（设计值），分析不同驱动弹簧力下（刚度不变）的分闸时间、合闸时间，分离时间以及效能转换率（驱动弹簧做功与动触做功的比值）。分离时间为分闸过程中的一部分，不同弹簧力下的统计分析表见表1。

表1 不同弹簧力下的统计分析表

根据表1内容数据散点值进行拟合，如图2、图3所示。驱动弹簧力在40~50N时，分闸时间、合闸时间及效能的斜率变化较大，可作为兼顾机械寿命及电寿命的选择。(注：文中驱动弹簧力为平均到每个触头的力。)

图2 合闸时间拟合图

图3 效能似合图

3.2 动能分析

根据机构各个部件的质量、转动惯量，计算在驱动弹簧力为84N时各部件的动能，其中触头端包含动触头、动触头外壳、转盘等部件，驱动端包含与主弹簧保持固定接触的各部件。共分析两个时刻的动能：t1时刻为合闸动作中，动静触头完成啮合后的最大相对速度，t2时刻为动静触头分离过程中的最大收尾速度。

驱动初始力为84N时，t1、t2时刻各部件动能见表2。t1时刻，相比驱动弹簧做功2.361J，在完成啮合动作后，机构仍有47.18%的剩余动能；t2时刻，剩余动能69.64%，单个触头的转动动能占比为7.05%。

表2 驱动力初始力为84N时各部件动能

驱动初始力为50N时，t1、t2时刻各部件动能见表3。相比驱动弹簧做功1.783J，剩余动能45.04%；t2时刻，剩余动能63.05%，单个触头的转动动能占比6.42%。

表3 驱动力初始力为50N时各部件动能

根据动能计算结果，可以得出：

1）传动机构末端（4个）拥有最大的动能，其次为传动机构的初始端，机构末端（单个）动能最小。

2）t2时刻为最大动能时刻，缺少动静触头的接触作为缓冲，刚性冲击和零件变形量最大。

3.3 机构限位

由于存在生产误差和装配误差，四个动触头限位不可能同时起作用，故对最先产生接触的部件进行能量分析。

驱动弹簧初始力为84N，分闸时，不同第一限位下分闸承受能量占比见表4。

表4 不同第一限位下分闸时承受能量占比

1）根据计算结果分闸时的剩余动能要大于合闸，减少分闸时的剩余能量为首要目标；

2）优先将连杆限位作为最先接触，其次将传递盘限位作为最先接触，能有效降低触头支架的齿轮及外壁上的冲击能量；

3）主弹簧P1值为零，仅靠P2值也能使机构正常工作，所以主弹簧力的大小主要受电寿命的限制，以及对触头磨损后摩擦力上升等因素的考量。

4）降低主弹簧力能有效降低分闸时的剩余能量，且P1从85N降至40N，分闸时间只降了0.5ms（分离时间降0.2ms）。

4 试验验证

本文的研究是为了提高产品的机械寿命，为了验证仿真模型和仿真方法的有效性，对两组不同的开关进行寿命试验，试验结果与仿真结果相同。

5 结束语

应用ANSYS Workbench的SHAPE FINDER功能，对自动转换开关电器机械结构进行优化分析，通过对机械结构的关键参数进行参数优化，在保证产品性能的前提下，减轻了对结构件的冲击，从而提高了机械寿命，为整体结构优化设计提供了一种高效、可行的方法。