本书强调理论密切联系工程应用，并且特别重视物理建模的科学性以及仿真分析结果有效性的实验验证。本书涉及电磁机构、发热和电动力、电弧电接触等电器基础理论，并将其体现在操作机构、脱扣器和触头灭弧系统等三个低压断路器主要组成部分的建模仿真技术上，主要包括：操作机构的运动特性优化设计与寿命评估，不同结构形式的电磁脱扣器和热脱扣器保护特性优化设计，触头系统的电动稳定性和热动稳定性计算，电弧演变过程的数学建模与仿真和短路开断过程的仿真分析等，其中大部分内容来自低压断路器实际产品的工程设计，结构及设计参数描述具体、翔实，对工程技术人员进行产品设计和科技人员了解低压断路器的建模仿真技术有很大帮助。
我国低压电器行业经过了６０多年的发展，目前已成为全球低压电器最大制造国。新能源发电系统、低压直流电网等也为低压电器行业的跨越式发展和自主创新提供了难得的机遇，同时与国际知名低压电器公司的竞争也日趋激烈。因此，在低压电器小型化、智能化、高性能、节能环保的发展趋势下，如何提高企业的核心竞争力，使我国进一步成为低压电器强国，是低压电器行业所面临的重要问题和现实需求。
低压断路器的性能在很大程度上反映了一个国家低压电器的设计与生产水平。我国低压断路器行业目前正处于摆脱以仿制为主、“经验设计＋试验验证” 相结合研发模式的关键时刻，进一步推广低压断路器的数字化建模和仿真技术对推动整个行业的技术进步至关重要。
本书是西安交通大学低压电器科研组近１５年来在低压断路器的建模仿真技术领域研究工作的系统总结。通过与国内外低压电器企业的产学研合作，将建模仿真技术应用于已有产品开断性能的提升和新系列产品的研发，并在大量的工程实践中不断完善、总结，形成了具有一定特色的技术体系。
本书第１章绪论，主要介绍了低压断路器的建模仿真技术发展概况；第２章和第３章围绕低压断路器操作机构，介绍了操作结构动态特性仿真分析以及疲劳寿命的评估方法；第４章和第５章主要介绍了电磁、热脱扣器保护特性的计算方法，低压断路器及系统的热分析技术；第６章、第７章和第８章围绕低压断路器的触头灭弧系统，分别介绍了吹弧磁场、电动斥力和气动斥力的建模仿真方法，短时耐受电流的计算方法及不同因素的影响，低压断路器开断过程的建模方法以及电弧磁流体动力学仿真的应用。本书在内容上注重理论联系工程实际，力求能够使读者对电器基础理论有更深刻的认识，并帮助读者提高将理论应用于低压电器产品设计的能力。
本书是在陈德桂教授与作者２００９年合著出版的《低压断路器的虚拟样机技术》基础上，结合低压断路器建模仿真技术的发展趋势和新近研究成果，以及读者的反馈，做了较大的删减和补充，力求更好地为产品设计提供有益参考，更有效地服务于人才培养。
陈德桂教授长期担任中国电工技术学会低压电器专委会主任和荣誉主任、西安交通大学电器教研室主任，在科研方向开拓、人才培养、成果推广应用等方面为低压电器行业的发展做出了突出的贡献，也对本书做出了历史性的贡献。此时此刻，尤为怀念在先生指导下的学习和工作时光，先生慈祥的目光、谆谆的教诲永留心间，激励着作者在教学科研的道路上砥砺前行。也谨以此书深切缅怀恩师！
本书的内容包括了本科研组毕业的博士孙海涛、张敬菽、向洪刚、戴瑞成、汪倩、屈建宇和硕士黄琳敏、王云峰、康艳、童争光、宋浩永、段建家、陈轲娜、胡书通、李欣、吴刚等的部分研究成果，特此表示感谢。
本书的工作是在多项国家自然科学基金项目、人才计划支持项目、电力设备电气绝缘国家重点实验室自主课题及与国内外低压电器企业的合作项目等支持下完成的，特此表示感谢。
由于作者水平有限，不妥和错误之处在所难免，敬请读者批评指正。
李兴文２０１７年１０月于西安Ⅳ 低压断路器的建模仿真技术
前言
第１章 绪论１
１.１ 概述１
１.２ 低压断路器的建模仿真技术发展
概况２
第２章 低压断路器操作机构动态特性的
仿真与优化设计４
２.１ 低压塑壳断路器操作机构的仿真
建模４
２.１.１ 低压塑壳断路器操作机构简介４
２.１.２ 操作机构仿真模型的建立４
２.２ 单断点塑壳断路器操作机构的仿真
分析７
２.２.１ 单断点塑壳断路器操作机构动态
特性的仿真７
２.２.２ ＡＤＡＭＳ软件中触头参数的测量
方法９
２.３ 计及电动斥力效应的断路器分断过程
仿真分析１２
２.３.１ 分断短路电流的实验研究１２
２.３.２ 对动触头所受电动斥力的分析１３
２.３.３ 计及电动斥力效应的断路器分断
过程仿真分析１６
２.４ 低压塑壳断路器操作机构的优化
设计２１
２.４.１ 影响断路器分断速度的主要
因素２１
２.４.２ 以关键轴的位置作为设计变量的
操作机构优化设计２４
２.５ 旋转双断点塑壳断路器操作机构的仿
真与优化设计２６
２.５.１ 影响断路器机构运动速度的主要
因素２６
２.５.２ 旋转双断点塑壳断路器触头卡住
机构的研究分析２８
２.６ 框架断路器操作机构的仿真与优化
设计３３
２.６.１ 框架断路器的操作机构３３
２.６.２ 操作机构仿真模型的建立３４
２.６.３ ＡＤＡＭＳ软件中的仿真结果３５
２.６.４ 操作机构的优化设计３６
２.７ ＡＤＡＭＳ软件的二次开发技术３９
２.７.１ 用户界面的开发３９
２.７.２ 依靠接口程序的二次开发４０
本章参考文献４２
第３章 低压断路器操作机构应力分析
与疲劳寿命评估４３
３.１ 框架断路器操作机构应力应变的仿真
分析４３
３.１.１ 动态应力应变的计算方法４３
３.１.２ 虚拟样机模型的建立４５
３.１.３ 刚柔耦合混合动力学模型的
建立４６
３.１.４ 上连杆应力应变分析４７
３.２ 框架断路器操作机构主要构件疲劳
寿命的评估５１
３.２.１ 低压断路器操作机构疲劳寿命
的评估方法５１
３.２.２ 打击杆的寿命分析５２
３.２.３ 轴销的寿命分析５４
３.３ 框架断路器操作机构主要构件结构的
优化设计及试验５６
３.３.１ 打击杆的结构优化５７
３.３.２ 轴销的结构优化５９
３.３.３ 疲劳寿命的试验６２
本章参考文献６３
第４章 电磁脱扣器保护特性的
计算６４
４.１ 概述６４
４.２ 拍合式电磁脱扣器保护特性的仿真与
分析６６
４.２.１ 脱扣器静态特性的计算６６
４.２.２ 脱扣器保护特性的计算６７
４.２.３ 拍合式磁脱扣器保护特性的
分析７１
４.３ 螺管式磁脱扣器保护特性的仿真
与分析７２
４.３.１ 螺管电磁铁从磁场仿真到等值
磁路的建立７２
４.３.２ 静态特性的磁路计算方法７４
４.３.３ 动态特性的计算７５
４.４ 高速直流断路器用磁脱扣器调节特
性的分析７７
４.４.１ 高速直流断路器用磁脱扣器的
工作原理７７
４.４.２ 高速直流断路器用磁脱扣器的
静态特性与动态特性７７
４.４.３ 高速直流断路器用磁脱扣器的
调节特性分析８０
４.５ 电磁脱扣器的优化设计８１
４.５.１ 脱扣器几何参数的优化设计８１
４.５.２ 反力弹簧参数的优化设计８４
４.５.３ 小规格拍合式脱扣器的改进
设计９０
４.５.４ 电磁脱扣器系列化设计９２
４.５.５ 带永久磁铁脱扣器抑制电流极性
影响的方法９５
本章参考文献９８
第５章 低压断路器热分析与热脱扣器
保护特性的计算９９
５.１ 热分析的有限元法和热网络法１０１
５.１.１ 用有限元法计算断路器的
温度场１０１
５.１.２ 热网络法１０２
５.２ 热源的计算１０３
５.２.１ 触头接触电阻１０３
５.２.２ 接线端接触电阻１０４
５.３ 导热系数和散热系数的确定１０５
５.３.１ 导热系数１０５
５.３.２ 散热系数１０５
５.４ 连接导线的处理１０７
５.５ 基于三维有限元法的断路器热
分析１０９
５.５.１ 小规格断路器的热分析１０９
５.５.２ 大规格断路器的热分析１１１
５.６ 热脱扣器保护特性的等效热路计算
方法１１２
５.６.１ 热脱扣器等效热路的建立１１２
５.６.２ 热路参数的计算１１３
５.６.３ 热脱扣器保护特性的等效热路的
求解与实验对比１１５
５.７ 基于电磁热流耦合有限元法的低压
配电柜热分析１１７
５.７.１ 电磁热流耦合的分析方法１１７
５.７.２ 低压配电柜温升特性的仿真及
实验研究１２１
５.７.３ 强迫对流对低压配电柜温升特
性的影响１２３
本章参考文献１２４
第６章 吹弧磁场、电动斥力及气动
斥力仿真与分析１２６
６.１ 概述１２６
６.２ 吹弧磁场的分析１２７
６.２.１ 计算方法与步骤１２７
６.２.２ ４种不同结构的触头灭弧系统的
吹弧磁场的分析１２８
６.３ 电动斥力的分析１３１
６.３.１ 计算方法与步骤１３１
６.３.２ 两种Ｕ形静触头导电回路的电动
斥力与吹弧磁场对比的分析１３３
６.４ 塑壳断路器中的电动斥力１３７
６.４.１ 计算模型１３７
６.４.２ 计算结果及分析１３９
６.４.３ 实验方法及结果分析１４２
６.４.４ 塑壳断路器触头斥开时间与触头
压力的确定１４３
６.５ 气动斥力的研究１４４
６.５.１ 实验模型及方法１４５
６.５.２ 预期短路电流和触头间距对气动
斥力的影响１４８
６.５.３ 产气材料对气动斥力的影响１５１
６.５.４ 出气口大小对气动斥力的
影响１５１
本章参考文献１５４
第７章 短时耐受电流的计算１５５
７.１ 概述１５５
７.２ 框架断路器触头系统电动稳定性的
分析１５６
７.２.１ 电动稳定性的计算模型１５６
Ⅵ 低压断路器的建模仿真技术
７.２.２ 邻近效应对电流分布的影响１５９
７.２.３ 电动斥力的分布１６１
７.２.４ 考虑电动斥力对导电斑点面积的
影响１６２
７.２.５ 侧偏力矩与滑动力矩１６３
７.３ 短时耐受电流过程热稳定性的
分析１６５
７.３.１ 热稳定性的计算模型１６５
７.３.２ 热稳定性计算结果的空间
分布１６８
７.３.３ 热稳定性计算结果的时间
变化１７０
７.３.４ 短时耐受实验后触头烧蚀斑点
形貌的分析１７１
７.４ 合闸相角和频率对电动稳定性的
影响１７３
７.４.１ 合闸相角对电动稳定性的
影响１７３
７.４.２ 频率对电动稳定性的影响１７５
本章参考文献１７８
第８章 低压断路器开断过程的仿真
分析１７９
８.１ 概述１７９
８.２ 简单的尼迈亚电弧数学模型１８２
８.３ 微型断路器开断过程的仿真分析１８３
８.３.１ 开断特性的仿真１８３
８.３.２ 不同开断条件下的样机限流特性
的仿真和分析１８６
８.４ ＳＭＣＢ开断过程的仿真方法１８９
８.４.１ 数学模型１９０
８.４.２ 计算方法１９１
８.４.３ 额定电流３５Ａ的ＳＭＣＢ开断过程
仿真及实验结果１９２
８.５ 磁流体动力学电弧数学模型１９８
８.５.１ 弧柱区物理过程及其控制
方程１９９
８.５.２ 代表性断路器电弧模型２０４
８.５.３ 电弧等离子体的基本物性
参数２０５
８.５.４ 灭弧室结构参数对空气介质开关
电弧特性的影响２０９
８.５.５ 产气材料和金属蒸汽对空气介质
开关电弧特性的影响２１８
８.６ 基于磁流体动力学电弧模型的低压断
路器开断特性的仿真与分析２２５
８.６.１ ＭＣＣＢ的仿真分析２２５
８.６.２ ＭＣＢ的仿真分析２２８
本章参考文献２３０
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