面向21世纪的低压电器新技术

计算机模仿和仿真技术的进展和商品有限元分析软件性能的不断提高为这种新技术在低压电器的应用创造了条件。70-80年代的有限元分析软件，前后处理工作十分繁锁，例如进行一台大型变压器的电场分析、输入各零部件的三维尺寸等原始数据，一般是几天甚至几个星期的艰苦劳动。进入90年代商品化的有限元分析软件都和可视化技术结合起来，用特征造型方式输入三维图形代替每锁的数据输入，使输入工作十分简便而直观，并且后处理部分使输出的数据或三维图形，方便地进行观察和分析。与此同时，随着解决复杂工程问题的需要，这种仿真和分析软件更扩展到流体动力学、机械振动和机构动力学等方面。目前，市场上已能提供各种精确的计算机仿真与分析软件，这类软件分成二种类型，一种是通用软件，另一种是专用软件，例如ANSYS（ANSYS公司）和NISA（EMRC公司）有限元通用仿真和分析软件属于第一类，这种软件都包括应力，温度场、电磁场和流场等分析模块，可以进行单种场域分析，也可进行综合场分析，例如计算熔断器的保护特性，首先要计算熔片中电流场的分布，然后是热特性的计算，这是电流场和瞬态热场计算的综合，专用软件是指用于专门的场合，如ADAMS软件用于机构动态分析，VACTOR　FIELDS软件专门用于各种电磁场问题的分析。这两种软件都有可视化的前后处理摸块，并且都有工作站和微机两种版本。近年来国外著名公司更是把特性的计算机仿真和分析看作是产品开发手段现代化的一个重要措施，如日本的富士公司在开发SC新系列接触器中，认为计算机仿真和采用新材料，是使新系列接触器性能达到高水平的关键，他们开发了一套对接触器可动部分动态仿真的软件系统，对接触器可动部分，包括铁心和触头系统进行了动态仿真，分析了各种参数对铁心及触头碰撞后的弹跳的影响，从而选择了最佳的设计参数，日本的三菱公司和德国金钟–默勒公司都以商品计算机分析软件为基础，通过二次开发建立自己的低压断路器设计和开发的计算机仿真系统。

　　通过计算机仿真可获得产品设计的可行性方案，即保证设计方案满足所制定技术条件的要求，但尚不是经济技术指标最佳的方案，为了达到经济技术指标的最佳，这就需要把仿真技术和最优化方法结合起来。一些商品仿真软件，如上面提到的ANSYS软件就提供一系列优化工具，能自动调整设计对象的几何形状，使规定的目标达到最优。如德国著名的低压电器专家Lindmayer教授利用ANSYS软件，把磁场仿真和优化结合起来，改变铁心尺寸和线圈位置，实现了电磁铁的优化设计。

　　计算机图形技术的发展，一种新的三维机交互式图形技术，即虚拟现实（Virtual　reality）技术的出现，给计算机仿真技术的发展，开辟了新的天地，虚拟现实与传统的交互式三维图形技术不同，后者操作者是在计算机外的现实世界操作计算机的图形，而前者则可让操作者进入计算机里的虚拟世界亲临其境地进行操作，把这种技术和计算机仿真相结合就可以在计算机内设计产品，这种产品我们称为虚拟产品，设计者可以在“虚拟”环境中对产品进行仿真和优化，这是计算机仿真技术的发展方向。长期以来，我国低压电器产品往往是把各研究所和工厂有关技术人员集中在一处，进行联合设计，这种方式使大多数设计人员脱离本厂的环境而造成诸多不便。90年代以来出现的计算机协同设计CSCD（Computer　Supported　Cooperative　Design）技术，可提供远程异地协同设计的环境，它是基于Internet而实现的一种群体设计的新概念，最近国外的计算机辅助设计软件如PRO/E和Internet等已新增了这方面的功能。依靠这种技术，人们可以在不同地点通过Internet共同讨论设计方案，绘制和修改设计图纸。 

三、环保电器

　　随着工农业的发展，环境保护问题日趋严重，这对大量使用的低压电器提出新的要求。低压电器中几近80%的材料是塑料，因而对这些材料来说，一方面要保证长的寿命和电器本身的工作可靠性，还应考虑环保要求，即无污染，并且可以回收。目前不含CFC或卤素的阻燃的塑料已得到推广和应用。

　　长期以来由于AgCdO有较好的耐电弧侵蚀能力，因而在低压电器、特别是作为控制电器的触头材料得到广泛应用。但近年来由于AgCdO材料有毒，从环保要求出发，以AgSnO2代替AgCdO材料已经得到推广。但AgSnO2的触头温升过高，一直是一个关键技术问题。目前国际上一些触头材料生产厂都在研究如何通过加入添加剂来阻止触头表面SnO2膜的生成来降低触头温升。德国Degussa AG公司推出以WO3和BiO3两种材料复合作为添加剂的AgSnO2SPWIII新牌号材料，不但有与AgCdO相接近的温升，并且在抗电弧侵蚀及抗熔焊性能上较老的牌号AgSnO2材料有较大的提高。

　　采用真空技术与电力电子技术是解决环保电器的重要途径。目前真空技术在中压开关领域已具统治地位，在低压开关领域近几年也有很大的发展。真空中不存在气体，在开断故障电路时仅能产生能量较少的金属蒸汽电弧，其强度、燃弧时间和对触头的烧蚀都比空气中少，因而真空开关是不需要维护的。从环保的角度来看，真空开关的触头系统是

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