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针对开关电器的设计方法，本书介绍了开关电器的基础理论和分析方法，以及开关电器设计中的关键问题。书中既介绍了开关电器的静态特性(包括电器的绝缘特性和发热特性)，又讨论了开关电器的动态特性(包括电弧与磁场的相互作用，以及电器的运动特性)，还包括教学实验，有助于学生对开关电器的设计方法有系统且全面的认识。本书适合作为电子信息类专业的教材，也可以供相关专业人士参考。

目录

前言

第1章绪论

1.1电器中的物理场

1.2电器的虚拟样机技术

1.3开关电器的试验研究方法

参考文献

第2章开关电器的绝缘

2.1绝缘与电场

2.2气体绝缘

2.2.1均匀场和稍不均匀场中的气体击穿

2.2.2稍不均匀场中SF6气体击穿电压计算

2.2.3SF6断路器的空载介质恢复

2.2.4气体中固体绝缘的沿面闪络

2.2.5气体绝缘新技术

2.3真空灭弧室绝缘

2.3.1真空间隙的击穿机理

2.3.2真空灭弧室的老练

2.3.3触头间隙的击穿特性

2.3.4触头与主屏蔽罩间隙

2.3.5端部屏蔽罩与主屏蔽罩间隙

2.3.6面积效应与真空间隙绝缘优化

2.3.7真空中固体绝缘的沿面闪络

2.3.8真空灭弧室外壳的绝缘包封

参考文献

第3章开关电器的发热

3.1开关电器的发热与温度场

3.2开关电器的允许温升

3.3开关电器的生热

3.3.1电阻损耗

3.3.2铁磁损耗

3.3.3介质损耗

3.4开关电器中的热传递

3.4.1热传导

3.4.2热对流

3.4.3热辐射

3.5导热问题的数学模型

3.5.1导热微分方程

3.5.2单值性条件

3.6电器的热计算

3.6.1热计算的牛顿公式

3.6.2热计算的数值方法

3.7交流接触器稳态温度场分析

3.7.1接触器的结构

3.7.2热分析模型的建立

3.7.3热参数的计算

3.7.4表面对流换热系数的计算

3.7.5仿真结果与实验验证

3.8真空断路器稳态温度场分析

3.8.1真空断路器的结构

3.8.2真空断路器的温度场模拟

3.8.3真空断路器温度场的影响因素分析

3.9熔断器弧前安秒特性的仿真与实验

3.9.1熔体弧前过程的数学建模

3.9.2熔体弧前过程的温度场数学模型

3.9.3熔体弧前过程的热电耦合模型

3.9.4熔体相变过程的处理方法

3.9.5基于ANSYS软件的弧前热电耦合分析

3.9.6仿真结果与分析

参考文献

第4章开关电器的磁场

4.1典型导体的电动力计算

4.1.1平行导体电动力

4.1.2垂直导体电动力

4.1.3平板对接触头电动力

4.1.4插入式触指电动力

4.1.5三相导体的电动力

4.2真空电弧与磁场

4.2.1真空灭弧室的磁场与开断能力

4.2.2真空电弧触头立体角、阳极斑点和纵向磁场

4.2.3真空灭弧室开断短路电流的纵向磁场判据

4.3开关电器中的电磁铁

4.3.1磁路分析与计算

4.3.2磁场分析与计算

4.3.3电磁系统的吸力

4.3.4电磁系统动态特性的分析计算

4.3.5交流接触器电磁铁静态特性的分析

4.4电磁脱扣器特性分析

4.4.1拍合式电磁脱扣器

4.4.2电磁脱扣器静态特性计算

4.4.3电磁脱扣器保护特性计算

4.4.4电磁脱扣器保护特性分析

参考文献

第5章开关电器的运动

5.1开关电器操动机构应满足的要求

5.1.1合闸要求

5.1.2分闸要求

5.1.3自由脱扣、防跳跃、复位和联锁

5.2断路器弹簧操动机构

5.2.1弹簧操动机构与其他操动机构的比较

5.2.2弹簧操动机构设计中的关键问题

5.2.3典型的断路器弹簧操动机构

5.3机构运动特性分析的能量平衡法

5.3.1分析过程

5.3.2归算方法

5.3.3计算示例

5.4弹簧操动机构关键部件设计

5.4.1凸轮机构设计

5.4.2锁扣、脱扣机构设计

5.4.3缓冲器设计

5.4.4储能机构设计

5.5真空断路器弹簧操动机构运动特性分析与优化

5.5.1虚拟样机仿真与分析

5.5.2实现预定的分闸角速度

5.5.3断路器的柔性分析

5.6低压塑壳断路器弹簧操动机构

动态特性仿真与优化

参考文献

第6章教学实验

6.1仿真实验

6.1.1电场分析

6.1.2温度场分析

6.1.3磁场分析

6.1.4机构运动分析

6.2物理实验

6.2.1断路器开断能力试验

6.2.2纵向磁场对真空电弧的影响

加作者照片

刘志远，西安交通大学教授，博士生导师，从事开关电器领域方向的教学与科研工作。2015年获*技术发明一等奖（第3完成人），2003年获*科技进步二等奖（第4完成人）。主持国家自然科学基金面上项目3项。在国内外发表学术论文200余篇，其中SCI收录50余篇，EI收录120余篇。授权中国发明专利30余项，美国发明专利1项。2014年获第十六届中国专利奖奖。

纽春萍，西安交通大学副教授，博士生导师，从事开关电器领域方向的教学与科研工作。2016年获国家技术发明二等奖（第4完成人），2015年获陕西省技术发明一等奖（第4完成人）。主持国家自然科学基金面上项目2项。在国内外发表学术论文30余篇，其中SCI收录10余篇。授权中国发明专利10余项。

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前言

前言自从人们利用电能以来，就产生了对开关电器的需求，如导通电路和切断电路。随着我国国民经济的高速增长，电力行业也迅猛发展。伴随着电力行业的发展，开关电器制造业中的新产品、新技术层出不穷。与此同时，开关电器工程师也面临着更多的困惑：如果产品没有通过型式试验考核，应该从哪方面入手改进？又如何改进？如果产品通过了型式试验考核，但是产品的设计参数、材料选择和工艺参数很多都缺乏理论依据；即使产品通过了型式试验考核，产品会不会稳定可靠地运行？大量的基础研究成果有可能为解决上述困惑提供理论依据。本书旨在采用开关电器现代设计方法搭建一座“桥梁”，这座桥梁的一端连接开关电器产品的设计需求，另一端连接相关基础研究成果。这座桥梁一方面可为开关电器产品设计开发提供理论依据，使产品性能更优，质量更为可靠；另一方面，开关电器新产品与新技术的开发又为基础研究指引了方向，使基础研究更加有针对性。本书通过对开关电器现代设计方法进行归纳和总结，突出开关电器中各种物理现象的机理，为开关电器制造行业的工程师提供一个新的视角。

开关电器在工作中的主要任务是承担额定电压并导通额定电流，处于一种静止状态，因此本书从电器的静态特性入手，包括电器的绝缘特性和发热特性，这些内容构成了第2章和第3章。有时开关电器需要分断电路，此时的动态特性就变得尤为关键，如电弧与磁场的相互作用，以及电器的运动特性等内容构成了第4章和第5章。后，本书第6章专门讨论了课程教学实验，该教学实验有助于学生掌握开关电器现代设计方法，从而为将来在工作中运用该方法打下良好基础。对于开关电器行业的工程技术人员，本书希望从“开关电器现代设计方法”的视角为开关电器产品的研究和开发提供思路。希望通过本书的启发，开关电器工程师们不仅能够研发出独具特色的新产品，还能创造出属于自己的“现代设计方法”，助力中国从开关电器的制造大国转型为开关电器的制造强国。