针对电器设备的现代设计方法，通过课堂介绍电器设备的基础理论和分析方法，以及开关电器设计中的关键问题。结合工程实例，通过实验和课堂了解利用常用的通用分析软件ANSYS、机构动力学分析软件ADAMS和电磁场分析软件ANSOFT进行电器设备的仿真设计。使学生对电器设备的现代化设计方法有系统而全面的认识。

本书可作为高等学校电气工程专业本科生“现代电器设计方法”课程的教材。开设此课程的目的是采用开关电器现代设计方法搭建一座桥梁，将开关电器产品的设计与相关的基础研究成果联系起来。书中既涵盖开关电器的静态特性（电器的绝缘特性和发热特性），又覆盖开关电器的动态特性（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。本书希望通过“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。
作者简介
刘志远，西安交通大学教授，博士生导师，从事开关电器领域的教学与科研工作。2015年获教育部技术发明一等奖（第3完成人），2003年获教育部科技进步二等奖（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优秀奖。
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两项。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。

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。最后，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。

电子与电气工程

本书可作为高等学校电气工程专业本科生“现代电器设计方法”课程的教材。开设此课程的目的是采用开关电器现代设计方法搭建一座桥梁，将开关电器产品的设计与相关的基础研究成果联系起来。书中既涵盖开关电器的静态特性（电器的绝缘特性和发热特性），又覆盖开关电器的动态特性（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。本书希望通过“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。

刘志远 纽春萍 编著：
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年获教育部技术发明一等奖（第3完成人），2003年获教育部科技进步二等奖（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优秀奖。 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。

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