随着地铁的大规模建设,地铁供电系统的设备国产化也逐渐成为国家的重点研究项目。由于地铁一般采用直流供电系统,而直流断路器是直流供电系统中极其重要的保护设备,因此直流断路器的研制具有十分重要的意义。本文主要采用CAE技术对直流断路器的主要组成部分(即触头系统、灭弧系统、永磁操作机构和过流脱扣器)进行设计和仿真分析。通过对直流断路器的结构和工作原理的研究,首先确定直流断路器的触头材料和触头的开距、压力、几何尺寸以及超程等主要参数。根据直流电弧的熄弧特点,本文选择了金属栅片灭弧室,并对金属栅片进行了设计,分析了金属栅片选用不同材料时,灭弧室内的磁场分布情况。计算了栅片中有电弧存在时灭弧室内的电场分布,并对触头拐角做钝化处理,这可以有效的降低灭弧室内的最大电场强度值,防止燃弧期间的背后击穿现象。其次,根据单稳态永磁机构的工作原理,对单稳态永磁机构进行设计。通过对永磁机构的静态分析,计算了合闸保持力,并分析了在分合闸位置时的磁场分布情况。计算永磁机构的动态特性,得出了动铁心所受吸力与时间的变化关系。以此为加载条件,应用动力学仿真软件Adams对直流断路器建立虚拟样机运动模型,从而计算出直流断路器动触头的动态特性,获得了分合闸时动触头的运动曲线。最后,通过对过流脱扣器结构的研究,选择了以衔铁的打开位置作为过流脱扣器的设计点。以衔铁的体积最小为优化目标,以衔铁所受吸力为约束条件。采用一阶优化方法对过流脱扣器行进优化设计。考虑直流断路器短路时电流随时间的变化情况,对优化设计的结构进行动态特性仿真分析,仿真结果表明该过流脱扣器满足设计要求。