浅析高压开关新型操动机构的设计

浅析高压开关新型操动机构的设计
摘要：现阶段国内使用的高压隔离开关大多都是加速或减速开关，不仅零件较多，成本较高，并且发生故障的概率较大。

因此，为了提升隔离开关的安全性、
可控性以及实用性，经过相关学者多年的探索和研究，设计出一种高压开关新型
操动机构。

本文主要对高压开关新型操动机构的设计原理、设计要求，以及定、
转子结构的相关参数进行分析研究，希望能够为高压开关新型操动机构的设计、
研究以及生产应用提供有价值的信息。

关键词：高压开关；新型操动机构；设计
前言
在科学技术不断发展的今天，各种新型的仪器设备被广泛的使用于各行各业。

电机机构作为开关设备的主要组成部分，电机机构质量和相关性能的好坏直接关
系到开关设备的使用期限和性能。

现阶段传统的高压开关在使用过程中，存在很
多电机构问题，例如，传动机构灵动性不足、输出力矩较小、合闸不到位以及自
动化程度较低等，不能够更好的适应电力企业的运行要求。

下面对高压开关新型
操动机构的设计进行分析研究。

1.高压开关新型操动机构的设计
本文主要针对三柱式隔离开关的操动机机构的设计进行分析研究，如下图所示，图1为新型高压开关电机机构的原理图，图2为新型高压开关的总体图。

这
种新型的机构是利用电子器原件直接控制驱动隔离器的操作杆，当控制单元发出
分合闸信号时，得到信号的电动机构就会实现分合闸操作。

隔离开关的触头运动
到分闸或者合闸位置时，相关信号就会传输到检测器上，控制系统就会发出停止
信号，电动机机构发生停电停转，机构就完成了分闸、合闸操作。

图2 电机总体结构图
现阶段，使用的隔离开关的转速为4-10r/min，输出的力矩为1000N?m，目前，国内研究较多就是低转速的电动机50-90r/min，由于转速较低导致无法满足
企业的使用要求。

本文设计的高压开关新型操动机构是建立在永磁无刷直流电机
的背景下，从而提出了低转速大力矩的电动机构。

目前，国内使用的高压隔离开
关工作时间较短，从电动机机构起始到停止只运转几秒钟，导致不能够把起动机
的性能发挥到最大。

因此，为了满足电力企业的运行要求，本文提供了电机的主
要参数，例如，电磁负荷、总导体数以及长细避等参数的选取方法，从而使电动
机的主要性能发挥到最大。

1.1新型操动机结构的设计
1.1.1新型操动机结构定子的设计
永磁无刷电机主要分为两相和三相导通两种工作方式，两相导通工作方式在
运行过程中，其中只有一相绕组没有电流；三相导通工作方式在运行过程中，其
中只有一相是接通电流的，另外两相接通的电流只有规定的一半；此外，绕组中
通有的是正弦电流。

通过这样改变绕组电流的形式，能够使绕组电流的电磁力矩
达到最大。

当同一电极下绕组电流方向相同时，此时电机的输出力矩最大。

但是随着电
机转子的运转，当同一电极下有两股相同绕组电流时，电磁力矩就会相互抵消，
电磁力矩就会逐渐减小。

因此，为了避免电磁力矩减小，导致电动机性能降低的
情况出现，采用相应的措施使部分绕组转换方向，使每一个电极下绕组方向尽可
能保持一致。

其中电磁绕组分为几个换相单元，如果在运行过程中，一个绕组会经过另外
一个绕组，然后再转到下一个绕组，这时可以通过改变电路绕组的方向从而产生
方向电流，使电动机机构在稳定状态下输出。

1.1.2新型操动机结构转子的设计
转子励磁一般使用永磁体励磁，而不使用电励磁的主要原因有两个方面，（1）永磁体在运转过程中可以产生较大的磁通密度；（2）使用永磁体励磁结构，当没有励磁电流时，不仅可以减少无励磁损耗，还可以减少做无用功的情况出现，使转子的结构的维护保养更加简单有效。

永磁体励磁结构转子主要分为瓦性永磁体径向转子、矩形永磁体切向转子、
环形永磁体径向转子以及矩形永磁体混合式磁化转子。

（1）瓦性永磁体径向转
子具有漏磁现象较少、极弧系数容易控制、电枢反应电感小以及机械性能较强等
特点；（2）矩形永磁体切向转子具有漏磁现象较多、设计成本高以及机械特性
较软，但是产生的磁通化较大；（3）环形永磁体径向转子和瓦性永磁体径向转
子特点基本相同，不同的是极间有一些永磁体使用没有具体作用，但是精确度较高，且加工使用较为方便；（4）矩形永磁体混合式磁化转子具有径向磁化和切
向磁化共同的特点，不仅机构复杂，而且生产成本较高。

本文讲授的新型操动机
结构转子设计为瓦性永磁体径向转子。

1.2新型操动机结构主要参数的选取
1.2.1电磁负荷参数的选取
对于两个相同功率的操动机，功率密度越高，输出功率的速度越快，电动机
的体积越小。

因此，我们可以通过提升电负荷、磁负荷以及提高极数等方法，达
到提升电磁密度，减小电动机体积的目的。

但是，同时要考虑随着电负荷的增加，电机的铜材料消耗就会增加；磁负荷的增加，电机的铁材料消耗就会增加，从而
影响电动机的工作效率。

因此，为了减小电机体积，电负荷可以选取2500-
4000A/cm，并且可以使用高剩磁稀土永磁体，通过增加永磁体的厚度，从而提高
气隙密度，那么磁负荷可以选取1-1.5T，大概是普通电磁设计的1.5倍。

当增加
永磁体厚度时，电枢电感就会随着降低，电枢电感的较小能够避免磁体的畸变，
能够提升电机伺服性能和机械性能。

增加电磁负荷和电机极数，能够增加电机的
功率密度，减小电机的体积。

1.2.2总导线的数和绕组直径的选择
当电动机的体积相同时，能够确定铁心的长度，并且可以结合电磁负荷和输
出力矩确定电机绕组的总匝数，新型操动机的电机总匝数可以选择为400-600之间，就能够满足隔离开关的转矩需求。

此外，还可以根据电机的额定电流和外加
电压，确定绕线圈的总电阻，并且能够根据电动机的结构和相关的实验数据得出，如果要想电动机的电流达到100A以上，绕线圈的电阻不能够大于1Ω。

此时，能
够根据电阻数和线圈长度，得到电阻的直径大于在1-1.3mm。

1.2.3气隙和极弧系数的选取
气隙作为电动机中电能的转换场地，当气隙磁导率较低时，气隙就会增大，
同时气隙中的磁密度就会减小。

此外，气隙越大，电枢反应对于磁场的影响就会
越小，电枢磁势对于永磁体的影响就会越小，气隙就会越小，对于生产和安装的
要求就越高。

本文设计的新型操动机的气隙为1mm以内，极弧系数越大，电机
的功率就越大，转矩的脉动就越小，本文设计高压开关操动机构的极弧系数为
0.8。

1.2.4永磁厚度和电机体积的确定
电机所使用的磁体都是由永磁体产生的，因为，为了使电机中有足够的磁通
和磁密度，永磁体的厚度就需要达到相应要求。

对于磁路和电机结构的计算和分析，能够分析出气隙密度的大小。

然后根据相应的计算结果，确定相应的永磁体
厚度，使气密度达到设计要求，本文的电机设计永磁体的度控制在6-10mm之间。

可以根据定子内径和气隙的大小，从而确定转子的内径。

此外，为了避免齿部磁
密度饱和情况的出现，通过磁路的计算结果能够确定齿部的厚度，最后根据齿部
的厚度还可以确定定子和转子内径。

1.3操动机基槽配合的分析
根据电机的体积和磁路的计算结果，永磁体的极数可以选择2、4、6极。

为
了避免电机转子转动时间过长不出现转相，或者转矩输出较低的情况出现，可以
将转子分成多相，达到及时更换的目的。

但是，要主要绕组的数量不能太多，避
免出现系统故障。

为了解决上述问题，本文制定出4个不同的方案，从下表中可
以看出四级三相和四级四项的性能较好。

2.操动机的仿真分析
通过上文的分析研究可以看出，结合电机运行磁场的分析计算结果，能确定相关电磁设
计是否合理，既不发生饱和现象，也不出现饱和过低的现象，从而使相关材料能够充分使用，确保电机的各方面性能达到最佳。

使用相关的模拟软件建立电机机构，根据相关的数据和条
件对于磁场进行确定。

在进行电机磁路设计时，使永磁体、气隙、定子和转子等形成一个闭
合的磁路，避免漏磁现象的出现。

3.结束语
本文主要以高压隔离开关的操作要求为依据，提出了新型操动机构的设计原理、相关参
数的选取要求以及注意事项，希望能够为智能电网的发展提供有价值的信息。

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