新型单稳态永磁操动机构的研究

新型单稳态永磁操动机构的研究

工作面，增加了静态吸力并减小了启动电流。应用有限元软件对新型单稳态永磁机构进行了静态磁场分析和动态特性仿真，给出了理论计算与实验结果对比，证明了计算结果的准确与可靠。

【关键词】永磁机构单稳态新型磁材

永磁操动机构结构简单、零部件少、可靠性高、操作寿命长、动作分散性小，非常适合配用真空断路器，目前已广泛的应用于中等电压等级的真空断路器上。按照永磁机构在分合闸位置的保持方式的不同，可分为双稳态和单稳态永磁机构。双稳态是指动铁芯在开断与关合行程的2个位置，不需要任何能量或锁扣即可保持；单稳态是指永久磁能只处于合闸位置的保持，而分闸位置要靠分闸弹簧保持。对比这两种永磁操动机构，可知在合闸动作时动作特性较为相似，都是通过线圈产生的电磁力合闸，永磁磁力保持。而在分闸时动作特性存在较大差别，单稳态永磁机构的分闸速度特性跟弹簧操动机构比较相似，刚分点前加速，刚分点后减速。通过合理设计分闸及触头弹簧参数可获得理想的分闸速度曲线。双稳态永磁机构却存在刚分速度不足，分闸末端速度过快的缺点，并且双稳态永磁机构一次分合闸循环的能耗明显高于单稳态永磁机构，因此单稳态永磁操动机构更适合于与真空断路器配合。

现有单稳态永磁操动机构使用的是钕铁硼永磁材料，这种材料往往是事先充磁然后再装配到机构上使用。而单稳态永磁操动机构在分闸过程中需要对永磁体去磁以合闸减小保持力完成分闸，由于多次分合闸操作极易造成永磁体的退磁，这一问题始终困扰着设计人员。本文应用了一种可反复充退磁的新型永磁材料来替代钕铁硼，设计了新的磁路结构。并对样机进行了模拟仿真和试验测试，给出了仿真和试验结果。

1 结构与原理

1.1 结构设计

永磁操动机构之所以比弹簧机构可靠主要是由于永磁机构的零部件少故障率低。新型单稳态永磁操动机构与断路器的连接采用直动式，可以得到最大的传动效率（约95%），而且也可使机构的分合闸动作的时间分散性减到最低，有利于断路器的同步关合。本操动机构由7部分组成如图1所示。图示机构处于合闸位置，动铁心1的端面由两部分组成，最上端凸面部分为机构合闸位置时的永磁力保持工作面，凹面部分和凸面部分共同构成机构合闸时电磁力吸合工作面。新型的永磁材料被设计成圆筒形磁环3，它与上盖板2，铁心1和下盖板4构成低磁阻抗通道使机构保持在合闸状态。线圈5放置在磁环3与上盖板2、下盖板4、铁心1构成的空腔内部，它不仅在机构的分、合闸过程中提供能量，还可以在合、分闸过程中为永磁体3充磁和部分去磁。因为永磁体3具有可反复充磁和去磁的特性。下盖板4可起到对动铁心进行分闸位置的限位的作用，它具有与线圈5一样的倾角，这种设计是为了减小漏磁。非磁性材料的驱动轴7深入铁心内部，在铁心1和驱动轴7之间有高强度塑性材料制成的连接体6，这一连接体可以使铁心1在分合闸动作时带动驱动轴7同步动作。

1.2 工作原理

1.2.1 合闸操作

分闸位置时，永磁机构的动铁心1的外突起部分由下盖板4的圆锥面卡住被限制在位置。当断路器需要合闸时，由充满电的电容器经过电子开关器件与线圈5形成的闭合回路进行放电，线圈5流过电流产生电磁场，磁力线经过动铁心1、气隙、上盖板2、永磁体3、下盖板4构成的磁路通道，在铁心1与上盖板2之间产生吸力。当电磁吸力大于分闸弹簧反力时铁心1启动，带动绝缘拉杆、动导电杆及动触头向合闸方向运动。当动静触头接触后，动触头停止运动，但动铁心继续运动2mm的超程，压缩触头的压力弹簧。当动铁心1的凸

面和上盖板2接触后磁路闭合。永磁体3在合闸的过程中由线圈产生的磁场进行了轴向充磁，当永磁体被充至饱和时线圈断电。永磁体的剩磁磁力使贴心保持在合闸位置。

1.2.2 分闸操作

分闸操作时，由分闸电容器向机构线圈5注入向脉冲电流。这个电流将会对磁性材料产生部分消磁效应，减小合闸保持力，当合闸保持力小于分闸弹簧和触头压力弹簧的反力时动铁心带动动触头向分闸方向运动。在分闸弹簧和触头弹簧的共同作用下铁心加速运动，动静触头分离，这时触头弹簧变成内力不再起作用，由分闸弹簧单独带动铁心继续分闸运动，分闸最后下盖板4对铁心进行限位，铁心由分闸弹簧保持在分闸位置。

2 静态特性计算

新型单稳态永磁操动机构为圆柱形，具有轴对称的特点所以采用轴对称场计算。在圆柱坐标（z，r）下，可表示为：

（2-1）

式中J为源电流密度，v为磁阻率，边界条件为：

一类边界上：

（2-2）

二类边界上：

（2-3）

在轴对称场中矢量磁位A只有方向分量。作用在动铁芯上的电磁吸力采用轴对称坐标下的麦克斯韦应力张量方法计算。

合闸静态保持力的计算是永磁操动机构设计的第一步，它决定了永磁机构的结构尺寸。在合闸状态下保持力F为定值，假设一个气隙磁密Bδ根据马氏公式（2-4）来计算铁心的导磁截面积，通过反复迭代找出一个最优值。

（2-4）

式中

F—永磁机构的分闸保持力（N）；

Sc—动铁心的导磁面积（m2）；

Bδ—工作气隙磁通密度（T）；

μ0—真空中的磁导率。

由公式（2-4）可知在保持力F一定的情况下气隙磁密Bδ与动铁心导磁面积成反比。在合闸状态下可以使铁心材料接近磁饱和，可以减小铁心的导磁面积，而在分闸状态气隙磁阻较大，铁心磁密不饱和，可以扩大铁心的面积减小气隙磁密，进而降低机构的启动电流值。因此在本设计中把铁心的导磁截面分成两部分（见图1）：1.永磁保持工作面；2电磁力吸合工作面。

应用有限元软件对机构模型进行了参数化分析得出了最优的永磁保持工作面面积如图2a所示，得到的最大静态保持力为2260N，最优保持面积为16.05cm2。图2b为永磁体单独作用时吸力随气隙变化曲线，从此图可以看出，铁心受力随着气隙的增大衰减很快，这样有利于减小分闸阻力提高刚分速度。

3 动态特性计算与实验结果分析

在有限元软件中对所设计的机构的动态特性进行了仿真，为了验证仿真结果的正确性，对设计的12kV/2000A/31.5kA永磁机构断路器样机的动态特性进行了测试。图3表示了计算结果与实验机构测试结果的对比。

由此图可以证明，有限元软件计算的结果和实际结构接近，证明软件应用的正确性，由图也可以看出，所设计的机构满足断路器的性能要求，证明所设计机构是合理的。

4 结语