新型单稳态永磁操动机构的研究
单稳态永磁机构的动态特性仿真及性能优化
图 １ 两种单稳态永磁机构原 理
图 ３ 改进 型单稳态永磁机构控制 电路
以合 闸过 程 为例 ， 磁 回路 电压平衡 方 程为 ： 励 传统 的 Ｖ Ｍ１型 永 磁 机构 驱 动杆 通 过 拐臂 与
：Ｕ — Ｒ ｃ ｉ （） ３
真空灭弧室连接 ， 在分闸位置靠永磁体提供的静
态永 磁 吸力保 持 ． 进 型单 稳 态 永 磁 机 构 的 动铁 改 芯通 过绝 缘拉 杆 直接 连 接 灭 弧 室 侧 的 动 导 电杆 ， 在 分 闸位 置 时 由预压 缩 的分 闸 弹 簧 提供 保 持 力 ， 改进 型单 稳态 永磁机 构如 图 ２所 示 ．
（） ２
１ 改进 型 单稳 态 永 磁 机 构
本 文针 对 直动 式 ｌ Ｖ 真 空 断路 器 ， 绍 了 ２ｋ 介
式 中 ：—— 动铁 心 位移 ； ｓ
ｉ —励 磁 电流． —
使用 Ａ ｓ ｔ ｎｏ 中的瞬 态磁 场分 析模 块 ， ｆ 通过
Ｍａｗ ｌＣｒｕｔ ｄｔｒ 励磁 电路耦 合 ， ｘ ｅ ｉ ｉＥ ｉ 将 ｌ ｃ ｏ 求解 动 铁 芯 电磁力 和线 圈 耦合 磁 链 ． 过 二维 数 据 网格 变 通
近 年来 ， 种用 于真 空断 路器 的永 磁保 持 、 一 电 子控 制 的 电 磁操 动 机构 （ 磁 操 作 机 构 ） 受 关 永 备 注 ． 据 其 工作 原 理 可 以分 为双 稳 态 和单 稳 态 永 根 磁机 构 ， 由于单 稳 态永 磁 机 构 的分 闸速 度 特 性 具
收 稿 日期 ：２ １ ０ ０ １— ７一ｏ ５
求 电源提 供较 大 的励磁 电流 ． 另外 ， 励磁 线 圈 和永 磁 体 为上下 布置 ， 了得到较 大 的合 闸保 持力 ， 为 必 须 加大 永磁 体 的体 积 ， 将 直 接影 响永 磁 操 动 机 这
新一代单稳态永磁机构真空断路器
新一代单稳态永磁机构真空断路器Alexy M. CHAL Y1)Oleg I. CHERVINSKYI2)Victor N. POLUY ANOV3)俄罗斯IG Tavrada电气E-mail: cam@1), coi@2), pvn@tavrad3)[摘要] 本文介绍了配新型永磁机构的新一代真空断路器的设计与参数。
操作机构选用硬磁合金的磁系统，机构采用永磁磁通进行合闸保持，利用分闸弹簧进行分闸保持。
单线圈可提供基于励磁电流方向的分合操作。
断路器（VCB）各相有单独的操作机构，机构通过同步操作轴连接，同步操作轴设有辅助开关与联锁控制。
该设计使产品机械寿命长，整个寿命周期内免维护。
1引言真空开关技术的发展使VCB具有如下众所周知的特点：●免维护的灭弧室设计；●绝缘强度高，灭弧室尺寸减小；●开断能力强[最高达100kA(有效值)]1）；●触头烧蚀显著降低，电寿命增长；●触头行程减小，从而简化了操作机构，降低了操作功；由于老式弹簧机构的使用，上述特点在VCB 引入的前十年间并没有直接带来VCB的免维护。
在80年代末期，本文作者曾将单线圈永磁机构用于VCB2），采用传统的磁性材料与体积较大的轭铁，首次导入免维护VCB理念，并申请了专利。
但该设计由于受永磁机构保持力的限制，开断电流仅限于20kA。
后来出现了与之并行的永磁机构理念——双稳态永磁机构，该设计可以提供所需的保持力，但它需要使用稀土永磁体，层压轭铁以及双线圈结构。
这些特点使机构成本增加，设计复杂。
本文介绍了应用于VCB的单线圈永磁机构的设计理念及其基本参数。
2机构设计机构的核心是两个硬磁合金制成的中等能量的永磁体——磁轭与衔铁，它能提供230千克以上的锁扣力。
磁轭内设有给机构提供操作功的单线圈。
在合闸位置，磁力集中在磁轭—衔铁的接触部位，并提供所需的锁扣力。
见图1。
3操作原理3.1分闸位置在分闸位置，机构通过分闸弹簧的残余机械力实现分闸保持（见图1），此时无电能损耗。
双稳态及单稳态永磁操动机构的研究
｛ＦｅｉＨＪ，ｚｈａ“ｇＧ ｓ Ａｎａｌｙ鼬９ ａｎｄ ｃａｌｃＩｌｌａｔＩｏｎ ｏｆｄｙｎ枷ｉｃｂ
Ｉｎｄ∞时Ｂ００ｋ㈣ｍ，１９９３．） ｈａｖｉｏｒ ０ｆ ｅｌｅｃｔｒｏ眦ｇⅡｅｔｊｃ舵ｔｕａｔｏｒ【Ｍ １ Ｂｅｑｉ“Ｅ：Ｅｒ岈眦ｒ
【７］高会军中压断路器永磁操动机构的研制及动态特性 计算与分析【Ｄ】沈阳：沈阳工业大学．２００ｌ
图１ 双稳态永磁操作机构的剖面简图 Ｆｉｇ ｌ ＳⅡｗ【ｕｒｅ ｏｆ ｂｌｓｔａｂｌｅ ＰＭＡ
ｉ一静铁芯；２一动铁芯；３，４一永磁体；５一舒闸线圈 ６一合闸线圈；７一出力杆
收稿日期：２００ｌ—０６ ｌｌ 作者筒介：卢芸Ｌ１９６３一），女，辽宁沈阳人、沈阳【．业大学寸｝师，博士生
万方数据
１０４
沈阳工业大学学报
吵＝五（ｉ，６）
Ｆ，。＝正（阢）
警＝一（～挑％，训
其中ｕ。为电容两端电压；ｋ哕分别为线圈电流 和电磁系统全磁链；ｆ为时间；ｍ为系统运动部 件归算为铁芯处的质量；ｚ为动铁芯位移；Ｆ。。 ｎ分别为铁芯受到的电磁吸力和运动反力，弹簧 负载反力是位移的＊函数，而空气阻力则是速度 ｄｘ／ｄｆ的函数；矾为电磁系统的磁能，是妒，。 的函数；毋，诜分别为线圈工作温度和周围环境 温度；Ｊｐ为永磁机构的功耗；ｃ为电容的电容量； Ｄ。，Ｈ。分别为线圈外径和高度
４结论
通过计算和对比分析，总结出了双稳态和单 稳态永磁操动机构的主要差别：在相同的传动机 构条件下，单稳态永磁操动机构所需的保持力比 双稳态永磁操动机构要大，不利于缩小机构和永 磁体的尺寸．在合闸时动作特性上两种机构较为 相似，分闸时特性存在较大差异双稳态永磁操 动机构与断路器的负荷特性不相匹配，单稳态永 磁操动机构的分闸速度特性与弹簧操动机构较为
上、下极限位置，而不需要任何机械联锁 当有动 作信号时，合闸或分闸线圈中的电流产生磁势，动、 静铁芯中由线圈产生的磁场与永磁体产生的磁场 叠加合成，动铁芯连同固定在上面的驱动杆．在台 成磁场力的作用下，在规定的时间内以规定的速度 驱动开关本体完成开合任务．此机构之所以被称 为双稳态结构，是由于动铁芯在行程终止的两个位 置，不需要消耗任何能量即可保持单稳态永磁操 动机构与双稳态永磁操动机构的最大区别在于机 构中设有分闸弹簧，并采用了单线圈结构在此单 稳态永磁操动机构中分合闸采用同一个线圈，通过 给线圈通不同方向的电流来实现分台闸操作．
管理资料永磁操动机构汇编
研发永磁操动机构的意义
与电磁操动机构和弹簧操动机构相比，永磁操动机构具有如下优 点： ? 结构简单，运动部件少，机械可靠性大大提高。（国际大电网会 议组织的国际调查表明，机械故障高达总故障的70. 3%，如果包 括辅助电器和控制回路的故障，则为89.4％ ） ? 采用永磁作为保持力，不会产生传统机构的操作失误，方便实现 免维护运行。 ? 输出特性和真空断路器的开关机械特性相匹配，能够达到良好的 速度特性。 ? 传动机构十分简单，由分合闸线圈的励磁电流产生的磁场直接驱 动动铁芯，动铁芯又直接和主轴相连。由于动作部件少，具有更 好的可控性， ? 为断路器实现智能控制打下了基础。
? ABB公司的VM1型开关的机构即采用此种结构。
双线圈永磁机构的结构简图 1、驱动杆 2、工作气隙I 3、合闸线圈 4、永磁体 5、动铁芯 6、静铁芯 7、分闸线圈 8、工作气隙II
双线圈式永磁操动机构
? 当断路器处于合闸位置时，如图(a)所示，永久磁铁利用动、静铁 芯及工作气隙I提供的低磁阻抗通道将动铁芯保持在合闸位置。当 机构接到分闸命令时，分闸线圈7通电。分闸线圈在工作气隙I产 生的磁感应强度的方向与永磁材料所产生的磁感应强度的方向相 反。当分闸线圈的电流达到某一值时，使动铁芯在工作气隙 II处 产生的向下的吸力大于在工作气隙 I处向上的吸力时，动铁芯开始 向下运动，并且随着位移的增加，工作气隙II的磁阻逐渐减小， 磁感应强度越来越大，动铁芯向下呈加速运动。当动铁芯运动至 超过运动行程一半以后，如图 (b)所示，永磁体在工作气隙II处产 生的磁感应强度大于在工作气隙I处的磁感应强度，于是进一步加 速了动铁芯的运动速度，直到分闸到位，如图 (c)所示。当切断 分闸线圈中的电流后，动铁芯在永磁体的单独作用下将自动保持 在分闸位置上。
一种新型永磁驱动操作机构及其控制方案
引入永磁体进行分合闸状态保 作机构的基础上 ， 持的 ， 取 消 了 脱 扣、 锁 扣 装 置， 从而使机构的可靠 性大大提高
［ ３ － ４］
。 与传统操作机构相比 ， 永磁电动
操作 机 构 由 于 具 有 结 构 简 单 、 性 能 可 靠、 寿 命 长、 合闸一致性好等 优 点 ， 近年来被越来越多地应用 于真空断路器中
图 ３ 带有新型永磁驱动操作机构断路器的示意图
图４是新型永 磁驱 动 操 作 机 构 应 用于 １ ０ ｋ Ｖ 真空断路 器的 物 理 样 机 实 物 图。其 中， 真空灭弧 室置 于 安 装 支 架 上 新型永磁驱动操 方、 作机 构 置 于 安 装 支 架内部 。 当新型永磁驱 动操 作 机 构 需 要 进 行 合 闸 操 作 时， 只需
１ ０］ ， 工作气隙比较长 ［ 动铁芯不 易 获 得 满 足 真 空 灭
通常采用的方法 弧室开断要 求 的 机 械 功 。 为 此 ， 是增加线圈中的 电 流 ， 但这会导致操作机构进行 分合闸 所 需 的 线 圈 电 流 很 大 。 为 了 解 决 上 述 问 ］ ］ 题， 文献 ［ 和［ 分别提出了一种四线圈双 １ ０ － １ ２ １ ３ 稳态永磁电动操作机构和一种设有磁分路的永磁 电动操作机构 。 典型永磁电 动 操 作 机 构 进 行 分 合 闸 操 作 时 ， 永磁体的吸力会 起 阻 碍 作 用 ， 对提高机构分合闸 速度 、 缩短分合闸时间不利 。 为了解决上述问题 ， ］ 文献 ［ 提出了一种配有磁短路环的永磁电动操 １ ４ 作机构 。 在高压真空断 路 器 中 ， 为了增加分合闸驱动 力一般希望磁气 隙 较 小 ， 而真空灭弧又需要尽量 增加动静触 头 开 距 ， 即 增 加 操 作 机 构 的 行 程。为 了在保持永磁操作机构动静铁芯之间磁场垂直距 磁气隙 ） 不变的前提下加大动铁芯的有效驱动 离（ ］ 行程 ， 文献 ［ 提出了一种不对称结构的永磁操 １ ５ 作机构 。 上述研究成果 的 共 同 特 点 是 ： 以增加结构复 杂性 、 牺牲可靠性为代价 ， 换取了比典型永磁电动 操作机构更强的 分 合 闸 能 力 ； 但同时也没能改变 典型永磁电动操 作 机 构 因 容 易 加 速 、 不易减速而 导致分合闸特性不够理想的现状 。
单稳态永磁机构的动态特性仿真及性能优化
单稳态永磁机构的动态特性仿真及性能优化张超;淡淑恒;李翔宇;唐新龙【摘要】基于12 kV直动式真空断路器的动作特性,介绍了一种改进型单稳态永磁机构.利用ADAMS中建立的真空断路器模型,结合MATLAB实现了多场耦合动态仿真.在触头弹簧的不同安装方式下,选取电容与分闸弹簧参数的不同组合进行断路器分合闸的动态仿真.仿真结果表明:电容容量对合闸特性影响较大;分闸弹簧刚度系数对分闸特性影响较大;触头弹簧安装在动端侧有利于提高刚分速度;触头弹簧安装在静端侧有利于降低刚合速度.【期刊名称】《上海电力学院学报》【年(卷),期】2012(028)002【总页数】4页(P125-128)【关键词】单稳态永磁机构;触头弹簧;联合仿真【作者】张超;淡淑恒;李翔宇;唐新龙【作者单位】上海电力学院,上海200090;上海电力学院,上海200090;上海电力学院,上海200090;江苏邳州供电局,江苏邳州221300【正文语种】中文【中图分类】TM561近年来，一种用于真空断路器的永磁保持、电子控制的电磁操动机构(永磁操作机构)备受关注.根据其工作原理可以分为双稳态和单稳态永磁机构，由于单稳态永磁机构的分闸速度特性具有刚分点前加速、刚分点后减速的优点，在12 kV中压真空断路器中得到了逐步应用，而且单稳态永磁机构通过合理设计弹簧，采用永磁保持、电磁合闸及弹簧分闸，较完美地实现了断路器不同操动技术的理想结合［1］. 在传统的单稳态永磁机构中，永磁体提供的永磁吸力不参与合闸过程，而且提供阻力，因此要求电源提供较大的励磁电流.另外，励磁线圈和永磁体为上下布置，为了得到较大的合闸保持力，必须加大永磁体的体积，这将直接影响永磁操动机构的整体体积，不利于真空断路器的小型化.1 改进型单稳态永磁机构本文针对直动式12 kV真空断路器，介绍了一种励磁线圈和永磁体左右布置的改进型单稳态永磁机构［2］，如图 1 所示.图1 两种单稳态永磁机构原理注:1——动铁芯;2——永磁体;3——静铁芯;4——励磁线圈;5——驱动杆;L1，L2——合闸过程中永磁体的磁力线方向.传统的VM1型永磁机构驱动杆通过拐臂与真空灭弧室连接，在分闸位置靠永磁体提供的静态永磁吸力保持.改进型单稳态永磁机构的动铁芯通过绝缘拉杆直接连接灭弧室侧的动导电杆，在分闸位置时由预压缩的分闸弹簧提供保持力，改进型单稳态永磁机构如图2所示.图2 改进型单稳态永磁机在利用Ansoft Maxwell软件包［3］对单稳态永磁机构动铁芯瞬态电磁场动态过程分析的基础上，基于 ADAMS虚拟样机技术，在 Matlab Simulink平台上进行了多场耦合仿真.2 动态联合仿真模型的建立单稳态永磁机构分合闸的动态过程，是由电磁场、电路和运动多场耦合作用的过程.动铁芯所受的电磁力Fmag和线圈耦合磁链φ可以描述为:式中:s——动铁心位移;i——励磁电流.使用Ansoft中的瞬态磁场分析模块，通过Maxwell Circuit Editor将励磁电路耦合，求解动铁芯电磁力和线圈耦合磁链.通过二维数据网格变换和3次样条非线性拟合技术获得永磁机构动态特性仿真所需的上述关系.改进型单稳态永磁机构分合闸时共同使用一个励磁线圈，其等效电路如图3所示. 图3 改进型单稳态永磁机构控制电路注:L——励磁线圈的电感;R——励磁线圈的电阻;C1——合闸放电电容;C2——分闸放电电容.以合闸过程为例，励磁回路电压平衡方程为:式中:Uc——电容电压;i——励磁电流;s——动铁芯位移;C1——合闸电容.由式(2)和式(5)可以推导出电流关于位移与速度的函数关系式［4］:ADAMS技术采用了广泛流行的多刚体动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统的动力学方程［5］.本文设计的永磁机构用于开断的电流为12.5 kA，动触头行程为12 mm，超程为5 mm的12 kV真空断路器，根据触头接触压力与开断电流大小的关系［6］，取触头压力为500 N，相应的触头弹簧刚度系数为110N/mm，触头弹簧刚度系数为40 N/mm.按照图2所示在ADAMS view中建立几何模型，并在运动部件上添加滑移副，同时在动导电杆与动触头之间添加阻尼弹簧，在动触头与静触头之间定义碰撞力.将生成的adams_sub模块作为控制模块导入Matlab Simulink进行联合仿真.根据式(6)建立电磁模块Subsystem子系统，由动铁芯位移和速度计算出电流值，二维查表模块根据位移和电流值查找到相对应的电磁力，并将该电磁力作为adams_sub模块的输入值，最后将经过联合仿真输出的动铁芯位移和动铁芯速度反馈到电磁模块中.联合仿真模型见图4.图4 动态联合仿真模型3 触头弹簧对机构分合闸的影响触头弹簧的合理配置对真空断路器分合闸特性的影响非常大.在动触头合闸之前，由于触头弹簧为柔性连接件，永磁机构输出的力通过触头弹簧再传递给动触头，从而使动触头在闭合前产生振动，即预振动.预振动不但会使开距不按永磁机构动铁芯行程预订的规律变化，而且对合闸弹跳有直接影响.ADAMS中对弹簧的模型描述为:式中:k——弹簧的刚度系数;r，r0——弹簧的长度和初始长度;c——阻尼系数;f——预载荷.在不考虑阻尼系数时，得到的合闸过程中动铁芯和动触头的位移速度曲线如图5所示.由图5可知，无阻尼时动铁芯和动触头的同步性很差，不满足真空断路器的动作要求.设置阻尼系数为固定值时，得到两者的速度曲线见图6.图5 无阻尼时动铁芯和动触头的位移图6 阻尼系数恒定时动铁芯和动触头的速度从图6可以看出，合闸前动触头和动铁芯的速度相差很小，但是由于阻尼系数比较大，使得动铁芯超程阶段花费时间较长，且碰撞后有很大速度的反弹.为了获得更加理想的结果，将阻尼系数定义为变系数，ADAMS中可以设置阻力系数为动铁芯运动速度的函数.由式(7)可知，在合闸前提供给动触头运动的力，仅由－c·dr/dt这一项提供.根据牛顿定律，使两者都产生同样的加速度，可求得动触头受力为动铁芯受力的1/3，即c=Fmag/3v.通过ADAMS将阻尼系数c定义为SPLINE，并添加到弹簧属性中进行联合仿真，优化后合闸过程中动铁芯和动触头的速度曲线如图7所示.图7 优化后动铁芯和动触头的速度曲线从图7可以看出，动铁芯和动触头的跟随性显著提高，动铁芯走完超程所花的时间明显减少.4 电容及分闸弹簧参数的影响真空断路器分合闸速度特性要求为:平均分闸速度和刚分速度分别为1.3～1.7 m/s 和0.8～1 m/s，平均合闸速度为 0.75 ～0.95 m/s.表 1 为利用联合仿真模型计算得到的仿真结果，其中动触头弹簧安装在导电杆与动触头之间(动端).表1 不同电容和分闸弹簧组合时分合闸速度特性(动端安装触头弹簧)注:I——励磁电流;v1分——动触头刚分速度(即动铁芯行程为12 mm时动触头的速度);v2分——动触头分开后6 mm内的平均速度;v合——动触头闭合前6 mm内的平均速度.分闸合闸k v1分 v2分C I v合/N·mm m·s －1/mF /A /m·s －1 40 1.51 1.62 22 66 1.15 80 1.82 2.07 220 85 0.73 20 1.36 1.45 110 92 1.10由表1可知，当分闸弹簧系数扩大1倍，电容扩大10倍时，平均合闸速度v合降低了33.63%;当弹簧系数降低1倍，电容扩大5倍时，平均合闸速度几乎不变，这说明分闸弹簧参数对合闸过程的影响较大.根据对合闸速度的要求，分闸弹簧系数一般在40～80 N·mm范围较为合适.若最大刚分速度要求为1.7 m/s，则分闸弹簧刚度系数取60 N·mm为宜.综合分合闸速度特性，此单稳态永磁机构分闸刚度系数取60 N·mm，合闸电容取220 mF时，得到优化后的动触头分合闸速度与行程的关系曲线如图8所示.图8 动触头分合闸速度与行程的关系将触头弹簧安装在灭弧室处(静端)时，得到的仿真结果见表2.当分闸弹簧刚度系数为40 mm，电容为22 mF时，动触头刚分速度为1.16 m/s，平均分闸速度为1.24 m/s，平均合闸速度为1.08 m/s，这也满足真空断路器分合闸要求.与动触头安装在动端侧相比，平均分闸速度有所下降.表2 不同电容和分闸弹簧组合时分合闸速度特性(静端安装触头弹簧)分闸合闸kv1分 v2分C I v合/N·mm m·s －1/mF /A /m·s －1 40 1.16 1.24 22 63 1.08 80 1.32 1.43 220 148 1.22 20 1.08 1.15 110 128 1.325 结论(1)在计算永磁机构离散磁链φ(s，i)和吸力Fmag(s，i)数据方面，Ansoft瞬态电磁场有限元分析减少了工作量，提高了仿真的速度.(2)在ADAMS与Matlab联合仿真中，触头弹簧对真空断路器的分合闸性能有不同程度的影响，在合闸过程中根据永磁机构空载的出力特性确定触头弹簧的阻尼系数，可以减弱动触头的预振动.(3)单稳态永磁机构中，分闸弹簧的刚度系数对真空断路器的分合闸特性有很大影响，合闸电容越大，平均合闸速度也越大.在满足合闸速度要求时，选取适当的分闸弹簧可以提高刚分速度.(4)通过对两种触头弹簧安装方式的仿真计算得知，触头弹簧安装在动端侧有利于提高刚分速度，而安装在静端侧有利于降低刚合速度，减少对真空灭弧室的冲击力. 参考文献:【相关文献】［1］林莘.永磁机构与真空断路器［M］.北京:机械工业出版社，2002:11-20.［2］NITU S，NITU C，DYNAMIC Gh，Tuluca，et al.Behavior of a vacuumcircuitbreakermechanism［J］.Dischargesand Electrical Insulation in Vacuum，2008，30(1):181-184.［3］赵博，张洪量.Ansoft 12在工程电磁场中的应用［M］.北京:中国水利水电出版社，2010:12-16.［4］周丽丽，方春恩，李伟，等.27.5 kV永磁机构真空断路器动作特性仿真与试验研究［J］.高压电器，2008，44(3):214-216.［5］李增刚.ADAMS入门详解与实例［M］.北京:国防工业出版社，2008:20-26.［6］孟凡钟.真空断路器实用技术［M］.北京:中国水利水电出版社，2009:134-135.。
磁控操作机构的工程应用分析
磁控操作机构的工程应用分析摘要：本文对比了弹簧、永磁、电磁和磁控等几种典型操作机构的动作原理和技术特点，优选磁控操作机构进行工程实用化应用分析，剖析磁控机构的结构组成、工作原理和技术优点，基于磁控操作机构的速动性展开磁控开关的五级级差保护方案研究与工程应用分析。
关键词：磁控操作机构；速动性；磁控开关；五级级差保护0 引言随着经济的高速发展，配电网负荷越来越大，配电线路的停电所带来的经济损失以及社会影响越来越严重，如何提升配网供电可靠性，减少线路故障停电时间，成为了电网公司的迫切需求。
文章对比弹簧、永磁、电磁和磁控等几种典型配电开关操作机构的动作原理和技术特点，重点针对新型磁控操作机构展开工程应用分析，提出基于磁控开关的五级级差保护应用方案，对磁控开关的推广应用，提升配网线路的供电可靠性具有重要的指导意义。
1 配电开关典型操作机构对比1.1弹簧操作机构弹簧操作机构合闸时，先通过储能电机对合闸弹簧进行储能，再由合闸脱扣器解锁机械锁扣装置，释放合闸弹簧中能量，通过输出凸轮驱动开关合闸，合闸完成后由合闸锁扣装置实现保持；分闸时由分闸脱扣器解锁机械锁扣装置，开关将在分闸弹簧、触头弹簧的作用力驱动下完成分闸动作。
优点是合分闸电流较小，操作功耗小；缺点是结构复杂，传动、锁扣、脱扣装置多，机械零部件数量多，易损坏，机械寿命一般在1万次。
1.2永磁操作机构永磁操作机构由于采用永磁体实现合分闸位置的保持，取消了机械锁扣装置，进一步简化了结构，由合闸电流通过合闸线圈产生电磁力驱动动铁芯，完成合闸动作后，由永磁体的磁力吸附动铁芯，实现合闸保持。
分闸时，在合闸线圈或者中通以反向电流，产生分闸方向的电磁力，抵消永磁体磁力，驱动动铁芯，完成分闸动作后，利用分闸弹簧或者分闸端永磁体实现分闸保持。
优点是结构简单，体积小，可靠性高，机械寿命一般在3万次以上；缺点操作电流大，操作功耗高，操作高度依赖控制系统。
1.3电磁操作机构电磁操作机构结构也比较简单，合闸时由合闸电流在合闸线圈中产生的电磁力来驱动动铁芯，动铁芯推动运动支架带动开关进行合闸，当合闸完成后由维持线圈中的电磁力实现保持。
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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
设计了一种新型的真空断路器永磁操动机构，用有限元分析软件仿真了所设计机构的静态特性和动态特性。
根据仿真和样机实测结果的对比验证出所设计机构的正确性。
参考文献
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[2]林莘.永磁机构与真空断路器[M].机械工业出版社，2002（05）.
[3]王海峰，徐建源.永磁操动机构磁场数值计算和结构分析.高压电器，2002，38（1）：11-13. 作者简介
车焕（1982-），女，辽宁省营口市人。
现为营口理工学院博士在读、营口理工学院实验师。
研究方向为高压电器、智能电器。
郜世磊（1982-），男。
大学本科学历。
现为辽宁省营口市石钢京诚装备技术有限公司工程师，主要从事工厂电气机械设备管理工作。
作者单位
1.营口理工学院辽宁省营口市115000
2.石钢京诚装备技术有限公司辽宁省营口市115000
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