双稳态及单稳态永磁操动机构的研究

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
同布置的分析［Ｊ】高压电器，２０００．２：２５—２８
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高压电器，２０００，（３）：３—６
（ｕｎｘ，ＧａｏＨ Ｊ，ＴｉｅＲ Ｔｈｅｎｕｍｅｄｃｄ ｃａｌｃｕＪａｔ】ｏｎｄ ｒ１１ａ印．
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【２１钱家骊，徐国政中压断路器永磁操动机构中线圈不
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
关键词：永磁操动机构；磁场计算；特性分析
中图分类号：ＴＭ １５３
文献标识码：Ａ
永磁操动机构为９０年代国际最新技术，它具 有其它操动机构无法比拟的独特之处：工作时主要 运动部件只有一个，无需机械脱、锁扣装置，故障源 少：具有较高的可靠性，并可实现免维护运行．近 年来，国内外不少断路器生产厂家都把目光集中在 永磁操动机构的研制开发上，但相关的理论却远未 成熟，国内主要的理论研究成果集中于文献”。，对 于断路器操动机构，最重要的是分闸和合闸过程中 的速度特性与操动机构出力特性之间的良好配合． 所以，进行永磁操动机构特性研究，不仅要考虑机 构在静态时的磁场分布及保持力，而且还要考虑机 构在合闸和分闸过程中的速度特性．本文针对圆 柱型永磁操动机构，采用有限元法分别计算了双稳 态和单稳态永磁操动机构的静态磁场分布，分析了 两种结构永磁操动机构的保持力大小和永磁材料 的结构、布置方式以及尺寸的关系，在给出动态特 性求解方法的基础上，分别计算并分析了动触头速 度特性，对双稳态和单稳态永磁操动机构的特性进 行了对比分析．
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３双稳态和单稳态永磁操动机构动 态分析
对于永磁操动机构，可以采用直流电压激磁和 充电电容放电激磁两种不同的激磁方式，本文采用 充电电容放电激磁方式分别对双稳态和单稳态永 磁操动机构的动态特性进行分析
激磁电路如图７所示，动态特性微分方程组 如下
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图７ 电容放电电激磁电路 Ｆ婚７ Ｃｌｒｃｕ沁ｅｘｃｌＩｅｄ ｂｙ ｃ８ｐａｃｌｔｏｒ
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沈阳工业大’学学报
第２４卷
速度为负 这对于断路器来说是较理想的分闸特 性，从这一点上来说，单稳态永磁操动机构采用永 磁保持、电磁合闸及弹簧分闸，实现了断路器操动 技术较为完美的结合．但同时也应注意到，单稳态 永磁操动机构的分闸特性不易受到线圈电参数的 控制，因此在需要根据实际情况来调整和控制断路 器的分闸速度时，双态永磁操动机构应更具优势．
Ａ—Ａ削面
１ 永磁操动机构结构及工作原理
尽管永磁操动机构有不同的结构形式，但工 作原理大体相似．按照机构在终端位置的保持 方式，永磁操动机构可以分为双稳态和单稳态两 种形式．如图１、图２所示．
对于双稳态永磁操动机构，当断路器处于合闸 或分闸位置时．线圈中无电流通过，永久磁铁利用 动、静铁芯提供的低磁阻抗通道将动铁芯保持在
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ｆａｌ动铁芯处于分闸位置 （ｂ）动铁芯处于中间位置
（ｃ Ｊ动铁芯处于合闸位置
（ａ）
（ｂ）
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图４单稳态永久破体单独作用时机构静态磁场分布
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对永磁机构磁场的计算可采用下述的麦克斯 韦方程
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边界条件为：一类边界上ｄ一＝一ｍ
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采用有限元算法得到的静态磁场分布如图３、 图４所示．
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第２４卷第２期
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沈阳工业大学学报
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文章蝙号：１０００ １６４６『２００２ Ｊ０２一０１０３一０４
双稳态及单稳态永磁操动机构的研究
卢 芸， 林莘
沈阳Ｌ业大学电气工程学院，ｊ工宁沈阳１１００２３
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【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
相似，刚分点前加速，刚分点后减速，通过合理设 计弹簧参数比较容易获得较理想的分闸速度特 性，而单稳态永磁操动机构的分闸特性又不易受 电参数的控制．故双稳态和单稳态永磁操动机构 在不同的场合各具优势，应在满足技术要求的前 提下，作出合理的选择，
参考文献：
【１］林莘．高会军．铁韧永磁操动机构磁场数值计算ｌ Ｊ１
由上述方程组可以看出，永磁操动机构过程 包含着电、磁、热和机械参量的变化，其中以热的 变化最小．主要由于动态过程历时极短（一般机 构的动作时间为几１０ ｍｓ），电磁系统又存在热惯 性，所以ｄ毋／ｄ￡项极小，可忽略不计为此动态 微分方程组可化为如下描述机构吸台特性的状 态方程组
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动铁芯行程／皿ｍ 分闸位置一合闸位置 图５双稳态永礁操动机构静态保持力 Ｆｉｇ ５ Ｔｈｅ吼朗ｄｙ ｒｅｔｅｎ￡ｉｖｅ ｆｎｒｃｃ ０ｆ ｈｌｓｌａｂｌＲ ＰＭＡ
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４９３
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田８双稳态永磁操动机构动触头运动速度
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图９单稳态永磁操动机构动触头运动速度
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第２４卷
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图２ 单稳态永鞋操作机构的剖面简图
ＦｉＥ ２ Ｓｔ邢ｃｔｕ弛ｏｆ ｍｏｎｏｓｔＡｂｌｅ ＰｈＩＡ
ｌ一分闸弹簧；２一非导磁盖板；３一磁路导向环；４一永 磁体；５一静铁芯；６一线圈；７一动铁芯；８一连接杆
２双稳态和单稳态永磁操动机构的 静态保持力分析
永磁操动机构最大的特点之一是当断路器处 于合闸或分闸位置时，由永久磁铁代替传统的脱锁 扣机构实现极限位置的保持功能．
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
用于高压真空断路器的可能性【Ｊ１高压电器，２０００，（４）：
１９—２３
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‘ｙ。ｆ ｃｈｅ Ｂｊ－ｓ曲ｉｅ ｍ３９ｎｅ血ｎｃｔｕⅡｃｏｒ正ｔｔｅｄ∞ｈｉｇｈ ｖｄ‘ａｇｅ ｈ１５ｈ ｖｏｌｔ８９ｅ ８ＰＰａｍｔｕ８，２０００，（４）：１９—２３） ［４】高会军．林莘，蔡志远．永磁操动机构磁场数值计算及 动特性分析【Ｊ】沈阳工业大学学报，２００００，４：４９０一
（ａ）动铁芯处于分闸位置（ｂ）动铁芯处于中间位置； （ｃ）动铁芯处于台闸位置
从图中可以看出，双稳态永磁操动机构由于采 用了上下对称的结构，机构中的磁场也呈对称分布， 而单稳态永磁操动机构采用了非对称结构，永久磁 体单独作用时机构的静态磁场分布与双稳态对称式 永磁操动机构不同．图４ａ为动铁芯处于分闸位置 时的磁场分布，由于非导磁盖板的原因，动铁芯并不 受到向上的电磁吸力．此时就需要通过合理设计分 闸弹簧的预拉力，使动铁芯保持在分闸位置．图４ｂ 为动铁芯处于中间位置时的磁场分布，此时尽管上 下气隙大小相等，但由于盖板为非导磁材料，大部分 磁力线仍经过下部气隙，动铁芯仍受到向下的电磁 吸力．图４ｃ为动铁芯处于合闸位置时的磁场分布． 从图中可以看出，大部分磁力线都经过由动铁芯和 静铁芯形成的闭合低磁阻抗路径，此时动铁芯受到 较大的向下的吸力．（即机构所需的保持力）．图５、 图６为采用有限元数值模拟方法，计算出的１０ｋｖ、 ３１．５ ｋＡ真空断路器的双稳态和单稳态永磁操动机 构线圈不通电情况下动铁芯受力曲线
４９３ １
［５］付万安，宋宝福高压断路器永融操动机构的研究…
中国电机工程学报，２０００．（８）１９—２６
Ｒ舢ｃｈ （Ｆｕｗ蛐ａｎ，ｓｏ“ｇＢ８０ｙｕｎ
ｏｎ ＰＭ Ａｃｌｕｔｏｒ ｏｆＨＶ
ｓｗｉｌｃＩｌｇｅａｒ，ＰＩＤｃｅｅｄｉ“９８ ｏｆｔｈｅ ｃｓＥＥ，２０００，ｆ ８）：２１—２６）
【６】费鸿俊，张冠生电磁机构动态分析与计算ｌ Ｍ ｌ北 京：机械工业出版社，１９９３
摘要：在介绍高压断路器的双稳态永磁操动机构和单稳态永磁操动机构的基础上，采用有限元法
分别计算了双稳态和单稳态永磁操动机构的静态磁场分布，分析了两种结构永磁操动机构的保持力
大小和永磁材料的结构、布置方式以及尺寸的关系；分析了双稳态和单稳态永磁操动机构在分闸和
台闸过程中的速度特性．对两种永磁操动机构的特性进行了对比分析
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．