一种新型永磁驱动操作机构及其控制方案

０ 引言
高压断路器是一种控制高压输电线路通断的 电 力 设 备， 它 由 灭 弧 室 和 操 作 机 构 两 部 分 组 成。 灭弧室的百度文库静触 头 分 别 与 输 电 线 路 的 两 端 相 连 ， 同时动触头又与 操 作 机 构 相 连 ， 由操作机构来驱 从而实现断路器的分闸与合闸 ， 即 使动触头运动 ， 控制输电线路的断开与接通
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 。
— — 宋 澜 王 法 邵长星等 一种新型永磁驱动操作机构及其控制方案 —
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一种新型永磁驱动操作机构及其控制方案
宋 澜 王 法 邵长星 王 永
中国科学技术大学 ， 合肥 ， ２ ３ ０ ０ ２ ７
摘要 ： 回顾了采用电磁驱动 、 永磁保持原理的永磁电动操作机构的发展历程及最新研究进展 。 鉴于 典型永磁电动操作机构在分合闸过程中容易加速 ， 不易减速 ， 分合闸特 性 不 够 理 想 ， 而改进型的永磁电 动操作机构结构较为复杂 ， 可靠性不高的特性 ， 从操作机构的原理出发 ， 提出了一种永磁驱动 、 永磁保持 的新型永磁驱动操作机构 ， 并阐述了其工作原理 ， 分析了其静态特 性 ， 给 出 了 其 控 制 方 案。与 永 磁 电 动 操作机构相比 ， 新型永磁驱动操作机构结构更简单 、 控制方案更灵活 。 关键词 ： 断路器 ； 操作机构 ； 永磁驱动 ； 控制方案 ） 中图分类号 ： ＴＭ ５ ６ １ 文章编号 ： １ ０ ０ ４—１ ３ ２ Ｘ（ ２ ０ １ １ ０ ９—１ ０ ４ ９—０ ５ Ａ Ｎ ｅ ｗ Ｐ ｅ ｒ ｍ ａ ｎ ｅ ｎ ｔ Ｍ ａ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ Ｏ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ Ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ ａ ｎ ｄ Ｉ ｔ ｓ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｓ ｃ ｈ ｅ ｍ ｅ ｇ ｐ ｇ Ｓ ｏ ｎ Ｌ ａ ｎ Ｗ ａ ｎ Ｆ ａ ｈ ａ ｏ Ｃ ｈ ａ ｎ ｘ ｉ ｎ ａ ｎ Ｙ ｏ ｎ Ｓ Ｗ ｇ ｇ ｇ ｇ ｇ ｇ ，Ｈ ， ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｅ ｆ ｅ ｉ ２ ３ ０ ０ ２ ７ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｇ ｙ ｙ ： Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔＴ ｈ ｉ ｓ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｉ ｎ ｈ ｉ ｓ ｔ ｏ ｒ ｏ ｆ ｍ ａ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｏ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ａ ｅ ｒ ｅ ｒ ｍ ａ ｎ ｅ ｎ ｔ － ｐ ｇ ｙ ｇ ｐ ｇ ｐ ｐ ｐ ， ， ｎ ｉ ｓ ｍ（ ＰＭＯＭ） ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｗ ａ ｓ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍ ａ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｄ ｒ ｉ ｖ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｍ ａ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｋ ｅ ｔ ａ ｎ ｄ ａ ｎ ａ ｌ ｚ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｅ ｒ ｍ ａ ｎ ｅ ｎ ｔ － ｇ ｇ ｐ ｙ ｐ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｗ ｏ ｒ ｋ ｂ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｅ ｒ ｓ ｏ ｎ ｈ ｏ ｗ ｔ ｏ ｉ ｍ ｒ ｏ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ＰＭＯＭ． Ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅ ｙ ｐ ｐ ｐ ， ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ＰＭＯＭ ｗ ａ ｓ ｎ ｏ ｔ ｉ ｄ ｅ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｉ ｍ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ ＰＭＯＭ ｗ ａ ｓ ｃ ｏ ｍ ｌ ｅ ｘ ａ ｎ ｅ ｗ ｏ ｆ － ｐ ｙ ｐ ｐ ｐ ｍ ａ ｎ ｅ ｎ ｔ ｍ ａ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｄ ｒ ｉ ｖ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｅ ｒ ｍ ａ ｎ ｅ ｎ ｔ ｍ ａ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｋ ｅ ｔ ｏ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ ｗ ａ ｓ ｒ ｏ ｏ ｓ ｅ ｄ ． Ｉ ｔ ｓ ｗ ｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇ ｐ ｇ ｐ ｐ ｇ ｐ ｐ ｇ ， ， ｗ ｅ ｒ ｅ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｉ ｔ ｓ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｗ ａ ｓ ａ ｎ ａ ｌ ｚ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｉ ｔ ｓ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｃ ｈ ｅ ｍ ｅ ｗ ａ ｓ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｌ ｅ ｓ ｉ ｖ ｅ ｎ． ｙ ｐ ｐ ｇ Ｃ ｏ ｍ ａ ｒ ｅ ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ＰＭＯＭ， ｔ ｈ ｉ ｓ ｎ ｅ ｗ ｏ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ ｈ ａ ｓ ｍ ｏ ｒ ｅ ｓ ｉ ｍ ｌ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｍ ｏ ｒ ｅ ｐ ｙ ｐ ｐ ｇ ｐ ｆ ｌ ｅ ｘ ｉ ｂ ｌ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｃ ｈ ｅ ｍ ｅ ． ： ； ； ｅ ｒ ｍ ａ ｎ ｅ ｎ ｔ Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｂ ｒ ｅ ａ ｋ ｅ ｒ ｏ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ； ｍ ａ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｄ ｒ ｉ ｖ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｃ ｈ ｅ ｍ ｅ ｐ ｐ ｇ ｇ ｙ
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
收稿日期 ： ２ ０ １ ０—０ ７—１ ２
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中国机械工程第 ２ ２ 卷第 ９ 期 ２ ０ １ １ 年 ５ 月上半月
带有新型永磁驱动操作机构的断路器示意图 图中断路器处于合闸状态 ， 此时超程 如图 ３ 所示 ， 弹簧处于压缩状态 。
图 １ 双稳态永磁电动操作机构结构示意图
的触头开距一般 比 较 大 ， 这直接导致了动铁芯的
８］ 。 目前 ， 在中高压真空断路器中 ， 作机构的热潮 ［
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
。
永磁电动操作机构是利用电磁铁对铁磁材料 从而实施分合闸 的 吸 力 来 驱 使 运 动 部 件 运 动，
７］ 。 而电磁铁 对 铁 磁 材 料 只 有 吸 力 没 有 斥 力 ， 的［
故运动部件在分 合 闸 的 过 程 中 容 易 实 现 加 速 、 很 难实现减速 ， 操作机构的分合闸性能不够理想 。 为进一步提升 断 路 器 操 作 机 构 的 性 能 ， 本文 永磁保持的新型永磁操作 提出了一种永磁 驱 动 、
［ ５ － ６］
永磁电动操作机构正在逐步取代传统操作机构 。 ］ 文献 ［ 根据 分 合 闸 状 态 保 持 方 式 的 不 同 将 ９ 永磁电动操作机构分为单稳态和双稳态两种 。 典 型双稳态永磁电动操作机构的结构如图 １ 所示 。 典型永磁电动操作机构通过给上下线圈通电 让其吸引动铁芯 ， 从而驱动运动部件 ， 实施断路器 的分合闸 。 分合闸结束后 ， 断开线圈中的电流 ， 再 利用永磁体产生的永磁场来实现断路器分合闸状 态的无功可靠保持 。 高压真空断路 器 由 于 灭 弧 需 要 ， 真空灭弧室
图 ４ 新型永磁驱动操作机构 应用于真空断路器的实物图
给线圈通入正向电 流 （ 使线圈在永磁体上端产生 ， 与永磁场方向相同的电磁场的电流 ） 由通电线圈 从而驱动运动部件往 对永磁体产生往 上 的 吸 力 ， 实施合闸 。 合闸结束后 ， 利用永磁体对静 上运动 ， 铁 芯 的 吸 力， 就 可 以 实 现 合 闸 状 态 的 无 功 保 持。 当需要进行分闸 操 作 时 ， 只需给线圈通入反向电 让通电线圈对永磁体产生往下的斥力 ， 从而驱 流， 动运动部件往下运动 ， 实施分闸 。 分闸结束后 ， 再 利用永磁体对下底板的吸力来实现分闸状态的无 功保持 。 与永磁电动操 作 机 构 相 比 ， 此新型永磁驱动 操作机构主要有以下优点 ： （ ） 由于电磁铁对永磁体既有吸力又有斥力 ， １ 使得新型永磁驱动操作机构在分合闸过程中既容 借助于适当的控制电路和控 易加速又容易减 速 ， 制策略便可使断路器具有更好的分合闸特性 。 （ ） 因为提供 相 同 磁 力 的 永 磁 体 的 质 量 比 动 ２ 铁芯的质量要小 得 多 ， 所以在相同驱动力下新型 永磁驱动操作机构运动部件的质量比传统永磁电 故其具有 动操作机构运动 部 件 的 质 量 要 小 很 多 ， 更强的加减 速 能 力 ， 即 分 合 闸 能 力。这 既 有 利 于 减小线圈的峰值 电 流 及 断 路 器 的 能 耗 ， 又有利于 减小断路器的分合闸冲击力 。
。
永磁电动操作 机 构 是 一 种 电 磁 驱 动 、 永磁保
２］ 。它是在电磁操 持、 电子控制 的 新 型 操 作 机 构 ［
１ 永磁电动操作机构及其研究进展
自１ ９ ８ ９ 年英国 曼 彻 斯 特 大 学 系 统 与 能 量 组 为Ｇ Ｅ Ｃ 公司设计了 世 界 上 第 一 台 永 磁 电 动 操 作 机构模型开始 ， 世界各国掀起了开发永磁电动操
［ １］
机构 。 新型永磁驱动操作机构是利用电磁铁对作 为运动部件的永 磁 体 进 行 驱 动 来 实 施 分 合 闸 的 。 因为电磁铁对永 磁 体 既 有 吸 力 又 有 斥 力 ， 所以新 型永磁操作机构在分合闸过程中既容易加速又容 易减速 ， 具有 更 好 的 分 合 闸 特 性 。 与 永 磁 电 动 操 作机构相比 ， 此新 型 永 磁 驱 动 操 作 机 构 零 件 数 量 更少 、 可靠性更高 、 生产成本更低 、 能耗更小 。