一种新型永磁交流接触器及其控制电路_吴自然
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
槽位于压杆下端，用来固定转轴 1。 当强制分断装置工作时，电磁铁输出轴推动传
动杆，传动杆上端卡扣与压杆分离，压杆卡槽受到 转轴 1 轴向向上的推力，压杆发生逆时针旋转，转 轴 1 此时顺时针旋转。转轴 1 向上运动的动力来源 于锁栓对杠杆臂向左的推力，此推力源于锁栓弹簧 对锁栓向左的推力。锁栓弹簧将锁栓向左推开，此 时锁栓脱离分断顶杆中的凹槽，分段顶杆在分断弹 簧的推动下向上运动，进而将动铁心顶开，实现永 磁接触器的强制分断。
论文提出一种带强制分断保护装置的新型永 磁接触器，当控制回路失电或者退磁线圈出现故障 时，保护装置会被触发，迫使接触器铁心克服永磁 体吸力进行强制分断。所设计的保护装置及其控制 方法，可有效解决永磁接触器无法分断的问题，大 幅提高永磁接触器的工作可靠性。
1 新型永磁接触器结构
动铁心 轴2
卡槽 轴1
图 1 新型永磁接触器几何模型 Fig. 1 Geometry of new permanent magnet ac contactor
以上这些研究均是围绕永磁接触器磁体设计 及其控制方法展开，接触器合闸时依靠电磁线圈和 永磁体的合力完成吸合，分断时，电磁线圈通反向 电流，产生反向磁场，此反向磁场抵消永磁体磁场， 接触器依靠反力弹簧进行分闸。为了防止合闸误操 作，文献[15-16]还提出了一种具有内部自锁功能的 永磁接触器结构。但是这一类控制方法和结构中， 接触器的吸合与分断都需要正常工作电路的可靠 性进行保障，一旦控制回路失电，或者退磁线圈出 现故障，接触器将不能分断，从而造成严重事故隐 患。文献[17]提出在接触器合闸状态继续施加一定 电流，与永磁体一起维持铁心稳定吸合，接触器分 闸时，永磁体不足以克服弹簧反力，接触器实现分 闸。这一设计可以提高接触器分断可靠性，但是该 设计与普通电磁接触器一样，需要维持电流的存 在，接触器无法达到好的节能效果。
永磁体
图 2 永磁接触器模型 Fig. 2 Model of permanent magnet AC contactor
通过以上模型可以建立永磁接触器的等效磁 路模型如图 3 所示。
如图 3 所示为永磁接触器等效磁路，图中 Rp1、 Rp2 和 Rp3 为动铁心左右侧柱和磁轭等效磁阻，Rs1、 Rs2、Rs3 和 Rs4 为静铁心左右侧柱和磁轭等效磁阻。 Rm 为永磁体内部等效磁阻，Ra3、Ra2 和 Ra3 为工作 气隙的等效磁阻。以下公式推导过程中，x 为气隙
2 永磁体磁吸力计算
为研究强制分断机构是否可以正常工作，并且 确定分断弹簧的刚度系数，本文通过等效磁路模型 计算永磁体吸力，并通过此吸力推导出分断弹簧的 刚度系数，永磁接触器模型如图 2 所示。
动铁心
线圈 静铁心
新型永磁接触器几何结构如图 1 所示，主要部 件包括激励线圈、永磁体、T 型动铁心、分断顶杆、 分断弹簧、电磁铁、分断传动机构等。2 个分断顶 杆分布在激励线圈的两边，分断弹簧嵌套在分断顶 杆内，锁栓卡在分断顶杆的中间凹槽处，用来锁住 分断顶杆。锁栓上安装有锁栓弹簧，用以驱动锁栓 运动。转轴 1、杠杆臂、转轴 2 形成工作杠杆，转 轴 1、杠杆臂可以在锁栓的驱动下绕着转轴 2 上下 旋转。电磁铁在通电时其中间轴推动传动杆，传动 杆上方有一个小的卡扣，用来固定压杆的位置。卡
制分断。设计了一种控制电路与接触器进行配合工作，电路 分正常工作电路和保护电路两部分。正常工作电路负责控制 接触器进行正常的分断与吸合操作，保护电路则负责检测并 触发保护装置进行强制分断保护。为提高电路可靠性，保护 电路全部采用逻辑电路进行设计，无 CPU 控制单元。同时， 为提高供电可靠性，保护电路与正常工作电路电源单独进行 设计，保护电路电源采用接触器主触头 380 V 线电压供电。 通过实验研究了分断控制电压与辅助触头电压间的时延，此 时延作为保护电路的设计基准。同时进行了分断保护特性实 验，实验结果表明所提出的新型交流永磁接触器在正常工作 回路失电或者出现故障时，保护装置可有效解决永磁接触器 无法分断的问题，大幅提高永磁接触器的工作可靠性。
A New Permanent Magnet AC Contactor and Its Control Circuit
WU Ziran1, SHU Liang1, XU Chengwen1, WU Guichu1, CHEN Hong2
(1. The Key Laboratory of Low-Voltage Apparatus Intellectual Technology of Zhejiang(Wenzhou University), Wenzhou 325000,
关键词：永磁交流接触源自文库；保护装置；强制分断；逻辑电路 设计
0 引言
永磁式交流接触器依靠永磁体提供铁心处于 吸合状态时的吸合力，无需消耗额外的电功率，具 有节能、噪声小、无温升等优点[1-3]，其优良的工作 特性，已吸引国内外学者的广泛关注[4-8]。
永磁体是永磁接触器中的关键元件，其结构及 磁路的设计，对接触器的动态特性及可靠性具有重 要影响。文献[9]采用三维有限元方法研究了永磁体 安装位置对于永磁接触器动态特性的影响，构建了 位移–电流–电磁力三者的关系，并据此研究了永磁 接触器的分合闸特性。文献[10]则采用有限元方法， 开发了一套参数化的永磁体有限元分析软件，并给 出了永磁保持力的计算和测试结果。文献[11-12]分 别采用有限元方法研究了永磁接触器中的磁路设 计，文献[12]还采用了一种基于遗传算法的磁路设 计方法，通过分析不同气隙时吸反力的配合，基于
KEY WORDS: permanent magnetic AC contactor; protection mechanism; forced breaking; logic circuit design 摘要：提出一种带分断保护装置的新型永磁交流接触器，接 触器分为机构部分与控制电路部分。当永磁接触器控制回路 失电或者退磁线圈出现故障、接触器无法正常分断时，保护 装置此时会被触发，迫使接触器铁心克服永磁体吸力进行强
基金项目：浙江省自然科学基金面上项目(LY15E050011)；浙江省 “钱江人才计划”D 类计划项目(QJD1302003)；中国博士后科学基金项 目(2015M571904)；温州大学研究生创新基金(3162014035)。
Project Supported by Natural Science Foundation of Zhejiang Province (LY15E050011); “Qianjiang Talent” Research Program-D class (QJD1302003); China Postdoctoral Science Foundation (2015M571904); Graduate Innovation Fund of Wenzhou University(3162014035).
Zhejiang Province, China; 2. Delixi Group Co., Ltd., Whenzhou 325604, Zhejiang Province, China)
ABSTRACT: A new permanent magnet AC contactor was presented. When the contactor encounters breaking failure, the contactor can be forced to break under the actuation of a designed protection mechanism. A control circuit was developed to work with the making and breaking operations. The circuit was developed as two separate parts, the normal working circuit and the protection circuit. The normal working circuit was used for the normal operations and the protection circuit was used for the breaking protection when failure happened. In order to increase the working reliability, the power supply to the protection circuit was designed separately with the power of the normal working circuit. The power supply to the protection circuit was selected as the 380 V line voltage of the contactor contacts and the circuit was developed based on digital logic circuit design, without MCU. Time delay between the breaking control voltage and the auxiliary contact voltage was investigated. This time delay was used in the logic circuit design. Experimental results show that when the normal working circuit or the demagnetization coil encounters failure, the proposed contactor still can break effectively and potential electric damages can be avoided.
第期
舒亮等：一种新型永磁交流接触器及其控制电路
3
Rp1 Ra1
Rs1 Rs3
Rp2 Rp3
Ra2 Ra3
Hchm Rs2
Rm Rs4
图 3 等效磁路模型
Fig. 3 Equivalent magnetic circuit model
间隔，μr 为相对磁导率，ls 为磁路的总长度。Hc 为 永磁体矫顽力，hm 为永磁体厚度，S 为铁心中柱截 面积，μ0 为绝对磁导率，μr 为相对磁导率，κ为左 右侧柱的铁心截面对铁心中柱的截面的比值系数。
网络出版时间：2016-02-03 09:46:15 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20160203.0946.012.html
第 36 卷 第 0 期 2016 年 0 月 00 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
2
中国电机工程学报
第 36 卷
遗传算法对磁路的结构磁路整体进行了设计。 另一项影响永磁接触器动态特性的因素则是
控制电路的设计与优化。如文献[3,13]采用无位置 传感器的方法对永磁接触器动态特性进行控制，文 献[5]研究了电流反馈控制在永磁接触器中的应用， 文献[14]则采用仿真和实验的方法，将有无电流反 馈控制时接触器动态特性进行对比，仿真和实验结 果均显示采用电流反馈控制时接触器的动态性能 更优良。
DOI： 文章编号：0258-8013 (2016) 00-0000-00 中图分类号：TM 572
Vol.36 No.0 000.00, 2016 ©2016 Chin.Soc.for Elec.Eng. 1
一种新型永磁交流接触器及其控制电路
吴自然 1，舒亮 1，许成文 1，吴桂初 1，陈红 2
(1．浙江省低压电器智能技术重点实验室(温州大学)，浙江省 温州市 325000；2．德力西集团有限公司， 浙江省 温州市 325604)
动杆，传动杆上端卡扣与压杆分离，压杆卡槽受到 转轴 1 轴向向上的推力，压杆发生逆时针旋转，转 轴 1 此时顺时针旋转。转轴 1 向上运动的动力来源 于锁栓对杠杆臂向左的推力，此推力源于锁栓弹簧 对锁栓向左的推力。锁栓弹簧将锁栓向左推开，此 时锁栓脱离分断顶杆中的凹槽，分段顶杆在分断弹 簧的推动下向上运动，进而将动铁心顶开，实现永 磁接触器的强制分断。
论文提出一种带强制分断保护装置的新型永 磁接触器，当控制回路失电或者退磁线圈出现故障 时，保护装置会被触发，迫使接触器铁心克服永磁 体吸力进行强制分断。所设计的保护装置及其控制 方法，可有效解决永磁接触器无法分断的问题，大 幅提高永磁接触器的工作可靠性。
1 新型永磁接触器结构
动铁心 轴2
卡槽 轴1
图 1 新型永磁接触器几何模型 Fig. 1 Geometry of new permanent magnet ac contactor
以上这些研究均是围绕永磁接触器磁体设计 及其控制方法展开，接触器合闸时依靠电磁线圈和 永磁体的合力完成吸合，分断时，电磁线圈通反向 电流，产生反向磁场，此反向磁场抵消永磁体磁场， 接触器依靠反力弹簧进行分闸。为了防止合闸误操 作，文献[15-16]还提出了一种具有内部自锁功能的 永磁接触器结构。但是这一类控制方法和结构中， 接触器的吸合与分断都需要正常工作电路的可靠 性进行保障，一旦控制回路失电，或者退磁线圈出 现故障，接触器将不能分断，从而造成严重事故隐 患。文献[17]提出在接触器合闸状态继续施加一定 电流，与永磁体一起维持铁心稳定吸合，接触器分 闸时，永磁体不足以克服弹簧反力，接触器实现分 闸。这一设计可以提高接触器分断可靠性，但是该 设计与普通电磁接触器一样，需要维持电流的存 在，接触器无法达到好的节能效果。
永磁体
图 2 永磁接触器模型 Fig. 2 Model of permanent magnet AC contactor
通过以上模型可以建立永磁接触器的等效磁 路模型如图 3 所示。
如图 3 所示为永磁接触器等效磁路，图中 Rp1、 Rp2 和 Rp3 为动铁心左右侧柱和磁轭等效磁阻，Rs1、 Rs2、Rs3 和 Rs4 为静铁心左右侧柱和磁轭等效磁阻。 Rm 为永磁体内部等效磁阻，Ra3、Ra2 和 Ra3 为工作 气隙的等效磁阻。以下公式推导过程中，x 为气隙
2 永磁体磁吸力计算
为研究强制分断机构是否可以正常工作，并且 确定分断弹簧的刚度系数，本文通过等效磁路模型 计算永磁体吸力，并通过此吸力推导出分断弹簧的 刚度系数，永磁接触器模型如图 2 所示。
动铁心
线圈 静铁心
新型永磁接触器几何结构如图 1 所示，主要部 件包括激励线圈、永磁体、T 型动铁心、分断顶杆、 分断弹簧、电磁铁、分断传动机构等。2 个分断顶 杆分布在激励线圈的两边，分断弹簧嵌套在分断顶 杆内，锁栓卡在分断顶杆的中间凹槽处，用来锁住 分断顶杆。锁栓上安装有锁栓弹簧，用以驱动锁栓 运动。转轴 1、杠杆臂、转轴 2 形成工作杠杆，转 轴 1、杠杆臂可以在锁栓的驱动下绕着转轴 2 上下 旋转。电磁铁在通电时其中间轴推动传动杆，传动 杆上方有一个小的卡扣，用来固定压杆的位置。卡
制分断。设计了一种控制电路与接触器进行配合工作，电路 分正常工作电路和保护电路两部分。正常工作电路负责控制 接触器进行正常的分断与吸合操作，保护电路则负责检测并 触发保护装置进行强制分断保护。为提高电路可靠性，保护 电路全部采用逻辑电路进行设计，无 CPU 控制单元。同时， 为提高供电可靠性，保护电路与正常工作电路电源单独进行 设计，保护电路电源采用接触器主触头 380 V 线电压供电。 通过实验研究了分断控制电压与辅助触头电压间的时延，此 时延作为保护电路的设计基准。同时进行了分断保护特性实 验，实验结果表明所提出的新型交流永磁接触器在正常工作 回路失电或者出现故障时，保护装置可有效解决永磁接触器 无法分断的问题，大幅提高永磁接触器的工作可靠性。
A New Permanent Magnet AC Contactor and Its Control Circuit
WU Ziran1, SHU Liang1, XU Chengwen1, WU Guichu1, CHEN Hong2
(1. The Key Laboratory of Low-Voltage Apparatus Intellectual Technology of Zhejiang(Wenzhou University), Wenzhou 325000,
关键词：永磁交流接触源自文库；保护装置；强制分断；逻辑电路 设计
0 引言
永磁式交流接触器依靠永磁体提供铁心处于 吸合状态时的吸合力，无需消耗额外的电功率，具 有节能、噪声小、无温升等优点[1-3]，其优良的工作 特性，已吸引国内外学者的广泛关注[4-8]。
永磁体是永磁接触器中的关键元件，其结构及 磁路的设计，对接触器的动态特性及可靠性具有重 要影响。文献[9]采用三维有限元方法研究了永磁体 安装位置对于永磁接触器动态特性的影响，构建了 位移–电流–电磁力三者的关系，并据此研究了永磁 接触器的分合闸特性。文献[10]则采用有限元方法， 开发了一套参数化的永磁体有限元分析软件，并给 出了永磁保持力的计算和测试结果。文献[11-12]分 别采用有限元方法研究了永磁接触器中的磁路设 计，文献[12]还采用了一种基于遗传算法的磁路设 计方法，通过分析不同气隙时吸反力的配合，基于
KEY WORDS: permanent magnetic AC contactor; protection mechanism; forced breaking; logic circuit design 摘要：提出一种带分断保护装置的新型永磁交流接触器，接 触器分为机构部分与控制电路部分。当永磁接触器控制回路 失电或者退磁线圈出现故障、接触器无法正常分断时，保护 装置此时会被触发，迫使接触器铁心克服永磁体吸力进行强
基金项目：浙江省自然科学基金面上项目(LY15E050011)；浙江省 “钱江人才计划”D 类计划项目(QJD1302003)；中国博士后科学基金项 目(2015M571904)；温州大学研究生创新基金(3162014035)。
Project Supported by Natural Science Foundation of Zhejiang Province (LY15E050011); “Qianjiang Talent” Research Program-D class (QJD1302003); China Postdoctoral Science Foundation (2015M571904); Graduate Innovation Fund of Wenzhou University(3162014035).
Zhejiang Province, China; 2. Delixi Group Co., Ltd., Whenzhou 325604, Zhejiang Province, China)
ABSTRACT: A new permanent magnet AC contactor was presented. When the contactor encounters breaking failure, the contactor can be forced to break under the actuation of a designed protection mechanism. A control circuit was developed to work with the making and breaking operations. The circuit was developed as two separate parts, the normal working circuit and the protection circuit. The normal working circuit was used for the normal operations and the protection circuit was used for the breaking protection when failure happened. In order to increase the working reliability, the power supply to the protection circuit was designed separately with the power of the normal working circuit. The power supply to the protection circuit was selected as the 380 V line voltage of the contactor contacts and the circuit was developed based on digital logic circuit design, without MCU. Time delay between the breaking control voltage and the auxiliary contact voltage was investigated. This time delay was used in the logic circuit design. Experimental results show that when the normal working circuit or the demagnetization coil encounters failure, the proposed contactor still can break effectively and potential electric damages can be avoided.
第期
舒亮等：一种新型永磁交流接触器及其控制电路
3
Rp1 Ra1
Rs1 Rs3
Rp2 Rp3
Ra2 Ra3
Hchm Rs2
Rm Rs4
图 3 等效磁路模型
Fig. 3 Equivalent magnetic circuit model
间隔，μr 为相对磁导率，ls 为磁路的总长度。Hc 为 永磁体矫顽力，hm 为永磁体厚度，S 为铁心中柱截 面积，μ0 为绝对磁导率，μr 为相对磁导率，κ为左 右侧柱的铁心截面对铁心中柱的截面的比值系数。
网络出版时间：2016-02-03 09:46:15 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20160203.0946.012.html
第 36 卷 第 0 期 2016 年 0 月 00 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
2
中国电机工程学报
第 36 卷
遗传算法对磁路的结构磁路整体进行了设计。 另一项影响永磁接触器动态特性的因素则是
控制电路的设计与优化。如文献[3,13]采用无位置 传感器的方法对永磁接触器动态特性进行控制，文 献[5]研究了电流反馈控制在永磁接触器中的应用， 文献[14]则采用仿真和实验的方法，将有无电流反 馈控制时接触器动态特性进行对比，仿真和实验结 果均显示采用电流反馈控制时接触器的动态性能 更优良。
DOI： 文章编号：0258-8013 (2016) 00-0000-00 中图分类号：TM 572
Vol.36 No.0 000.00, 2016 ©2016 Chin.Soc.for Elec.Eng. 1
一种新型永磁交流接触器及其控制电路
吴自然 1，舒亮 1，许成文 1，吴桂初 1，陈红 2
(1．浙江省低压电器智能技术重点实验室(温州大学)，浙江省 温州市 325000；2．德力西集团有限公司， 浙江省 温州市 325604)