永磁操动机构

方瑞明华侨大学电气工程与自动系Tel:13067059071Email：[e-mail]主要内容永磁操动机构简介研发永磁操动机构的意义永磁操动结构国内外的发展及现状常见永磁操动机构的结构及特点永磁操动结构研究所涉及的主要问题永磁操动机构的智能控制技术永磁操动机构简介1、永磁操动机构是用永磁体实现合闸保持和分闸保持(有时只用永磁体作合闸保持而不作分闸保持)的一种新型的电磁操动机构。2、按原理可分为单稳态和双稳态两种。1）双稳态永磁操动机构是指开关无论在分闸位置还是合闸位置，其保持力都由永久磁铁提供，它可分为对称式结构(双线圈式)和非对称式结构(单线圈式)。2）单稳态永磁机构是指开关在合闸位置，其保持力由永久磁铁提供，而在分闸位置则由分闸弹簧提供。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。永磁操动结构国内外的发展及现状在中压断路器领域，国外永磁机构技术的研究开始于20世纪80年代末，欧洲以英国和德国为代表。1）1989年英国曼彻斯特大学系统与能量组为GEC公司设计了一台永磁机构模型。2）1992年前后，永磁机构技术开始在英国工业应用。3）1995年英国的Whipp&Bourne公司进一步改进了结构。4）1997年ABBCalorEmag开关设备公司VM1型配永磁机构的真空断路器，VM1所配的永磁机构是一种双稳态线圈结构，采用电容其作为充放电组件，可以实现充合闸操作。采用微电子逻辑电子线路组成的控制单元及传感智能单元，微电子逻辑电子线路控制单元具有强的电磁干扰抑制能力，并具有自诊断及可通讯功能。5）英国IPEC公司推出用于中压开关装置的电磁驱动器（MAGACT）该公司将永久磁铁由静铁心移到动铁心上，且操作时所需的电能大大降低。6）继ABB公司之后，国外其它一些开关制造企业也纷纷向市场推出了类似的产品。乌克兰TAVRIDA公司的永磁驱动机构为单稳态结构，采用分闸弹簧使断路器保持在分闸位置。常见永磁操动机构的结构及特点永磁机构剖面简图如图，永磁机构共由七个主要零件组成：1、静铁心，为机构提供磁路通道，对于方形结构一般采用硅钢片叠形结构，圆形结构则采用电工纯铁或低碳钢；2、动铁心，是整个机构中最主要的运动部件，一般采用电工纯铁或低碳钢结构；3、4为永久磁体，为机构提供保持时所需要的动力；5、6为分闸线圈和合闸线圈;7为驱动杆，是操动机构与断路器传动机构之间的连接纽带。常见永磁操动机构的结构及特点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心提供的低磁阻抗通道将动铁心保持在上、下极限位置，而不需要任何机械连锁。当有动作信号时，合闸或分闸线圈中的电流产生磁动势，动、静铁心中的磁场由线圈产生的磁场与永磁体产生的磁场迭加合成，动铁心连同固定在上面的驱动杆，在合成磁场力的作用下，在规定的时间内以规定的速度驱动开关本体完成分合闸动作。此机构所以被称为两位式双稳态原理结构，是由于动铁心在行程终止的两个位置，不需要消耗任何能量即可保持。在传统的电磁机构，动铁心式通过弹簧的作用被保持在行程的一端，而在行程的另一端，靠机械锁扣或电磁能量进行保持。由上述可知，永磁机构是通过将电磁铁与永久磁铁特殊接合，来实现传统断路器操动机构的全部功能：由永久磁铁代替传统的脱锁扣机构来实现极限位置的保持功能，由分合闸线圈来提供操作时所需要的能量。可以看出，由于工作原理的改变，整个机构的零部件总数大幅减少，使机构的整体可靠性得到大幅提高。永磁操动机构的分类永磁机构的合闸都采用电磁操动按照机构在分闸时的不同，永磁机构可以分为电磁操动（也即俗称的双稳态）和弹簧操动（也即俗称的单稳态）两种形式。从线圈数目上分，分为双线圈式和单线圈式。从外形结构上分，分为方形结构和圆型结构。双线圈式永磁操动机构双线圈式永磁机构的特点是采用永久磁铁使真空断路器分别保持在分闸和合闸的极限位置上，使用一个激磁线圈将机构的铁芯从分闸位置推动到合闸位置，使用另一激磁线圈将机构的铁芯从合闸位置推动到分闸位置。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I3、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。单线圈式永磁机构单线圈式永磁机构也是采用永久磁铁使真空断路器分别保持在分闸和合闸极限位置上，但分合闸共用一个激磁线圈。合闸的能量主要来自激磁线圈，分闸的能量主要来自分闸弹簧。例如，英国Whipp&Bourne公司推出的GVR柱上真空断路器就是采用这种结构。单线圈永磁机构的结构简图1、工作气隙I2、分合闸线圈3、动铁芯4、永磁体5、工作气隙II6、静铁芯7、驱动杆单线圈式永磁机构工作原理当断路器处于分闸状态，如图(a)所示，线圈中无电流通过，在永磁体所产生的保持力的作用下，使断路器保持在分闸位置。当机构接到合闸命令时，激磁线圈2通入一正方向(分闸时的电流方向与其相反为反方向)电流。线圈电流所产生的磁场起到两方面的作用:1）一方面在工作气隙I处，使动铁芯的上端面产生一向上的吸力，以驱动断路器合闸;2）另一方面在工作气隙II处，产生与永久磁铁的磁感应强度方向相反的磁感应强度，起到削弱永久磁铁对动铁芯向下的保持力。当动铁芯受到激磁线圈向上的力大于永磁体的保持力时，动铁芯开始向上运动，驱动断路器进行合闸，同时，给分闸弹簧和触头弹簧储能，为分闸作好准备。断路器合闸到位后，如图(b)所示。线圈2断电后，此时不需任何能量和机械锁扣，靠永久磁铁的吸力使断路器保持在合闸位置。永磁操动机构的分类以上两类可称为双稳态永磁机构，即动铁芯在行程终止的两个位置上不需要任何外界能量或锁扣，仅由永磁力保持。分离磁路式永磁机构分离磁路式永磁机构就是把合闸、分闸和保持磁路分开，使用这种方法能优化磁路，永久磁铁只用于保持合闸位置。分离磁路式永磁机构的结构简图1、工作气隙I2、合闸线圈3、静铁心4、动铁芯5、分闸线圈6、永磁体7、工作气隙II8、衔铁分离磁路式永磁机构图(a)为该机构的分闸位置示意图，当机构接到合闸命令时，合闸线圈2通以电流。在此磁通回路中，不含有任何分磁路，绝大部分磁力线将穿过空气隙，空气隙的总长度较小，磁阻较低。合闸线圈中的电流逐渐增加，当增大到某一值时，动铁芯向上的力大于分闸弹簧的阻力和摩擦力时，动铁芯开始向上运动，驱动断路器合闸，同时给分闸弹簧储能。当合闸到位时，如图(b)所示，此时永久磁铁产生的磁场磁路较短，磁阻较小，可获得相当大的合闸保持力。因此，该结构可以用较小体积的永磁材料而产生较大的吸力，从而克服触头弹簧的反力，使断路器保持在合闸位置。双线圈式永磁机构其优点表现在:1)由于机构在进行合闸时，不需给分闸提供能量，因此与单线圈相比，合闸时所需能量较小。2)机构在合闸位置时，永久磁铁只需提供克服触头弹簧的力，而不包括分闸弹簧的力。它需要的改进之处是在断路器的分闸过程中，因断路器对操动机构要求有较高的刚分速度，这就需要在行程一开始就通以较大的电流。分闸过程中，由于工作气隙越来越小，激磁电流所产生的力越来越大，永久磁铁对分闸速度由原来的阻碍作用转变为推动作用，进一步加快断路器的分闸速度，导致行程终止时运动速度过高，形成很大的冲击。三种永磁机构优缺点比较三种永磁机构优缺点比较单线圈式永磁机构优点在于:1)分闸时是靠分闸弹簧和触头弹簧释放的能量动作，分闸弹簧的输出特性可与断路器所要求的速度特性一致，因此，可以通过调整分闸弹簧来调整分闸特性。2)分、合闸共用一个操作线圈，结构较简单，体积较小，更适合户外封闭式箱体内安装。需要改进之处主要表现为:1)该结构下永磁会受到反向磁场的作用，如果永磁材料长期受到反向磁场的作用，其磁性能将受到影响。一些学者对此加入分磁环进行改进。2)断路器在合闸位置时，反力为触头弹簧与分闸弹簧的力之和，所需的合闸保持力较大。三种永磁机构优缺点比较分离磁路式永磁机构的优点在于:1)两个激磁线圈和永磁体有各自的磁路，有利于分别对各个磁路进行结构优化。2)由于永磁体采用独立的磁路，并且导磁回路较短，因此该机构能用较少的永磁材料提供较大的合闸保持力。需要改进之处为:该式永磁机构的结构较复杂，要求加工精度较高，加工和装配难度较大。永磁操动结构研究所涉及的主要问题1、永磁操动机构静态特性与动态特性的分析与计算静态特性的计算与分析，建立永磁机构静态特性计算模型，采用有限元方法，对永磁机构内的磁场分布以及永磁保持力进行了计算与分析。动态特性的计算与分析。建立永磁机构动态特性数学模型，计算永磁机构分合闸电流、电容电压、动铁心的位移及速度、动触头的位移及速度等电磁参数和机械参数随时间变化的动态特性曲线。2、永磁机构的设计由于具体结构的不同，会产生多种情况，有必要进行永磁结构的深入分析研究，提出更具创意的新型结构形式。3、永磁操动机构控制方法能通过智能操作单元对电网参数进行采集和处理，对自身状态进行监测和判断，然后根据预先确定的程序动作。并可根据需要调整断路器的操动机构的运动参数，从而获得合适的分合闸速度和最佳分合闸时间。永磁操动机构静态特性分析1）永磁体模型的建立，由于机构中存在永磁体，磁场计算首先要建立永磁体的数学模型。2）电磁吸力的数值计算在永磁机构磁场中，作用在动铁心上的电磁吸力F可以通过计算包围动铁心的任意表面S上的应力p的面积分得到，3）涡流影响分析，永磁操动机构的静态特性的涡流对机构动作的时间和运动速度有很大影响。涡流能引起能量损耗,使得线圈产生的电磁吸力减小,永磁吸力的减小速率滞后于没有涡流时。4）可利用ANSYS软件进行，具体包括二维建模和三维建模永磁操动机构依赖于机构中磁场的变化来实现分合闸动作及保持功能，因此对机构中电磁场变化的研究对合理设计永磁机构，进行结构优化具有重要的意义。永磁操动机构静态特性分析（二维）永磁机构二维静态磁场磁感应强度B的矢量分布如图所示。从图中可以看出，在合闸位置时，大部分磁力线通过衔铁和静铁芯形成的低磁阻抗路径，因此衔铁受到较大的电磁吸力，在此吸力的作用下，克服分闸弹簧和触头弹簧的作用力，使机构保持在合闸位置。随着开距的增大，衔铁中的磁感应强度降低很快。与合闸位置时相比，经过工作气隙的磁力线减少很多，大部分磁力线通过了辅助气隙。因此，转动轴受到永磁体的吸力大大减少，在分闸弹簧的作用下，断路器处于分闸位置，此时的保持力由分闸弹簧提供。d=10mmd=6mmd=4mmd=0mm（闭合）永磁操动机构静态特性分析（三维）(a)总体的磁感应强度矢量分布图(b)衔铁中的磁感应强度矢量分布图（上图为闭合情况，下图为d=10