高壓斷路器有限轉(zhuǎn)角永磁電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)兩種定子結(jié)構(gòu)

李永祥 林 莘 徐建源

（沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 沈陽 110870）

1 引言

高壓斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的保護(hù)和控制設(shè)備。操動(dòng)機(jī)構(gòu)作為斷路器的組成部分具有重要地位，它不但要保證斷路器長期的動(dòng)作可靠性，而且要滿足滅弧特性對操動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求。目前比較常用的操動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)、彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)和液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)等[1]。

為了克服傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的局限性,提高斷路器的操作性能,有必要進(jìn)行高壓斷路器新型操動(dòng)機(jī)構(gòu)的開發(fā)。本文研究了一種應(yīng)用于高壓斷路器的有限轉(zhuǎn)角永磁電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，這種新型的操動(dòng)機(jī)構(gòu)只有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)轉(zhuǎn)子部件,運(yùn)動(dòng)的部件和直接撞擊的部位少、噪聲小。該操動(dòng)機(jī)構(gòu)用電容器代替彈簧或壓縮空氣來存儲(chǔ)控制操動(dòng)機(jī)構(gòu)的能量,能量從儲(chǔ)能電容器經(jīng)過電力電子器件組成的逆變器輸出,直接驅(qū)動(dòng)斷路器動(dòng)觸頭,進(jìn)行分合閘操作,減少了中間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),有較高的效率和可靠性。

對于高壓斷路器而言，電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了一種全新的工作原理。它有以下的優(yōu)點(diǎn)：①由于運(yùn)動(dòng)部件只有一個(gè)，因此簡單可靠；②采用電容器作為操作能源,其操作能耗比較小，還具有較高的效率；③具有較高的快速響應(yīng)能力和較高的精度，從而符合真空斷路器的特性要求；④采用了現(xiàn)代的控制理論和基于微處理器的數(shù)字控制系統(tǒng)，使電機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程可控，可以精確的控制斷路器的開斷和關(guān)合的時(shí)間，而且還可以按照預(yù)定的曲線運(yùn)動(dòng)。能夠很方便的實(shí)現(xiàn)通信、實(shí)時(shí)監(jiān)測和故障診斷功能，符合斷路器的智能化對操動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求[2-7]。

2 有限轉(zhuǎn)角永磁電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)

2.1 高壓斷路器電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的 40.5kV配電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的真空斷路器結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。這種電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)由一臺(tái)有限轉(zhuǎn)角永磁電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)主軸——轉(zhuǎn)軸，電機(jī)通過法蘭與斷路器轉(zhuǎn)軸連接。操動(dòng)機(jī)構(gòu)與斷路器之間通過四連桿機(jī)構(gòu)連接。

圖1 40.5kV配永磁電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)真空斷路器結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure of 40.5kV equipped motor operating mechanism VCB

對于高壓斷路器而言，每次分合閘時(shí)間只有幾十個(gè)毫秒，所以要求電機(jī)的響應(yīng)速度快，在線路發(fā)生故障時(shí)能夠迅速動(dòng)作。對于電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)而言，電機(jī)的響應(yīng)速度也不是越快也好。以斷路器的分閘為例，在分閘前期，要求響應(yīng)的速度較高，使得動(dòng)觸頭具有很高的剛分速度，以保證斷路器的滅弧能力。在分閘末期，要求響應(yīng)速度較低，目的是為了減小動(dòng)觸頭的速度以削弱對斷路器的沖擊。由于真空斷路器配有觸頭彈簧，在合閘過程結(jié)束時(shí)觸頭彈簧被壓縮，一方面為觸頭提供預(yù)緊力，克服短路電動(dòng)力的影響；另一方能夠提供一部分分閘能量。但在合閘過程中，電機(jī)機(jī)構(gòu)必須能夠克服觸頭彈簧的反力[8]。

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)

有限轉(zhuǎn)角永磁電動(dòng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 有限轉(zhuǎn)角永磁無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of limited angle permanent magnetic brushless DC motor

2.2.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)選取

有限轉(zhuǎn)角永磁電動(dòng)機(jī)永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上，常見的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要有兩種如圖3所示。與矩形永磁體切向磁化永磁電機(jī)相比，瓦形永磁體徑向充磁結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)，由于電樞磁勢通過永磁體，永磁體磁導(dǎo)率接近空氣，所以這種電機(jī)電樞反應(yīng)電感小，對氣隙磁場畸變小，機(jī)械特性硬[9-10]。本文設(shè)計(jì)的電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)采用瓦形永磁體徑向充磁結(jié)構(gòu)。

圖3 有限轉(zhuǎn)角永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Fig.3 Rotor structure of limited angle permanent magnet motor

2.2.2 定子結(jié)構(gòu)選取

定子鐵心結(jié)構(gòu)與普通的同步電動(dòng)機(jī)及異步電動(dòng)機(jī)相同，本文分析了兩種定子結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 定子結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of stator

通過有限元的方法對兩種定子結(jié)構(gòu)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了分析，齒槽轉(zhuǎn)矩如圖5所示。由圖可以看出，多槽結(jié)構(gòu)的電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩小，周期為一個(gè)齒距，周期較短，對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩影響較小。雖然少槽結(jié)構(gòu)的定子去除了不放繞組的槽，有利于減小電機(jī)體積、重量，但結(jié)構(gòu)的不平衡使得齒槽轉(zhuǎn)矩較大，且周期為一個(gè)極距，周期較長。

圖5 兩種定子結(jié)構(gòu)的齒槽轉(zhuǎn)矩Fig 5 Cogging torque of two stator structures

2.2.3 電負(fù)荷、磁負(fù)荷的選取[11]

電機(jī)既要滿足斷路器性能要求，又要保證電機(jī)體積小，結(jié)構(gòu)合理。電機(jī)在能夠滿足斷路器性能要求的情況下，電機(jī)體積設(shè)計(jì)得越小越好，一方面符合高壓斷路器小型化的趨勢，另一方面，電機(jī)成本低、重量輕、安裝方便。由于電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間比較短，所以設(shè)計(jì)中可以將電機(jī)電負(fù)荷和磁負(fù)荷設(shè)計(jì)到最大，電機(jī)的體積也將大大減小。

一般來說中小功率永磁電機(jī)電負(fù)荷設(shè)計(jì)在100～300A/cm，中等功率永磁電機(jī)電負(fù)荷設(shè)計(jì)在300A/cm，本電機(jī)屬于中小型電機(jī)，由于短時(shí)運(yùn)行，可以忽略電機(jī)發(fā)熱的影響。電負(fù)荷可以取得很高，本設(shè)計(jì)預(yù)取電負(fù)荷1000A/cm，相當(dāng)于普通電機(jī)過載5倍運(yùn)行。

永磁電機(jī)磁負(fù)荷指氣隙磁通密度，普通永磁電機(jī)氣隙磁通密度在 0.4～0.6T，好的能達(dá)到 0.8T以上，為節(jié)省永磁體的用量，提高永磁體的利用率，永磁電機(jī)將永磁體工作點(diǎn)設(shè)計(jì)在磁能積最大處，設(shè)計(jì)時(shí)一般取0.6～0.8T。電機(jī)電負(fù)荷、磁負(fù)荷越高，功率密度越大，電機(jī)體積越小。本文為了獲得高功率密度的電機(jī)，因此將永磁體工作點(diǎn)設(shè)計(jì)在1.0T，為普通永磁電機(jī)的2倍，大大提高電機(jī)磁負(fù)荷。同時(shí)，永磁體厚度的增加能夠降低電樞反應(yīng)電感，減小電樞反應(yīng)對氣隙磁場的畸變，提高電機(jī)的伺服性能以及獲得較硬的機(jī)械特性。

2.2.4 極對數(shù)、氣隙及極弧系數(shù)的選取[11]

對于有限轉(zhuǎn)角永磁電機(jī)而言，電機(jī)極數(shù)直接影響電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍。對于電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，其轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為60°，若p＞3，最大轉(zhuǎn)動(dòng)范圍小于60°，不符合電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求；取 p=3，最大轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為60°機(jī)械角，起始轉(zhuǎn)矩系數(shù)較小，不利于電機(jī)的起動(dòng)；取 p=2，最大轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為 90°機(jī)械角，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 60°，設(shè)計(jì)繞組分布范圍為 30°，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中轉(zhuǎn)矩系數(shù)基本不變，有利于電機(jī)的控制。取p=1。最大轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為180°機(jī)械角，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)60°，繞組分布范圍可設(shè)計(jì)120°。與4極電機(jī)相比，每極磁路較長，定子軛部磁通密度較大，不利于氣隙磁通密度的提高。因此本文的電機(jī)設(shè)計(jì)為4極電機(jī)。

對于永磁電機(jī)，極弧系數(shù)越大，電機(jī)出力越大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越小。綜合考慮了電機(jī)結(jié)構(gòu)、機(jī)械強(qiáng)度等各方面因素本設(shè)計(jì)取極弧系數(shù)為0.9。氣隙是電機(jī)中機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的場所，氣隙的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。一方面由于氣隙磁導(dǎo)率很低，氣隙越大、氣隙磁通密度越小，因此氣隙應(yīng)該盡可能??；另一方面，氣隙越大電樞反應(yīng)對氣隙磁場的影響越小，電樞磁勢對永磁體去磁的影響越小，氣隙越小，對加工的要求越高，安裝也越困難。因此綜合考慮，氣隙設(shè)計(jì)為1mm。

2.2.5 長細(xì)比的設(shè)計(jì)

電機(jī)功率和體積有關(guān)，同樣的電磁負(fù)荷，電機(jī)的體積越大，功率也越大。當(dāng)電機(jī)的電磁負(fù)荷和電機(jī)的功率確定時(shí)，電機(jī)就有確定的體積。電機(jī)在確定的體積下，電機(jī)的外形可以做成扁粗型，或者細(xì)長型。兩種形狀的電機(jī)出力大小一樣，但細(xì)長型電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小于扁粗型，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小意味著響應(yīng)速度快，對于斷路器而言，要求電機(jī)響應(yīng)越快越好。因此本電機(jī)的設(shè)計(jì)選用細(xì)長型。普通電機(jī)長細(xì)比一般在0.9～1.0，本設(shè)計(jì)取長細(xì)比λ =2，為普通電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的兩倍，系統(tǒng)慣量降低一半，有利于響應(yīng)速度及伺服性能的提高。

3 兩種定子結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)的仿真分析

本文采用有限元方法對兩種定子結(jié)構(gòu)的電機(jī)進(jìn)行有限元分析和二維動(dòng)態(tài)特性仿真。通過有限元分析和動(dòng)態(tài)特性仿真，驗(yàn)證電機(jī)設(shè)計(jì)是否合理，同時(shí)確保電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)性能滿足斷路器的要求[12-16]。

3.1 有限元分析

3.1.1 空載情況

圖6為空載時(shí)少槽電機(jī)和多槽電機(jī)的磁通密度分布及氣隙磁通密度圖。從圖6可看出，少槽電機(jī)的部分定子軛部磁通密度為1.7T，轉(zhuǎn)子部分軛部磁通密度為1.6T，部分齒部磁通密度達(dá)到1.9T。多槽電機(jī)的部分轉(zhuǎn)子軛部磁通密度較高，達(dá)到2.0T，定子部分磁路磁通密度達(dá)到1.8T，由于增大了定子外徑，定子部分磁路磁通密度達(dá)到1.4T，齒部磁通密度也達(dá)到了1.8T?？傮w而言，電機(jī)各部分的磁通密度都偏高，由于電機(jī)是工作在短時(shí)過負(fù)載狀態(tài)下，因此，可以允許各部分磁通密度偏高。

圖6 空載時(shí)電機(jī)磁通密度分布和氣隙磁通密度Fig.6 The magnetic density and air-gap magnetic desity distribution of mutil-slot motor in no-load

由圖6可知，由于采用了特殊結(jié)構(gòu)，使得磁路變化比較大，因此少槽電機(jī)的氣隙磁通密度變化比較大，在槽對應(yīng)的氣隙下氣隙磁通密度為1.0T，其他為0.5T。與少槽電機(jī)相比，多槽電機(jī)磁路均勻，氣隙磁通密度近似為方波，氣隙平均磁通密度達(dá)到1.0T，略低于少槽電機(jī)齒槽對應(yīng)部分氣隙磁通密度，但基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.1.2 負(fù)載情況（最大電流作用下）

對于負(fù)載情況，本文給出了最大電流（150A）作用下少槽電機(jī)和多槽電機(jī)的磁通密度分布和氣隙磁通密度和兩種定子結(jié)構(gòu)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線。

圖7分別為最大（150A）電流作用下電機(jī)的磁通密度和氣隙磁通密度分布圖。由圖7可知，少槽電機(jī)的部分定子軛部磁通密度為1.6T，轉(zhuǎn)子部分軛部磁通密度為1.5T，部分齒部磁通密度達(dá)到1.8T。多槽電機(jī)的部分轉(zhuǎn)子軛部磁通密度較高，達(dá)到1.8T，定子部分磁路磁通密度達(dá)到1.7T，由于增大了定子外徑，定子部分磁路磁通密度達(dá)到1.3T，齒部磁通密度也達(dá)到了2.1T。

圖7 最大電流（150A）作用下電機(jī)磁通密度分布和氣隙磁通密度Fig.7 The magnetic density and air-gap magnetic desity distribution of mutil-slot motor in the maxmium current (150A)

由圖7可知，少槽電機(jī)和多槽電機(jī)在最大電流作用下氣隙磁通密度一部分被加強(qiáng)，一部分被削弱，對于少槽電機(jī)而言，被削弱部分氣隙磁通密度小于0.5T，對于多槽電機(jī)而言，被削弱部分氣隙磁通密度大于0.5T。但是電樞反應(yīng)遠(yuǎn)未達(dá)到使永磁體退磁的水平。

圖8為繞組通入150A時(shí)，兩種定子結(jié)構(gòu)電機(jī)的轉(zhuǎn)子處于不同位置時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。由圖8可知，對于多槽結(jié)構(gòu)的電機(jī)而言，電磁轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化，脈動(dòng)幅值只有十幾N·m，轉(zhuǎn)矩逐漸變大，而后減小，在 30°附近達(dá)到最大值，轉(zhuǎn)矩存在脈動(dòng)，脈動(dòng)幅值較小。對于少槽結(jié)構(gòu)的電機(jī)，轉(zhuǎn)矩隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)而降低，由于齒槽的影響，使得轉(zhuǎn)矩系數(shù)降低，機(jī)械特性變軟，輸出功較小，伺服性能變差。

因此相對于少槽結(jié)構(gòu)的電機(jī)而言，多槽結(jié)構(gòu)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)變化相對較小，輸出功較大，機(jī)械特性較硬，伺服性能相對較好。

圖8 轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角的關(guān)系Fig.8 Relationship between torque and angle

3.2 動(dòng)態(tài)特性有限元仿真

針對型號為 TD12—40.5/1600—31.5戶內(nèi)真空斷路器，額定短路開斷電流為31.5kA。通過對斷路器的分/合閘運(yùn)動(dòng)過程分析計(jì)算，等效到轉(zhuǎn)軸上的反力矩及運(yùn)動(dòng)部件的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如圖9所示。對于真空斷路器而言，反力主要有觸頭彈簧的反力、真空滅弧室對觸頭的反力以及機(jī)械摩擦阻力等。超程階段觸頭彈簧提供的反力矩達(dá)到330N·m，在分閘時(shí)為動(dòng)力，合閘時(shí)為阻力。觸頭運(yùn)動(dòng)階段滅弧室對觸頭的反力，在分閘時(shí)為阻力，合閘時(shí)為動(dòng)力。相對來說摩擦阻力很小，且可以通過提高加工精度、潤滑等措施減小，因此在分析計(jì)算時(shí)忽略不計(jì)。由于超程階段三角拐臂和動(dòng)觸頭不參與運(yùn)動(dòng)，因此系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，且在超程結(jié)束時(shí)有突變。

圖9 等效到轉(zhuǎn)軸上的反力矩及等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Fig 9 Counter-torque and equivalent rotating inertia reduced to the shaft

對于有限轉(zhuǎn)角永磁電機(jī)，每極每相槽數(shù)為3，定子繞組的并聯(lián)支路數(shù)取1，繞組中通單相電流，繞組的匝數(shù)為 120，漏電感為 0.1mH，繞組的電阻為1.125Ω，定子導(dǎo)磁材料選用的是 DW470硅鋼片，次級采用永磁體釹鐵硼N40和10號鋼。設(shè)置初始運(yùn)動(dòng)速度和初始電流為零，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.07kg·m2。在分合閘時(shí)采用直流 200V 的電源。通過上述電機(jī)模型的參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，并考慮歸算到操動(dòng)機(jī)構(gòu)側(cè)的反力及等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，對兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真。

3.2.1 分閘過程

通過對分閘過程的動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算，得到兩種定子結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)機(jī)構(gòu)在分閘時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩及電樞電流曲線如圖10所示。

圖10 分閘過程中電機(jī)的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速曲線Fig.10 Torque and current curve of motor in breaker opening

從圖10可以看出，對于少槽結(jié)構(gòu)的電機(jī)，電流最大達(dá)到 100A，最大轉(zhuǎn)矩為 300N·m。由于齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，分、合閘過程中轉(zhuǎn)矩與電流的跟隨性都較差，不利于電機(jī)的伺服控制。對于多槽結(jié)構(gòu)的電機(jī)而言，當(dāng)電流最大達(dá)到 95A時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩為230N·m。在分閘過程中電磁轉(zhuǎn)矩和電流的變化基本一致，有利于電機(jī)的伺服控制，轉(zhuǎn)矩有一定的波動(dòng)。

電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角特性曲線如圖 11所示。由圖 11可知，對于少槽結(jié)構(gòu)的電機(jī)，超程階段只有10ms，分閘時(shí)間 9ms，整個(gè)分閘過程 19ms。在超程階段，轉(zhuǎn)速迅速增加達(dá)到最大值（1130r/min），由于超程結(jié)束后，運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量突然增加，所以速度會(huì)突然減小。對于多槽結(jié)構(gòu)的電機(jī)，超程階段為12ms, 分閘時(shí)間8.5ms，分閘時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速在超程結(jié)束前最大達(dá)到 1100r/min，分閘響應(yīng)時(shí)間達(dá)到了21.5ms。

3.2.2 合閘過程

通過對合閘過程的動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算，得到兩種定子結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)機(jī)構(gòu)在合閘時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩及電樞電流曲線如圖12所示。

從圖12可以看出，對于少槽結(jié)構(gòu)的電機(jī)，電流最大達(dá)到 130A，最大轉(zhuǎn)矩為 330N·m。在分閘過程中電磁轉(zhuǎn)矩和電流的變化相差比較大，跟隨性不好，轉(zhuǎn)矩有一定的波動(dòng)。對于多槽結(jié)構(gòu)的電機(jī)而言，當(dāng)電流最大達(dá)到120A時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩為300N·m。在分閘過程中電磁轉(zhuǎn)矩和電流的變化基本一致，轉(zhuǎn)矩有一定的波動(dòng)。

由于分閘時(shí)觸頭彈簧提供部分分閘能量，合閘時(shí)需要觸頭彈簧儲(chǔ)存能量，所以合閘時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩和電流要比分閘時(shí)大。

圖12 合閘過程中電機(jī)的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速曲線Fig.12 Torque and current curve of motor in breaker closing

電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角特性曲線如圖13所示。由圖13可知，對于少槽結(jié)構(gòu)的電機(jī)，超程階段只有9.5ms，合閘時(shí)間15.5ms，整個(gè)合閘過程24ms。轉(zhuǎn)速隨著時(shí)間逐漸的增大，達(dá)到合閘位置時(shí)速度達(dá)到最大值（700r/min），然后逐漸的減小。對于多槽結(jié)構(gòu)的電機(jī)，超程階段為 11.5ms，合閘時(shí)間 19ms，合閘響應(yīng)時(shí)間達(dá)到了30.5ms。轉(zhuǎn)速隨著時(shí)間逐漸的增大，達(dá)到合閘位置時(shí)速度達(dá)到最大值（600r/min）。

對于這兩種結(jié)構(gòu)的電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，相比而言，采用少槽電機(jī)的機(jī)構(gòu)響應(yīng)更快，分合閘時(shí)間短，速度快。單從響應(yīng)速度、分合閘快慢這方面來說，采用少槽電機(jī)的機(jī)構(gòu)性能更好，但電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究主要解決以往操動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)過程不可控的缺點(diǎn)，提高斷路器智能化。電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)不僅要滿足斷路器對分合閘的要求，還需要具有良好的伺服性能。因此應(yīng)選擇多槽電機(jī)作為電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

研制了多槽有限轉(zhuǎn)角永磁電機(jī)樣機(jī)，并且與斷路器進(jìn)行了聯(lián)機(jī)性能試驗(yàn)測得合閘過程中動(dòng)觸頭的行程曲線如圖14所示。由圖14可知，運(yùn)動(dòng)行程達(dá)到了 25mm，合閘時(shí)間為 15ms，平均合閘速度為1.67m/s，基本滿足斷路器的合閘操作的要求。

圖13 合閘過程中電機(jī)的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速曲線Fig.13 Angle and revolution curve of motor in brecker closing

圖14 合閘過程中觸頭的行程曲線Fig.14 The stroke curve of contact in breaker closing

4 結(jié)論

本文基于 40.5kV真空斷路器研究了電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)。在電機(jī)設(shè)計(jì)方面，針對斷路器的操作的特點(diǎn)，提出了一種新型的有限轉(zhuǎn)角永磁電機(jī)機(jī)構(gòu)，對于這種電機(jī)在結(jié)構(gòu)和參數(shù)的設(shè)計(jì)給出了依據(jù)。在動(dòng)態(tài)仿真分析方面，通過兩種定子結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)的有限元分析和動(dòng)態(tài)的仿真，一方面驗(yàn)證了電機(jī)設(shè)計(jì)比較合理，同時(shí)在動(dòng)態(tài)特性方面，對于有限轉(zhuǎn)角永磁電機(jī)提供的機(jī)械特性基本滿足高壓斷路器分合閘操作的要求。

通過樣機(jī)與斷路器的聯(lián)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)，多槽永磁電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)提供的機(jī)械特性能夠滿足斷路器的合閘操作特性要求，為進(jìn)一步的研究電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)提供了依據(jù)。

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