電磁斥力機(jī)構(gòu)緩沖方法研究

曹鵬飛, 姜楠, 趙成宏

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

近年來，隨著直流供電系統(tǒng)的飛速發(fā)展，發(fā)展快速直流開關(guān)已成為滿足直流輸電系統(tǒng)中低端保護(hù)需求的必然趨勢。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時，如果能夠在很短的時間內(nèi)分?jǐn)喙收想娏?，對于大容量直流系統(tǒng)的保護(hù)就會更加有利，因此就需要研究開發(fā)性能可靠的快速直流開關(guān)。

開發(fā)快速直流開關(guān)技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)之一就是需要設(shè)計快速的、合理可靠的快速操作機(jī)構(gòu)。高速電磁斥力機(jī)構(gòu)是近幾年國內(nèi)外研究較多的操作機(jī)構(gòu)之一。電磁斥力機(jī)構(gòu)的快速性必然帶來開關(guān)合分閘的彈跳問題，彈跳過大將會影響整個電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性。因此，對電磁斥力機(jī)構(gòu)的緩沖方式進(jìn)行研究，有很重要的意義。

1 電磁斥力機(jī)構(gòu)工作原理及國內(nèi)外概況

電磁斥力機(jī)構(gòu)最早是在1969年提出的，但引起廣泛關(guān)注則是近10多年。電磁推斥機(jī)構(gòu)的基本回路及裝置形式如圖1所示。

其工作原理為：通過預(yù)先充電的電容器向分閘或合閘線圈放電，通過線圈放電產(chǎn)生脈沖電流，在該脈沖電流的作用下，線圈周圍產(chǎn)生交變的磁場，并在鋁盤上產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的磁場和線圈產(chǎn)生的磁場相互作用，從而帶動連桿運動，實現(xiàn)開關(guān)的分?jǐn)嗷蜿P(guān)合。

目前國際上日本、荷蘭、韓國等國家都在大力開展電磁斥力操作機(jī)構(gòu)的研究工作。日本三菱公司開發(fā)了快速真空斷路器，采用電磁斥力操作機(jī)構(gòu)，在1周波以內(nèi)完成故障電流開斷。荷蘭、韓國關(guān)于電磁斥力操作機(jī)構(gòu)的研究已有多篇論文發(fā)表。國內(nèi)山東大學(xué)和大連理工大學(xué)對電磁斥力操作機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了一定理論研究。

2 電磁斥力機(jī)構(gòu)分閘緩沖與彈振

近年來隨著新材料的使用，快速開關(guān)逐漸向小開距化發(fā)展，分閘彈振容易造成觸頭分?jǐn)嗪蟮幕『笾負(fù)舸?，?dǎo)致分?jǐn)嗍。送?，過大的彈振幅度以及過多的彈振次數(shù)容易導(dǎo)致器件的損壞，降低開關(guān)的使用壽命。

圖2為一種典型的用電磁斥力機(jī)構(gòu)的快速開關(guān)結(jié)構(gòu)圖，電磁斥力機(jī)構(gòu)動作行程短、速度快，尤其對剛分速度要求較高，其行程末期的速度更高，將會對真空滅弧室波紋管造成致命的損傷。因此，合理設(shè)計緩沖對于電磁斥力機(jī)構(gòu)非常重要。而且由于其緩沖距離短，需要在很小的距離內(nèi)將快速運動部件的動能消耗掉，因此緩沖設(shè)計也是其難點之一。本文將對幾種常用的緩沖方式進(jìn)行對比分析。

2.1 彈簧緩沖

傳統(tǒng)的分閘緩沖常采用彈簧緩沖，將運動部件的動能轉(zhuǎn)換為彈簧的彈性勢能存儲起來，既起到分閘緩沖作用，又可提高機(jī)構(gòu)的合閘速度。

參照圖2模型，若采用彈簧緩沖，設(shè)緩沖彈簧的剛度為EH。運動部件質(zhì)量m=5kg，速度為v=8m/s。緩沖距離s=2mm。根據(jù)能量守恒定律有：

由上式求得 EH= 8 × 1 07N/m，可見所需要的緩沖彈簧的剛度極大，如此大剛度的緩沖彈簧帶來了一系列的問題：

1）彈簧尺寸很大，難以安裝布置。

2）若將運動部件與緩沖彈簧一起固定到該位置，則需要非常大的保持力，難以實現(xiàn)。

3）即使通過合理的設(shè)計，如采用鎖扣或者永磁機(jī)構(gòu)將運動部件與緩沖彈簧保持在緩沖位置，將運動部件的動能存儲在緩沖彈簧里，那么在合閘過程中，緩沖彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)換為運動部件的動能，將使運動部件合閘速度過高，動、靜觸頭產(chǎn)生強(qiáng)烈的碰撞，帶來很大的合閘彈跳問題。

2.2 電磁斥力緩沖

同樣是基于渦流感應(yīng)原理，在原有斥力機(jī)構(gòu)的斥力盤的另一面再添加一個線圈，作為緩沖線圈，通過精確的控制，在斥力盤運動到行程末期時，在緩沖線圈中通入一脈沖電流，該脈沖電流在斥力盤中產(chǎn)生感應(yīng)渦流，從而對斥力盤施加與斥力盤運動方向相反的力，起到緩沖作用。

通過合理地設(shè)計緩沖線圈參數(shù)及其放電回路參數(shù)，并且在適當(dāng)?shù)臅r刻投入緩沖，可以取得很好的緩沖效果。但是，這種緩沖裝置也具有如下缺陷：

1) 需要額外增加一個線圈及其放電回路及儲能電容的充電回路，增加了開關(guān)的質(zhì)量和體積。

2) 該緩沖方式還需要額外的位置傳感專制，用于確定緩沖投入時刻，增加了成本。

3) 需要精確的控制，增加了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，降低了可靠性。

2.3 氣（油）缸緩沖

氣缸緩沖的原理如圖3所示，其中，斥力盤起到了氣缸中的活塞的作用。在斥力盤向下運動拉動觸頭分閘的過程中，斥力盤壓縮氣缸下部空氣，下部氣壓增大，上部氣壓減小，形成壓強(qiáng)差，從而在斥力盤上產(chǎn)生阻礙斥力盤運動的反力，起到緩沖作用。

氣壓P與斥力盤位移s是一個反雙曲線的變換形式，如圖4所示。從圖中可以看出，在斥力盤運動位移s相對氣缸下部初始深度hd較小時，隨著位移s的增大，氣壓P增大得很慢，這主要是因為初始空氣密度小，其物質(zhì)的量比較小。當(dāng)位移s比較接近hd時， 隨著位移s的增大，氣壓P顯著增大。

如果僅從上述反力特性來看，氣缸緩沖還是很適合作為電磁斥力機(jī)構(gòu)的緩沖裝置的，它有如下優(yōu)點：a)在斥力盤運動前中期，反力很小，對提高機(jī)構(gòu)快速性影響不大，而在斥力盤運動后期，反力迅速增大，有效地起到緩沖作用；b)整個緩沖裝置僅需要在斥力盤周圍添加一個外罩，形成氣缸，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；c)可以集分閘緩沖與合閘緩沖于一體。

然而，上述分析都是在不考慮減壓孔以及氣體溫度變化的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。設(shè)計氣缸緩沖時，準(zhǔn)確設(shè)計氣缸緩沖的關(guān)鍵參數(shù)如減壓孔尺寸是非常困難的。此外，設(shè)計氣缸緩沖還存在其他問題，總結(jié)如下：a)設(shè)計過程復(fù)雜、計算難度大。b)零件生產(chǎn)加工精度要求極高，尤其是與斥力盤的配合。c)設(shè)計機(jī)構(gòu)行程較短時，氣缸緩沖的有效緩沖距離短，要在如此短的距離內(nèi)將高速運動的斥力盤等運動部件速度降到零，勢必需要提供極大的緩沖反力，粗略估算一下其反力峰值即在速度降為零、氣體壓縮量最大時能達(dá)到上百千牛，如此大的反力給分閘保持也帶來一定的問題，如機(jī)械鎖扣的零件強(qiáng)度等。從上述分析可見，氣缸緩沖方式具有其獨特的優(yōu)點，也具有一定的可行性，但是設(shè)計難度很大，生產(chǎn)加工精度要求很高，同時，氣缸緩沖也給其他部件帶來了一定的負(fù)面影響。

2.4 碰撞緩沖

由于動量在兩個物體的任何碰撞中都是守恒的，可以設(shè)想，當(dāng)斥力盤在行程末期與一個待碰撞物體碰撞后，其速度必然減小，合理地設(shè)計待碰撞物體的質(zhì)量，斥力盤等運動部件的速度可以降為零，很好地滿足了緩沖的要求。此外，由于待碰撞物體自身的緩沖行程要求相對較低，緩沖行程可以相對較大，能量在這個過程中慢慢消耗，因此，待碰撞物體的緩沖以及復(fù)位設(shè)計相對簡單。碰撞緩沖設(shè)計的關(guān)鍵是待碰撞物體的質(zhì)量計算。

斥力盤等運動部件的總質(zhì)量為m，其行程末期的速度為v1現(xiàn)假設(shè)待碰撞物體的質(zhì)量為m2，碰撞后，斥力盤等運動部件的速度為v2，待碰撞物體的速度為u，由動量守恒定律有：

假設(shè)碰撞過程是理想彈性碰撞，即碰撞過程沒有能量損失，由機(jī)械能守恒定律有：

可得

可見，當(dāng)待碰撞物體的質(zhì)量與斥力盤等運動部件質(zhì)量相等時，碰撞后，斥力盤等運動部件的速度降為零，是非常理想的緩沖。

假設(shè)碰撞后的總動能為碰撞前的α倍， α是由碰撞物體的材料決定的，α越小，碰撞過程中動能損失越大，即碰撞后，待碰撞物體的動能越小，越有利于待碰撞物體的緩沖與復(fù)位設(shè)計。與此同時，α越小也帶來了待碰撞物體的質(zhì)量和體積越大的不利影響。因此，需要結(jié)合實際綜合考慮選取適當(dāng)?shù)牟牧稀?/p>

本文采用碰撞緩沖作為分閘緩沖方式，設(shè)計電磁斥力機(jī)構(gòu)。理論上講，碰撞后，動觸頭等運動部件速度為零，考慮到實際情況下，存在摩擦等能量損失，且參數(shù)α是通過實驗總結(jié)的，具有一定的統(tǒng)計誤差，因此，碰撞后動觸頭等運動部件的速度可能并不為零。

在碰撞緩沖的基礎(chǔ)上設(shè)計添加限位擋板，限位擋板與分閘保持鎖扣共同作用可有效防止觸頭的分閘彈振。

[1]張文淵.真空斷路器合閘彈跳的危害性及對策.華北電力技術(shù)， 2001，4(36):12-14.

[2]劉君懷.真空斷路器的調(diào)試經(jīng)驗.高壓電器，1999，5(1):25-26.

[3]敖登貴，汪泰宇.限流斷路器利用電動斥力快速斥開動觸頭后產(chǎn)生的問題.低壓電器，2006，(6).

[4]徐黎明.淺析真空開關(guān)的合閘彈跳和分閘反彈.高壓電器，2000.