基于雙穩(wěn)態(tài)永磁操作機(jī)構(gòu)的不同結(jié)構(gòu)的電磁吸力分析

李衛(wèi)國　趙智忠

摘 要：為了保證斷路器長期的動(dòng)作可靠性，也為了滿足低壓真空斷路器滅弧室的性能要求，本文提出四種常見的不同結(jié)構(gòu)形式的雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過對雙穩(wěn)態(tài)永磁操作機(jī)構(gòu)原理的分析以及利用真空滅弧室參數(shù)的要求進(jìn)行理論計(jì)算最終得出操作機(jī)構(gòu)的一些參數(shù)，最后利用軟件ansoft對永磁體實(shí)體模型的磁場進(jìn)行有限元分析，通過對比不同大小電流下的電磁吸力從而進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并最終確定一種結(jié)構(gòu)，并且說明這種結(jié)構(gòu)的合理性、可行性。

關(guān)鍵詞：低壓真空斷路器；雙穩(wěn)態(tài)永磁操作機(jī)構(gòu)；真空滅弧室參數(shù)；實(shí)體模型；有限元分析

中圖分類號：TM153 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言

低壓斷路器廣泛應(yīng)用于低壓配電路中，它不僅擔(dān)負(fù)著反復(fù)地接通與斷開低壓配電電路，而且當(dāng)電路發(fā)生過載、短路等故障時(shí)可以立刻動(dòng)作，斷開電路。

近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展一些基于真空滅弧室的低壓斷路器相繼出現(xiàn)，但其操動(dòng)機(jī)構(gòu)基本上是傳統(tǒng)的彈簧或電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。由于在低壓電器中80%的故障都是機(jī)械故障。而彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)則是靠機(jī)械傳動(dòng)，零部件數(shù)量多，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)生故障的概率很高，所以減少機(jī)械部件成為減少故障問題的主要方法。

永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)作為一種新型真空斷路器的操作機(jī)構(gòu)，零部件少，運(yùn)動(dòng)部件只有一個(gè)動(dòng)鐵心，所以大大降低了故障源，幾乎不存在可靠性的問題、免維護(hù)，而且它的出力特性與反力特性配合良好，已經(jīng)普遍應(yīng)用于中、高壓領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)一種配合低壓真空滅弧室的雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。對幾種不同結(jié)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的電磁吸力特性進(jìn)行分析。

2 設(shè)計(jì)模型

2.1 四種不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對電壓等級不同的真空斷路器，由于所帶負(fù)載、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的不同，動(dòng)鐵心受永磁體的力也不相同，機(jī)構(gòu)的分、合閘動(dòng)作的時(shí)間（分合閘時(shí)間）、速度（分合閘速度）也不相同，因此永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、性能參數(shù)也不相同。所以，不同的斷路器，根據(jù)情況的不同需配備不同結(jié)構(gòu)形式的永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)前，首先應(yīng)該對結(jié)構(gòu)、參數(shù)和能耗進(jìn)行分析計(jì)算，使其均達(dá)到目標(biāo)要求。由此本文提出了結(jié)構(gòu)形式不同的四種雙穩(wěn)態(tài)永磁操作機(jī)構(gòu)：（a）永磁體緊靠動(dòng)鐵心，（b）永磁體緊靠動(dòng)鐵心，但由于在氣隙下面加了極靴，因此整個(gè)動(dòng)鐵心的長度減小，但是動(dòng)鐵心的行程與（a）保持相同，（c）永磁體緊靠靜鐵心，（d）永磁體占滿整個(gè)磁軛部分。

2.2 雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理

雖然結(jié)構(gòu)各不相同，但工作原理卻一致，以（a）為例說明。

假設(shè)開始時(shí)斷路器位于合閘的狀態(tài)，那么動(dòng)鐵心處于操動(dòng)機(jī)構(gòu)的頂部。所以機(jī)構(gòu)上端空氣隙小磁阻小，下端空氣隙大磁阻大，因此由永磁體所產(chǎn)生的磁力線絕大部分都通過上部磁路，將動(dòng)鐵心吸合在合閘位置。

當(dāng)對斷路器進(jìn)行分閘操作時(shí)，只需在分閘線圈中通過大小適當(dāng)?shù)碾娏?，而這一電流產(chǎn)生的磁力線和靜鐵心上部的磁力線方向完全相反，起到抵消的作用。但是分閘線圈在中部產(chǎn)生的磁力線方向與永磁體在中部產(chǎn)生的磁力線方向卻一致。因此動(dòng)鐵心受到的向上的電磁吸力逐漸減小，當(dāng)分閘線圈中的電流增大到一定程度時(shí)，動(dòng)鐵心所受到的電磁吸力之和大于動(dòng)鐵心上的負(fù)載，此時(shí)動(dòng)鐵心將會(huì)向下運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)動(dòng)鐵心開始向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，其機(jī)構(gòu)頂端與靜鐵心的上面的磁極之間的空氣隙會(huì)越來越大，進(jìn)而使上面的磁阻逐步增大，而下面的磁阻則會(huì)慢慢變小。并且向下運(yùn)動(dòng)的過程中伴有電流的增大，使動(dòng)鐵心受的向下的合力增大，進(jìn)而使得整個(gè)動(dòng)鐵芯加速向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)動(dòng)鐵芯到達(dá)底部會(huì)被永磁體所吸合，此時(shí)即使斷開分閘線圈中的電流，動(dòng)鐵心依舊會(huì)維持在機(jī)構(gòu)的底部即分閘狀態(tài)。

合閘過程與分閘過程完全相似；這里不再敘述。

3 理論分析及計(jì)算

以上的公式說明任何磁場都可當(dāng)作由分布電流產(chǎn)生，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)永磁體有以下兩種電流模擬的方法：

（1）永磁體整個(gè)區(qū)域內(nèi)部充滿電流的模型（體電流模型）。

（2）永磁體外部邊界上存在的電流的模型（面電流模型）。

4 仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)

永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分、合閘操作以及位置維持依賴于機(jī)構(gòu)內(nèi)部的磁場變化來實(shí)現(xiàn)，所以對機(jī)構(gòu)中的磁場變化進(jìn)行研究具有重要意義。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際理論計(jì)算出的尺寸進(jìn)行實(shí)體建模并做如下仿真。

（1）未通電情況下，永磁體單獨(dú)作用的磁通分布可以說明其工作原理。由于下面的磁路的空氣隙使磁阻很大，所以此時(shí)磁通幾乎都通過上面的磁路。

（2）當(dāng)接收到分閘命令后，分閘線圈中開始通電，線圈產(chǎn)生的磁場使動(dòng)鐵心下面的磁場變強(qiáng)。隨著電流的不斷增強(qiáng)，動(dòng)鐵心受線圈產(chǎn)生向下的吸力變大，此力與永磁體產(chǎn)生的電磁吸力相反。使動(dòng)鐵心受到的向上電磁吸力越來越小。

（3）通過對不同電流等級的磁力線分布獲得不同結(jié)構(gòu)下的電磁力之和，通過分析結(jié)果進(jìn)而做出優(yōu)化選擇。由于優(yōu)化是又一個(gè)深入的課題，再次就不加以論述。

結(jié)論

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出：

（1）當(dāng)分、合閘線圈中通入的電流為零時(shí)，動(dòng)鐵心受到的吸力與其體積成正比。

（2）（a）結(jié)構(gòu)線圈作用在動(dòng)鐵心上的力是最先克服永磁吸力向下運(yùn)動(dòng)的，而（b）、（c）、（d）結(jié)構(gòu)的線圈需要通入很大的電流才能使動(dòng)鐵心開始動(dòng)作。

由此可知，在設(shè)計(jì)永磁機(jī)構(gòu)時(shí)，選擇方向的不同，會(huì)使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)也不同。如果從節(jié)能方面考慮，（a）結(jié)構(gòu)更加合適，原因是和另外三種結(jié)構(gòu)相比（a）中線圈通入的電流很小時(shí)動(dòng)鐵芯就開始動(dòng)作；若從結(jié)構(gòu)小型化來設(shè)計(jì)，（d）更好，因?yàn)樵诓僮髟O(shè)備體積相同的時(shí)候，（d）結(jié)構(gòu)提供的永磁吸力是最大的。盡管（c）結(jié)構(gòu)耗能大，但是也有它自己的優(yōu)點(diǎn)，比如如果通入的電流很大時(shí)它所產(chǎn)生的永磁吸力也很大，所以（c）結(jié)構(gòu)更適合電壓相對較高的真空斷路器。

綜合考慮低壓真空斷路器滅弧室的性能要求（動(dòng)作快，精度高），所以在設(shè)計(jì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，（a）更合理、可行。

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