雙線圈并行驅(qū)動(dòng)的永磁高速操作機(jī)構(gòu)

魏新勞　萬潤楠

摘要：操作機(jī)構(gòu)是斷路器的核心部分，而斷路器的優(yōu)劣直接影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)對(duì)斷路器分合閘要求的不斷提高，為了獲得更快更好的分合閘操作，提出了一種新型雙線圈并行驅(qū)動(dòng)的永磁高速操作機(jī)構(gòu)。分別對(duì)單驅(qū)動(dòng)線圈操作機(jī)構(gòu)和雙驅(qū)動(dòng)線圈操作機(jī)構(gòu)的工作原理進(jìn)行了闡述，應(yīng)用Ansoft軟件，建立了單驅(qū)動(dòng)線圈操作機(jī)構(gòu)和雙驅(qū)動(dòng)線圈操作機(jī)構(gòu)的二維仿真模型，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。實(shí)際設(shè)計(jì)制作了單驅(qū)動(dòng)線圈操作機(jī)構(gòu)和雙驅(qū)動(dòng)線圈操作機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，雙驅(qū)動(dòng)線圈的永磁高速操作機(jī)構(gòu)和單驅(qū)動(dòng)線圈的永磁操作機(jī)構(gòu)相比，具有更快更好的動(dòng)作性能，從而達(dá)到了對(duì)單驅(qū)動(dòng)線圈的永磁高速操作機(jī)構(gòu)的一種優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：電磁彈射；永磁操作機(jī)構(gòu)；Ansoft Maxwell仿真

中圖分類號(hào)：TM153.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007-2683（2017）0l-0001-07

0 引言

隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)的發(fā)電容量和裝機(jī)容量不斷增長，這使得電力系統(tǒng)的短路容量迅速增加，這就對(duì)斷路器提出了更高的技術(shù)要求。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，快速合理地?cái)嚅_應(yīng)該斷開的斷路器，盡量避免故障擴(kuò)大化，對(duì)于保障電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性都至關(guān)重要。

斷路器的開關(guān)性能主要體現(xiàn)在觸頭的分合閘動(dòng)作上，而分合閘動(dòng)作又是通過操作機(jī)構(gòu)來完成的，所以操作機(jī)構(gòu)的觸頭分合速度和工作的可靠性直接決定了斷路器的整體性能。

目前，在電力系統(tǒng)中實(shí)際使用的斷路器操作系統(tǒng)主要包括：手動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)、電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)、彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)和永磁操作機(jī)構(gòu)。

永磁操作機(jī)構(gòu)誕生于1997年。20世紀(jì)初，由ABB在英國和美國的工程師聯(lián)合開發(fā)了一種新型VM1型真空斷路器，采用了僅有7個(gè)活動(dòng)元件組成的磁力驅(qū)動(dòng)裝置代替由數(shù)百個(gè)零件組成的傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)。其分合閘位置均靠永久磁鐵磁能保持。永磁操作機(jī)構(gòu)通過將電磁機(jī)構(gòu)與永久磁鐵的特殊結(jié)合來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)斷路器操作機(jī)構(gòu)的功能，其動(dòng)作部件及傳動(dòng)件數(shù)少，容易實(shí)現(xiàn)動(dòng)作控制，動(dòng)作時(shí)間的分散性少。

傳統(tǒng)的電磁操作機(jī)構(gòu)是利用通電螺線管線圈將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能來進(jìn)行合閘操作，合閘時(shí)由一只或者一組彈簧吸收一部分機(jī)械能并轉(zhuǎn)換成為彈簧的彈性勢能，分閘時(shí)由彈簧釋放合閘時(shí)儲(chǔ)存的勢能來提供動(dòng)力源。為保持分合閘狀態(tài)，此操作機(jī)構(gòu)中還設(shè)有專門的機(jī)械鎖扣裝置，這大大增加了斷路器的復(fù)雜性、降低了斷路器的可靠性。隨著研究的深入，研究人員在傳統(tǒng)的電磁操作機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上嘗試在機(jī)構(gòu)中用永磁體來替代機(jī)構(gòu)的鎖扣與脫扣裝置去實(shí)現(xiàn)斷路器分合閘狀態(tài)的保持，這種裝置就是永磁操作機(jī)構(gòu)。

永磁操作機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)勢：運(yùn)動(dòng)零部件減少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化，機(jī)械的可靠性能大幅度地被提高；對(duì)分合閘位置的保持采用的是永久磁鐵的磁力，避免了傳統(tǒng)操作機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的失誤，可以更加便捷地實(shí)現(xiàn)免維護(hù)運(yùn)作；相比較傳統(tǒng)的操作機(jī)構(gòu)，永磁機(jī)構(gòu)具有更優(yōu)質(zhì)的可操控性能，分、合閘線圈產(chǎn)生的電磁場可直接驅(qū)動(dòng)拋體；永磁操作機(jī)構(gòu)的輸出特性很好的匹配了斷路器的機(jī)械特性，使得斷路器能有實(shí)現(xiàn)較好的速度特性，為用于電力系統(tǒng)的斷路器的智能控制奠定了基礎(chǔ)。但是，到目前為止，永磁操作機(jī)構(gòu)的分、合閘時(shí)間仍然比較長，事實(shí)上，現(xiàn)在的永磁操作機(jī)構(gòu)在分、合閘時(shí)間上并沒有比傳統(tǒng)的電磁操作機(jī)構(gòu)改進(jìn)多少。

研制快速開關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)就是開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間為毫秒級(jí)的快速操作機(jī)構(gòu)。使用電磁發(fā)射技術(shù)作為動(dòng)力的快速斥力機(jī)構(gòu)可以滿足這種快速動(dòng)作的要求。

隨著脈沖功率技術(shù)和電磁發(fā)射技術(shù)的快速發(fā)展，目前其在快速操作機(jī)構(gòu)上的應(yīng)用越來越被重視。以電磁彈射為驅(qū)動(dòng)力的快速操作機(jī)構(gòu)比傳統(tǒng)的操作機(jī)構(gòu)具有觸頭運(yùn)動(dòng)速度更快，準(zhǔn)備周期更短等優(yōu)點(diǎn)。所以利用電磁發(fā)射技術(shù)作為驅(qū)動(dòng)方式的快速操作機(jī)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢。

本文把電磁彈射的原理應(yīng)用于操作機(jī)構(gòu)，提出了一種雙段并行驅(qū)動(dòng)的永磁高速操作機(jī)構(gòu)。通過Ansofi軟件進(jìn)行電磁仿真，仿真結(jié)果證明了這種方案的可行性和優(yōu)勢，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了單、雙驅(qū)動(dòng)線圈永磁操作機(jī)構(gòu)的樣機(jī)，對(duì)樣機(jī)的實(shí)際測試結(jié)果也證明了雙驅(qū)動(dòng)線圈永磁操作機(jī)構(gòu)確實(shí)具有比單驅(qū)動(dòng)線圈永磁操作機(jī)構(gòu)更好的特性。

1 永磁高速操作機(jī)構(gòu)的工作原理

1.1 單驅(qū)動(dòng)線圈操作機(jī)構(gòu)工作原理

操作機(jī)構(gòu)的核心是驅(qū)動(dòng)力的產(chǎn)生及其變化規(guī)律。對(duì)于高速操作機(jī)構(gòu)而言，其需要的驅(qū)動(dòng)力主要應(yīng)該具有快速變化和大幅值兩個(gè)方面?？紤]到電磁彈射所產(chǎn)生的電磁彈射力恰好具有幅值高和變化速度快的特點(diǎn)，所以，有許多研究人員都在嘗試?yán)秒姶艔椛淞ψ鳛轵?qū)動(dòng)力研制快速操作機(jī)構(gòu)。本文中的電磁高速機(jī)構(gòu)就是基于線圈型的電磁彈射進(jìn)行研究的。

最基本的線圈彈射裝置是由兩個(gè)線圈（合閘線圈和分閘線圈）和一個(gè)以軟磁材料為受力部件的運(yùn)動(dòng)體，一般加以脈沖或者交變電流產(chǎn)生的磁場，從而驅(qū)動(dòng)軟磁材料受力部件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)需要的動(dòng)作（如圖1）。由于它是在利用合（分）閘線圈和被加速物體之間的磁耦合機(jī)制工作，因此線圈型電磁發(fā)射器的本質(zhì)可以理解為直線電機(jī)。

當(dāng)受力部件位于驅(qū)動(dòng)線圈右側(cè)時(shí)（圖一中位置1），由電磁感應(yīng)定律知：受力部件受到的電磁力向左，從而推動(dòng)受力部件向左加速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)受力部件運(yùn)動(dòng)到驅(qū)動(dòng)線圈的中間位置時(shí)，受力為零，速度也達(dá)到最大。若受力部件繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，通過合閘線圈的中心橫截面以后（圖一中位置2），則受力部件受到向右的吸力，從而變成減速力。如果此時(shí)切斷線圈中的電流使受力部件不受減速力，就可以達(dá)到向左加速運(yùn)動(dòng)的目的。對(duì)于單線圈運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，合閘動(dòng)作的終止位置為分閘動(dòng)作的初始位置，受力部件的運(yùn)動(dòng)距離恰好等于操作機(jī)構(gòu)的開距，從而完成分合閘。

1.2 雙驅(qū)動(dòng)線圈操作機(jī)構(gòu)的提出

圖1中的受力部件上所受的力是每匝線圈對(duì)受力部件作用力的總合，根據(jù)電磁學(xué)基本原理可知，盡管位于線圈不同部位的線匝所通過的電流是完全相同的，但是，不同部位線匝中的電流在受力部件處產(chǎn)生的磁場是不同的，線圈內(nèi)側(cè)線匝中的電流在受力部件上產(chǎn)生的磁場要大于線圈外側(cè)線匝中的電流在受力部件上產(chǎn)生的磁場，也就是說，線圈內(nèi)側(cè)線匝中的電流作用在受力部件上的磁場力要大于線圈外側(cè)線匝中的電流作用在受力部件上的磁場力?；蛘?，換句話說，就受力部件的受力效率而言，線圈內(nèi)側(cè)線匝的作用力效率要高于線圈外側(cè)線匝的作用力效率?；谏厦娴姆治觯疚淖髡咛岢鲆环N多段式驅(qū)動(dòng)線圈的方案：就是將原來的一個(gè)合閘（分閘）線圈拆分成多個(gè)線圈，而保持拆分后的多段線圈的總匝數(shù)與拆分前單個(gè)線圈的匝數(shù)相同，讓拆分后的多個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈盡可能與受力部件（軟磁體）靠近以提高驅(qū)動(dòng)線圈的整體驅(qū)動(dòng)力。

本文將分（合）閘線圈分成兩個(gè)較薄的線圈（但線圈總匝數(shù)不變）（如圖3）。其中中陰影部分為受力部件（軟磁材料），非陰影部分為非磁性材料。圖3（a）為操動(dòng)機(jī)構(gòu)處于分閘狀態(tài)時(shí)的位置。當(dāng)要求合閘時(shí)，對(duì)兩個(gè)合閘線圈加激勵(lì)，受力部件將向左運(yùn)動(dòng)，完成合閘動(dòng)作，在確定的行程處停止。合閘過程終止后，操動(dòng)機(jī)構(gòu)處于合閘狀態(tài)，各部件位置如圖3（b）所示。當(dāng)要求分閘時(shí)，對(duì)兩個(gè)分閘線圈加激勵(lì)，受力部件將向右動(dòng)作，完成分閘動(dòng)作，并在確定的行程處停止。完成分閘動(dòng)作后的系統(tǒng)各部件位置如圖3（a）所示。

1.3 雙驅(qū)動(dòng)線圈操作機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)

圖4為雙驅(qū)動(dòng)線圈操作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。該機(jī)構(gòu)由短路銅環(huán)、軟磁材料、絕緣材料、永磁保持機(jī)構(gòu)、分（合）閘線圈、支架等組成。

圖4所示的位置對(duì)應(yīng)于開關(guān)處于完全開斷狀態(tài)，此時(shí)，如果對(duì)合閘線圈通電，驅(qū)動(dòng)桿將向左運(yùn)動(dòng)，此時(shí)短路銅環(huán)1和短路銅環(huán)2中也將產(chǎn)生感應(yīng)電流，根據(jù)楞次定律，短路銅環(huán)將向背離磁場的方向運(yùn)動(dòng)，即短路銅環(huán)1和短路銅環(huán)2也向左運(yùn)動(dòng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)桿到達(dá)要求位置（此位置與滅弧室中動(dòng)、靜觸頭完全閉合對(duì)應(yīng)），永磁保持機(jī)構(gòu)開始發(fā)揮作用，起到位置保持和給觸頭施加壓緊力作用。此時(shí)的雙驅(qū)動(dòng)線圈操作機(jī)構(gòu)各部件位置如圖5所示。

在圖5位置，如果對(duì)分閘線圈通電，驅(qū)動(dòng)桿將向右運(yùn)動(dòng)。此時(shí)短路銅環(huán)4和短路銅環(huán)5中也將產(chǎn)生感應(yīng)電流，根據(jù)楞次定律，短路銅環(huán)將向背離磁場的方向運(yùn)動(dòng)，即短路銅環(huán)4和短路銅環(huán)5也向右運(yùn)動(dòng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)桿到達(dá)要求分閘位置時(shí)，永磁保持機(jī)構(gòu)再一次開始發(fā)揮作用，起到位置保持作用。此時(shí)的雙驅(qū)動(dòng)線圈操作機(jī)構(gòu)各部件位置將如圖4所示。

2 永磁高速操作機(jī)構(gòu)仿真分析

為了對(duì)改進(jìn)的永磁高速操作機(jī)構(gòu)的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，本文用大型電磁場仿真計(jì)算軟件Ansoft進(jìn)行對(duì)比模型仿真分析。雙驅(qū)動(dòng)線圈操作機(jī)構(gòu)模型與單驅(qū)動(dòng)線圈操作機(jī)構(gòu)模型相比，只將單驅(qū)動(dòng)線圈操作機(jī)構(gòu)的分（合）閘線圈變成兩個(gè)匝數(shù)是原來匝數(shù)一半的線圈，模型具體參數(shù)如下。

2.1 Ansoft仿真模型及其外電路

由于本文所研究操作機(jī)構(gòu)本身是一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱體，因此，對(duì)其電磁場的分析采用RZ坐標(biāo)系。并且選擇z軸與機(jī)構(gòu)的實(shí)際對(duì)稱軸線完全重合。選定坐標(biāo)系后，還要選擇求解器，Ansoft中有六種求解器：靜磁場求解器，渦流場求解器，瞬態(tài)磁場求解器，靜電場求解器，交流場求解器，直流場求解器。由于本文主要研究的是驅(qū)動(dòng)桿的受力及運(yùn)動(dòng)特性，故選擇瞬態(tài)磁場求解器。分（合）閘線圈和驅(qū)動(dòng)桿進(jìn)行簡化后模型，如圖6。仿真模型尺寸按照表1中的模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。其中，軟磁材料采用steel-1008，分（合）閘線圈采用copper，非軟磁材料由vac-cum代替。

模型中的Band區(qū)域是將線圈與受力運(yùn)動(dòng)部件隔離開來，表示驅(qū)動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)而線圈靜止不動(dòng)。將分（合）閘線圈定義為coil，設(shè)定好匝數(shù)，并將其添加到繞組中。由于線圈的激勵(lì)是由外部電路（充滿電的電容器）所提供的，所以先將外部放電回路建立好，然后給線圈添加激勵(lì)的時(shí)候選擇導(dǎo)入設(shè)計(jì)好的外電路。外部電路圖如圖7。需要說明的是，在這個(gè)電路圖中，電感線圈代表驅(qū)動(dòng)線圈，其電感量等參數(shù)不能認(rèn)為給定，而是由軟件根據(jù)對(duì)驅(qū)動(dòng)線圈的結(jié)構(gòu)、材料等的參數(shù)的設(shè)置自己計(jì)算得到。

對(duì)于雙驅(qū)動(dòng)線圈模型操作機(jī)構(gòu)的模型建立，與單驅(qū)動(dòng)線圈操作機(jī)構(gòu)模型相比，只是將原有的分（合）閘線圈變成兩個(gè)線圈，但是總匝數(shù)不變。雙驅(qū)動(dòng)線圈操作機(jī)構(gòu)模型如圖8，外部電路圖如圖9。其中，軟磁材料采用steel_1008，分（合）閘線圈采用copper，非軟磁材料由vaccum代替。

在實(shí)際的操作機(jī)構(gòu)中，驅(qū)動(dòng)桿都會(huì)帶動(dòng)一部分負(fù)載，在模型中，在驅(qū)動(dòng)桿上加1kN負(fù)載反作用力。

2.2 仿真結(jié)果

2.2.1 單驅(qū)動(dòng)線圈操作機(jī)構(gòu)模型仿真結(jié)果

單驅(qū)動(dòng)線圈操作機(jī)構(gòu)模型在由圖7所示的外電路作用下，得到如下仿真結(jié)果。

在通電瞬問，軟磁材料受到電磁力作用，推動(dòng)整個(gè)驅(qū)動(dòng)桿移動(dòng)，隨著驅(qū)動(dòng)桿位置改變，軟磁材料所受的力越來越大。驅(qū)動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)速度也越來越大，位移也越來越大。當(dāng)達(dá)到滿行程時(shí)，驅(qū)動(dòng)桿停止運(yùn)動(dòng)，速度為零。

2.2.2 雙驅(qū)動(dòng)線圈操作機(jī)構(gòu)模型仿真結(jié)果

雙驅(qū)動(dòng)線圈操作機(jī)構(gòu)模型在由圖9所示的外電路作用下，得到如下仿真結(jié)果。

在通電瞬間，驅(qū)動(dòng)桿中兩段軟磁材料均受到電磁力作用，推動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿移動(dòng)，隨著驅(qū)動(dòng)桿位置改變，軟磁材料受到的力越來越大。驅(qū)動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)速度也越來越大，位移也越來越大。當(dāng)達(dá)到滿行程時(shí)，驅(qū)動(dòng)桿停止運(yùn)動(dòng)，速度為零。

3 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算和Ansoft軟件的仿真分析，為了驗(yàn)證該新型操作機(jī)構(gòu)尺寸計(jì)算及仿真的正確性，分別制作了雙線圈驅(qū)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)模型和單線圈驅(qū)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)樣機(jī)在不同放電電容量下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖18為操作機(jī)構(gòu)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)整體結(jié)構(gòu)框圖，圖19為操作機(jī)構(gòu)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)與控制電路。用MS55K高速攝影機(jī)拍攝單線圈驅(qū)動(dòng)高速操作機(jī)構(gòu)在不同充電電容兩下的分合閘動(dòng)作過程。然后根據(jù)拍攝圖像的具體數(shù)據(jù)計(jì)算操作機(jī)構(gòu)的滿行程動(dòng)作時(shí)間。

2.2.3 仿真結(jié)果分析

由以上兩個(gè)模型的仿真結(jié)果可以得到如下表4所示的仿真結(jié)果對(duì)比。

由仿真結(jié)果對(duì)比如表4可以看出：雙驅(qū)動(dòng)線圈模型滿行程時(shí)間從7ms縮短為5ms，實(shí)現(xiàn)了更快速的關(guān)合閘。同時(shí)雙驅(qū)動(dòng)線圈達(dá)到的最大速度為10.7 m/s，受力部件最大受力可達(dá)6.75 kN。而單線圈模型達(dá)到最大速度為7.3 m/s，受力部件最大受力為3.7 kN。

實(shí)驗(yàn)得到的在不同驅(qū)動(dòng)電容量情況下的操作機(jī)構(gòu)滿行程時(shí)間如表5所示。

樣機(jī)的實(shí)測滿行程時(shí)間比仿真的滿行程時(shí)間小，主要的原因是在樣機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)條件限制，沒有施加1kN的負(fù)載反作用力。

由以上仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，雙線圈并行驅(qū)動(dòng)永磁高速操作機(jī)構(gòu)與單線圈驅(qū)動(dòng)永磁高速操作機(jī)構(gòu)相比，具有更快速更有力的分合閘動(dòng)作，從而達(dá)到了一種優(yōu)化。

4 結(jié)論

本文提出了一種新型多段并行驅(qū)動(dòng)的永磁高速操作機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)了這種永磁高速操作機(jī)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)，利用Ansoft仿真軟件對(duì)其模型進(jìn)行了電磁仿真，并實(shí)際制作了這種操作機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：這種操作機(jī)構(gòu)可以在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到快速分合閘的要求，是對(duì)原有的電磁操作機(jī)構(gòu)的一種優(yōu)化。

（編輯：關(guān)毅）