一種主從線圈勵磁的永磁機構的優化分析

邵士良， 遲長春， 張禎海， 練正兵

(上海電機學院 電氣學院， 上海 200240)

一種主從線圈勵磁的永磁機構的優化分析

邵士良， 遲長春， 張禎海， 練正兵

(上海電機學院 電氣學院， 上海 200240)

利用ANSOFT Maxwell 15.0軟件對主從線圈勵磁和雙穩態的永磁機構進行仿真實驗。實驗表明，主從線圈勵磁的永磁機構可改善雙穩態永磁機構中存在的問題。對不同結構形式的主從線圈勵磁的永磁操動機構進行仿真分析，得出比較優化的永磁結構。

主從線圈； 永磁機構； 結構優化

ABB公司于1997年創造性地研制出了雙穩態型的永磁機構，命名為VMI型真空斷路器。永磁機構以結構清晰簡單、零件構造少(零件數量僅是彈簧機構的30%～40%)、可靠性較高、動作較規律與免維護等突出的特性，得到了國內、外專家的認可，從此，掀起了中、低壓真空永磁斷路器的研究熱潮[1-3]。然而，雙穩態永磁機構具有觸發時間長、觸動電流大以及動鐵芯閉合時碰撞沖擊大等缺點[4-5]。

為改善雙穩態永磁操動機構的動作特性，文獻[6-8]中研究了采用主從線圈勵磁的永磁操動機構，主、從線圈產生的磁力線都能有效地作用于動鐵芯。在觸動階段，處于動鐵芯閉合端的從線圈產生的磁力線與永磁體產生的磁力線抵消，有利于動鐵芯的觸動；同時，主線圈產生的磁力線作用于動鐵芯的另一端，有助于動鐵芯動作；當動鐵芯移動到中間位置，主線圈產生的磁力線較強，永久磁鐵產生的磁力線與主線圈產生的磁力線共同驅動動鐵芯運動。與雙穩態永磁機構相比，當主從線圈勵磁的永磁機構為動鐵芯運動到終端位置時，勵磁線圈外加的磁力線作用強度相對較弱，故減緩了動鐵芯閉合碰撞的沖擊力[9]。

為提高永磁機構的性能，本文對雙穩態和主從線圈勵磁的永磁機構進行仿真實驗，分析表明，采用主從線圈勵磁的永磁機構可以解決雙穩態永磁機構的不足。通過對不同結構形式的主從線圈勵磁的永磁機構進行仿真實驗，找到一種比較優化的結構，能夠對中、低壓永磁斷路器有一定的參考價值。

1 雙穩態與主從線圈勵磁的永磁機構

1.1雙穩態永磁機構

雙穩態永磁機構由電磁系統、直流充電電源、儲能電容器和控制器等組成，如圖1所示[10]。

圖1 雙穩態永磁機構組成圖Fig.1 Mechanism of bistable permanent magnet

雙穩態永磁斷路器的操動機構的分、合閘線圈分別位于分閘和合閘的工作氣隙的邊緣位置。分閘時，動鐵芯處于合閘位置，電容對分閘線圈放電；由于分閘氣隙較小，磁力線幾乎全部從分閘氣隙通過，而合閘氣隙幾乎沒有磁力線通過；經過分閘線圈的電流產生的電磁力逐漸削弱永磁體的吸力，當動鐵芯受到的電磁力為零時，為臨界狀態；之后，通過的電流逐漸增大，動鐵芯開始動作。當動鐵芯到達分閘位置時，其速度達到最大，且其對靜鐵芯的沖擊力同時達到最大。合閘的過程與分閘類似，當動作的行程增大時，電容對線圈放電的電流也隨之增大，對靜觸頭的沖擊變大，從而影響到機構的機械壽命[11-12]。

1.2主從線圈勵磁的永磁操動機構

根據工業電力系統的需求，利用文獻[13]中真空滅弧室的參數對主從線圈勵磁的永磁操動機構進行建模取值，如表1所示。

表1 對真空滅弧室的建模取值Tab.1 Modeling value of vacuum interrupter

利用真空滅弧室觸頭的開距和超行程計算，得到主從線圈勵磁的永磁機構的結構參數如表2所示。

表2 主從線圈勵磁的永磁機構的結構參數Tab.2 Structural parameters of the permanent magneticactuator of master-slave coil excitation

根據表2的結構參數，建立主從線圈勵磁的永磁機構模型如圖2所示。

圖2 主從線圈勵磁的永磁操動機構Fig.2 Master-slave coils excitation of the permanentmagnetic operating mechanism

由圖1、2可見，主從線圈勵磁的永磁操動機構在合閘氣隙處增加了從分閘線圈，在分閘氣隙處增加了從合閘線圈；將主合、主分閘線圈安放在相應的合閘與分閘側，而從合、從分閘線圈安放在對應的分閘與合閘的氣隙處，即合閘線圈(主合閘線圈1與從合閘線圈4)串聯在一起，安放在分閘和合閘位置，分閘線圈(分閘線圈3與從分閘線圈2)串聯在一起，安放在分閘和合閘位置。

2 仿真實驗分析

利用ANSOFT Maxwell 15.0軟件對本文建立的主從線圈勵磁的永磁操動機構進行仿真實驗，并與雙穩態永磁操動機構進行對比分析。

2.1電磁理論分析

當雙穩態和主從線圈勵磁的操動機構的動鐵芯位于合閘位置時，由于合閘位置處的氣隙很小，即合閘側的氣隙磁阻遠小于分閘側的氣隙磁阻，故磁力線幾乎全部通過上部磁路(見圖3中實線箭頭)；當控制器發出分閘指令后，電容放電，電流通入分閘線圈指定的方向，根據右手定則，線圈產生的磁場(見圖3中虛線箭頭)方向與永磁體產生的磁場方向相反。當動鐵芯受到的電磁合力恰好克服其受到的阻力時為臨界狀態，動鐵芯開始向下運動[14]。由圖3可見，相對于雙穩態永磁機構，在相同電流勵磁的情況下，主從線圈勵磁的永磁機構對動鐵芯的觸動效果更加明顯。

圖3 兩種永磁機構的磁力線分布Fig.3 Magnetic field distribution of two kinds ofpermanent magnetic actuator

圖4 永磁體為勵磁源時的電磁分布Fig.4 Electromagnetic distribution of the permanentmagnet excitation source

2.2電磁場分析

2.2.1 受力分析 本文通過對主從線圈勵磁的永磁機構電磁場仿真來研究動鐵芯的受力情況。當僅有永磁體作為勵磁源而分閘線圈未通電時，得到的磁力線分布如圖4所示。對分閘線圈通電，隨著電流值的逐漸增加，動鐵芯的下部磁力線逐漸增多，得到動鐵芯所受電磁力隨電流的變化如表3所示。由表可知，在相同電流勵磁作用下，主從線圈勵磁的永磁機構的動鐵芯受到的電磁合力變化較大。

2.2.2 動態特性分析 為進一步比較上述兩種不同結構的永磁操動機構，本文建立瞬態場進行動態特性分析，采用圖5所示的外接電路對兩種不同結構的永磁機構的分閘線圈通電，其中，A為勵磁線圈,R1為線圈電阻，C1為儲能電容器，D1為續流二極管。

表3 動鐵芯在不同電流下的電磁力Tab.3 Moving iron core electromagnetic forceunder different current

當C1放電時，電流逐漸增大；當永磁體的保持力、真空滅弧室的自閉力以及運動部件的摩擦力和阻尼小于分閘線圈產生的電磁力時，動鐵芯開始運動[15-16]。圖6給出了2種永磁機構的動態特性曲線。

由于采用主從線圈勵磁的操動機構的動鐵芯受到的電磁合力增加更快，故當其到達分閘位置時，對靜鐵芯的撞擊力(即電磁合力)較小，如圖6(a)所示。

圖5 勵磁線圈的外部連接電路Fig.5 External connection circuit of the excitation coil

由圖6(b)、(c)可見，采用主從線圈勵磁的永磁機構的動鐵芯在5ms開始運動，而雙穩態永磁機構的動鐵芯在15ms時才動作，故前者的觸動時間短，分閘動作較快。

由圖6(d)可見，采用主從線圈勵磁的永磁機構的最大勵磁電流較小，故其對靜觸頭的破壞損傷程度小于雙穩態永磁機構對靜觸頭的損傷。

圖6 兩種永磁機構的動態特性曲線Fig.6 Dynamic characteristics of two kinds of permanent magnetic actuators

3 主從線圈勵磁的永磁操動機構結構優化

對于不同類型的真空永磁斷路器，由于其要求不同，需要配備不同結構形式或參數的永磁操動機構[17]。由于永磁體的厚度、有或無極靴、永磁體的放置位置等都會影響磁路的路徑、磁力線與分布[18]。本文建立了4種不同結構的主從線圈勵磁的永磁操動機構模型，分析比較它們的電磁力特性。

采用的4種主從線圈勵磁的永磁操動機構如下： ① 動鐵芯6和永磁體5之間的氣隙距離為0.1mm，如圖7(a)所示。② 永磁體5位置同結構1，并在分閘氣隙處增加了2塊極靴，如圖7(b)所示；雖然動鐵芯6的長度相應地有所減小，但動鐵芯5的行程不變。③ 用靜鐵芯8將永磁體5和動鐵芯6分隔開來，如圖7(c)所示。④ 永磁體5占據中間靜鐵芯8空間，如圖7(d)所示，即永磁體體積增大。為了方便比較，4種結構的永磁操動機構的體積相同。

圖7 不同形式的永磁操動機構的結構簡圖Fig.7 Structure diagram of different forms of the permanent magnetic operating mechanisms

當分閘線圈通入相同電流時，4種結構的永磁操動機構的動鐵芯上受到的電磁力如表4所示。

由表4可知，由于動鐵芯6在相同電流時受到的反向電磁力較大，故結構2與其他3種結構的操動機構相比，其觸動時間較短；另外，由于受到的電磁力較大，其相應的運動速度也較大，動作時間就較短，故其分閘迅速、時間短，精度相應地有所提高。

由于永磁斷路器的設計要求是動作迅速、觸動時間短和精度高，因此，結構2是比較優化的永磁機構。

表4 不同結構的永磁機構受到的電磁力隨電流的變化Tab.4 Variation of electromagnetic suction withcurrent in permanent magnetic mechanismswith different structures

4 結 語

本文研究了主從線圈勵磁的永磁機構和雙穩態永磁機構，通過電磁仿真實驗得知，在通入相同電流時主從線圈勵磁的永磁操動機構動鐵芯受到的電磁合力較大。對兩種結構的動態過程進行仿真分析，得到主從線圈勵磁的永磁操動機構動鐵芯到達分閘位置時的撞擊力小、電路電流小、觸動時間短。對4種不同結構的主從線圈勵磁的永磁機構仿真分析，得到含有極靴的結構為性能比較優越的永磁結構。

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Optimization Analysis of a New Type of Permanent Magnetic Actuator

SHAOShiliang，CHIChangchun，ZHANGZhenhai，LIANZhengbing

(School of Electrical Engineering， Shanghai Dianji University， Shanghai 200240， China)

We simulate master-slave coil excitation and two different types of permanent magnet bistable mechanisms using ANSOFT Maxwell 15.0. The results show that the master-slave coil excitation can improve bistable permanent magnetic actuator to solve problems in the permanent magnetic actuator. The simulation analysis on different structures of master-slave coil excitation permanent magnetic operating mechanism produces a better structure of the permanent magnet.

master-slave coil excitation; permanent magnet mechanism; structure optimization

2013 - 12 - 12

上海市自然科學基金資助項目(12zr1411700)

邵士良(1987-)，男，碩士生，主要研究方向為電機與智能電器，E-mail： 434430146@qq.com

指導教師： 遲長春(1966-)，女，教授，博士，主要研究方向為智能電器，E-mail： chicc@sdju.edu.cn

2095 - 0020(2014)01 -0026 - 06

TM 561.2

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