電磁斥力機構緩沖方法研究

曹鵬飛, 姜楠, 趙成宏

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

近年來，隨著直流供電系統的飛速發展，發展快速直流開關已成為滿足直流輸電系統中低端保護需求的必然趨勢。當系統出現短路故障時，如果能夠在很短的時間內分斷故障電流，對于大容量直流系統的保護就會更加有利，因此就需要研究開發性能可靠的快速直流開關。

開發快速直流開關技術關鍵技術之一就是需要設計快速的、合理可靠的快速操作機構。高速電磁斥力機構是近幾年國內外研究較多的操作機構之一。電磁斥力機構的快速性必然帶來開關合分閘的彈跳問題，彈跳過大將會影響整個電網的安全性和穩定性。因此，對電磁斥力機構的緩沖方式進行研究，有很重要的意義。

1 電磁斥力機構工作原理及國內外概況

電磁斥力機構最早是在1969年提出的，但引起廣泛關注則是近10多年。電磁推斥機構的基本回路及裝置形式如圖1所示。

其工作原理為：通過預先充電的電容器向分閘或合閘線圈放電，通過線圈放電產生脈沖電流，在該脈沖電流的作用下，線圈周圍產生交變的磁場，并在鋁盤上產生渦流，渦流產生的磁場和線圈產生的磁場相互作用，從而帶動連桿運動，實現開關的分斷或關合。

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構的研究工作。日本三菱公司開發了快速真空斷路器，采用電磁斥力操作機構，在1周波以內完成故障電流開斷。荷蘭、韓國關于電磁斥力操作機構的研究已有多篇論文發表。國內山東大學和大連理工大學對電磁斥力操作機構也進行了一定理論研究。

2 電磁斥力機構分閘緩沖與彈振

近年來隨著新材料的使用，快速開關逐漸向小開距化發展，分閘彈振容易造成觸頭分斷后的弧后重擊穿，導致分斷失敗，此外，過大的彈振幅度以及過多的彈振次數容易導致器件的損壞，降低開關的使用壽命。

圖2為一種典型的用電磁斥力機構的快速開關結構圖，電磁斥力機構動作行程短、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，合理設計緩沖對于電磁斥力機構非常重要。而且由于其緩沖距離短，需要在很小的距離內將快速運動部件的動能消耗掉，因此緩沖設計也是其難點之一。本文將對幾種常用的緩沖方式進行對比分析。

2.1 彈簧緩沖

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

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

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。

3）即使通過合理的設計，如采用鎖扣或者永磁機構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、靜觸頭產生強烈的碰撞，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原理，在原有斥力機構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生感應渦流，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。

通過合理地設計緩沖線圈參數及其放電回路參數，并且在適當的時刻投入緩沖，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，增加了開關的質量和體積。

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，增加了機構的復雜性，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，形成壓強差，從而在斥力盤上產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，其物質的量比較小。當位移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構的緩沖裝置的，它有如下優點：a)在斥力盤運動前中期，反力很小，對提高機構快速性影響不大，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，結構簡單、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上進行的。設計氣缸緩沖時，準確設計氣缸緩沖的關鍵參數如減壓孔尺寸是非常困難的。此外，設計氣缸緩沖還存在其他問題，總結如下：a)設計過程復雜、計算難度大。b)零件生產加工精度要求極高，尤其是與斥力盤的配合。c)設計機構行程較短時，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，如機械鎖扣的零件強度等。從上述分析可見，氣缸緩沖方式具有其獨特的優點，也具有一定的可行性，但是設計難度很大，生產加工精度要求很高，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，可以設想，當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，合理地設計待碰撞物體的質量，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位設計相對簡單。碰撞緩沖設計的關鍵是待碰撞物體的質量計算。

斥力盤等運動部件的總質量為m，其行程末期的速度為v1現假設待碰撞物體的質量為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：

假設碰撞過程是理想彈性碰撞，即碰撞過程沒有能量損失，由機械能守恒定律有：

可得

可見，當待碰撞物體的質量與斥力盤等運動部件質量相等時，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位設計。與此同時，α越小也帶來了待碰撞物體的質量和體積越大的不利影響。因此，需要結合實際綜合考慮選取適當的材料。

本文采用碰撞緩沖作為分閘緩沖方式，設計電磁斥力機構。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α是通過實驗總結的，具有一定的統計誤差，因此，碰撞后動觸頭等運動部件的速度可能并不為零。

在碰撞緩沖的基礎上設計添加限位擋板，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。

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