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(lái)，隨著直流供電系統(tǒng)的飛速發(fā)展，發(fā)展快速直流開(kāi)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(shì)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，如果能夠在很短的時(shí)間內(nèi)分?jǐn)喙收想娏鳎瑢?duì)于大容量直流系統(tǒng)的保護(hù)就會(huì)更加有利，因此就需要研究開(kāi)發(fā)性能可靠的快速直流開(kāi)關(guān)。

開(kāi)發(fā)快速直流開(kāi)關(guān)技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)之一就是需要設(shè)計(jì)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(guó)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(lái)開(kāi)關(guān)合分閘的彈跳問(wèn)題，彈跳過(guò)大將會(huì)影響整個(gè)電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性。因此，對(duì)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(guó)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(guò)預(yù)先充電的電容器向分閘或合閘線圈放電，通過(guò)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(chǎng)，并在鋁盤(pán)上產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)和線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，從而帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的分?jǐn)嗷蜿P(guān)合。

目前國(guó)際上日本、荷蘭、韓國(guó)等國(guó)家都在大力開(kāi)展電磁斥力操作機(jī)構(gòu)的研究工作。日本三菱公司開(kāi)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(kāi)斷。荷蘭、韓國(guó)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(guó)內(nèi)山東大學(xué)和大連理工大學(xué)對(duì)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(lái)隨著新材料的使用，快速開(kāi)關(guān)逐漸向小開(kāi)距化發(fā)展，分閘彈振容易造成觸頭分?jǐn)嗪蟮幕『笾負(fù)舸瑢?dǎo)致分?jǐn)嗍。送猓^(guò)大的彈振幅度以及過(guò)多的彈振次數(shù)容易導(dǎo)致器件的損壞，降低開(kāi)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(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖，電磁斥力機(jī)構(gòu)動(dòng)作行程短、速度快，尤其對(duì)剛分速度要求較高，其行程末期的速度更高，將會(huì)對(duì)真空滅弧室波紋管造成致命的損傷。因此，合理設(shè)計(jì)緩沖對(duì)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(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)能消耗掉，因此緩沖設(shè)計(jì)也是其難點(diǎn)之一。本文將對(duì)幾種常用的緩沖方式進(jìn)行對(duì)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(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為彈簧的彈性勢(shì)能存儲(chǔ)起來(lái)，既起到分閘緩沖作用，又可提高機(jī)構(gòu)的合閘速度。

參照?qǐng)D2模型，若采用彈簧緩沖，設(shè)緩沖彈簧的剛度為EH。運(yùn)動(dòng)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(jiàn)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(lái)了一系列的問(wèn)題：

1）彈簧尺寸很大，難以安裝布置。

2）若將運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)。

3）即使通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，如采用鎖扣或者永磁機(jī)構(gòu)將運(yùn)動(dòng)部件與緩沖彈簧保持在緩沖位置，將運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)能存儲(chǔ)在緩沖彈簧里，那么在合閘過(guò)程中，緩沖彈簧的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)能，將使運(yùn)動(dòng)部件合閘速度過(guò)高，動(dòng)、靜觸頭產(chǎn)生強(qiáng)烈的碰撞，帶來(lái)很大的合閘彈跳問(wèn)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(pán)的另一面再添加一個(gè)線圈，作為緩沖線圈，通過(guò)精確的控制，在斥力盤(pán)運(yùn)動(dòng)到行程末期時(shí)，在緩沖線圈中通入一脈沖電流，該脈沖電流在斥力盤(pán)中產(chǎn)生感應(yīng)渦流，從而對(duì)斥力盤(pán)施加與斥力盤(pán)運(yùn)動(dòng)方向相反的力，起到緩沖作用。

通過(guò)合理地設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)線圈及其放電回路及儲(chǔ)能電容的充電回路，增加了開(kāi)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(shí)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(pán)起到了氣缸中的活塞的作用。在斥力盤(pán)向下運(yùn)動(dòng)拉動(dòng)觸頭分閘的過(guò)程中，斥力盤(pán)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(pán)上產(chǎn)生阻礙斥力盤(pán)運(yùn)動(dòng)的反力，起到緩沖作用。

氣壓P與斥力盤(pán)位移s是一個(gè)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(pán)運(yùn)動(dòng)位移s相對(duì)氣缸下部初始深度hd較小時(shí)，隨著位移s的增大，氣壓P增大得很慢，這主要是因?yàn)槌跏伎諝饷芏刃。湮镔|(zhì)的量比較小。當(dāng)位移s比較接近hd時(shí)， 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(lái)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(diǎn)：a)在斥力盤(pán)運(yùn)動(dòng)前中期，反力很小，對(duì)提高機(jī)構(gòu)快速性影響不大，而在斥力盤(pán)運(yùn)動(dòng)后期，反力迅速增大，有效地起到緩沖作用；b)整個(gè)緩沖裝置僅需要在斥力盤(pán)周圍添加一個(gè)外罩，形成氣缸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)氣缸緩沖時(shí)，準(zhǔn)確設(shè)計(jì)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(jì)氣缸緩沖還存在其他問(wèn)題，總結(jié)如下：a)設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜、計(jì)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(pán)的配合。c)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)行程較短時(shí)，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(yùn)動(dòng)的斥力盤(pán)等運(yùn)動(dòng)部件速度降到零，勢(shì)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(shí)能達(dá)到上百千牛，如此大的反力給分閘保持也帶來(lái)一定的問(wèn)題，如機(jī)械鎖扣的零件強(qiáng)度等。從上述分析可見(jiàn)，氣缸緩沖方式具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，也具有一定的可行性，但是設(shè)計(jì)難度很大，生產(chǎn)加工精度要求很高，同時(shí)，氣缸緩沖也給其他部件帶來(lái)了一定的負(fù)面影響。

2.4 碰撞緩沖

由于動(dòng)量在兩個(gè)物體的任何碰撞中都是守恒的，可以設(shè)想，當(dāng)斥力盤(pán)在行程末期與一個(gè)待碰撞物體碰撞后，其速度必然減小，合理地設(shè)計(jì)待碰撞物體的質(zhì)量，斥力盤(pán)等運(yùn)動(dòng)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(duì)較低，緩沖行程可以相對(duì)較大，能量在這個(gè)過(guò)程中慢慢消耗，因此，待碰撞物體的緩沖以及復(fù)位設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。碰撞緩沖設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是待碰撞物體的質(zhì)量計(jì)算。

斥力盤(pán)等運(yùn)動(dòng)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(pán)等運(yùn)動(dòng)部件的速度為v2，待碰撞物體的速度為u，由動(dòng)量守恒定律有：

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

可得

可見(jiàn)，當(dāng)待碰撞物體的質(zhì)量與斥力盤(pán)等運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量相等時(shí)，碰撞后，斥力盤(pán)等運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(guò)程中動(dòng)能損失越大，即碰撞后，待碰撞物體的動(dòng)能越小，越有利于待碰撞物體的緩沖與復(fù)位設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，α越小也帶來(lái)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(shí)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(jì)電磁斥力機(jī)構(gòu)。理論上講，碰撞后，動(dòng)觸頭等運(yùn)動(dòng)部件速度為零，考慮到實(shí)際情況下，存在摩擦等能量損失，且參數(shù)α是通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)的，具有一定的統(tǒng)計(jì)誤差，因此，碰撞后動(dòng)觸頭等運(yùn)動(dòng)部件的速度可能并不為零。

在碰撞緩沖的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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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