一種新型永磁快速操作機構的設計與仿真

趙成宏

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064）

0 引言

永磁機構和電動斥力機構都是在傳統的電磁機構基礎上發展起來的新型機構，目前已在開關電器中得到應用。

永磁機構通過將電磁機構與永久磁鐵的特殊結合來實現傳統斷路器操作機構的功能，其動作部件及傳動件數目少，容易實現動作控制，動作時間的分散性小，但是由于線圈匝數多、鐵芯磁導率大等因素引起機構輸入電感較大，所需的勵磁時間較長，在快速性方面不易實現。

電動斥力機構則是借助弱磁性物質在脈沖磁場中感應渦流，與線圈電流間相互排斥，從而帶動機械觸頭短時間內快速運動，電動斥力機構分合閘線圈匝數較少，且金屬盤的渦流具有瞬變去磁效應，因此機構等效輸入電感較小，勵磁時間短，斥力大，機構輸出的速度快，但是由于斥力機構速度過快，一般只能用于分閘。

為了結合電動斥力與永磁操作各自優勢，獲得理想的剛分速度及出力特性，提高斷路器的分斷性能，本文提出了一種新型永磁快速操作機構設計方案，并利用Maxwell軟件建立了永磁快速操作機構的參數化模型，并利用實驗模型驗證了仿真模型的正確性，分析了機構參數變化對永磁快速操作機構特性的影響。

1 新型永磁快速操作機構

永磁快速操作機構將永磁機構和電動斥力機構結合在一起，其半軸截面結構簡圖如圖1所示，永磁快速操作機構包括永磁體、動鐵芯、靜鐵芯、斥力盤、線圈、導桿、彈簧等，其中動鐵芯與斥力盤固定在一起。該永磁快速操作機構的特點，是采用電磁吸力驅動合閘過程，采用電磁斥力驅動分閘過程。

注：1-導桿，2-套筒，3-彈簧，4-鋁盤，5-端蓋，6-調整螺母，7-緩沖彈簧，8-動鐵芯，9-分閘線圈，10-法蘭，11-合閘線圈，12-靜鐵芯，13-永磁體，14-底板。

2 永磁快速操作機構的仿真計算

本文基于成熟的電磁仿真平臺 ANSOFT的Maxwell系列軟件，搭建永磁快速機構的電磁模型（圖2），仿真分析通過改變某些主要參數，得到各個主要參數對永磁快速操作機構性能的影響，從而實現永磁快速操作機構的優化設計。

2.1 不同電容對分閘的影響

在電容容量為3300 μF情況下，設置電容充電電壓分別為1100 V，1180 V，1200 V，1250 V，1300 V，1400 V時，得到仿真結果如圖3所示，由仿真結果可知：充電電壓越高，越有利于提高剛分速度，不過也會導致分閘平均速度增大，不利于分閘后半段的緩沖設計。依據仿真結果，選擇充電電壓為1180 V時最為合適，此時機構在1 ms運動3.65 mm。

圖4為兩種方案放電電流、電動斥力、位移、速度的仿真曲線，由仿真曲線可知，增大電容容量會延遲線圈電流、電動斥力峰值到達時刻，不利于剛分速度的提高，同時分閘全程平均速度也更高，不利于分閘緩沖裝置的設計。因此方案 b更適合斷路器分閘機構的設計要求，即小容量、高充電電壓的方案更有利于斷路器分閘機構。

2.2 斥力盤及斥力線圈對合閘過程的影響

同研究快速永磁機構分閘過程一樣，需要研究永磁和斥力相組合機構的緊湊化設計對合閘過程的影響，這里主要是指用于分閘操作的分閘斥力盤和斥力線圈對合閘模塊的影響。建立不含斥力盤與線圈的模型，同完整的仿真模型進行比較。

對上述兩種結構進行仿真對比，考察機構運動過程中，斥力線圈電流、電動吸力、位移、速度等動態特性的變化情況，反正結果如圖5所示，由上述仿真結果可以看出，兩種結構下仿真結果十分相近，可見，用于分閘的斥力線圈及斥力盤對合閘過程影響很小。

3 結語

本文提出一種新型永磁快速操作機構設計方案，將永磁機構和電動斥力機構緊湊的結合在一起，獲得了電動斥力與永磁操作各自優勢。利用Maxwell軟件，搭建永磁快速機構的電磁模型，通過對電路、磁場和機械運動的耦合計算，實現了永磁快速操作機構動態仿真分析，研究了參數變化對永磁快速操作機構特性的影響。

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