一種新型永磁快速操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真

趙成宏

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064）

0 引言

永磁機(jī)構(gòu)和電動(dòng)斥力機(jī)構(gòu)都是在傳統(tǒng)的電磁機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型機(jī)構(gòu)，目前已在開關(guān)電器中得到應(yīng)用。

永磁機(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)目少，容易實(shí)現(xiàn)動(dòng)作控制，動(dòng)作時(shí)間的分散性小，但是由于線圈匝數(shù)多、鐵芯磁導(dǎo)率大等因素引起機(jī)構(gòu)輸入電感較大，所需的勵(lì)磁時(shí)間較長，在快速性方面不易實(shí)現(xiàn)。

電動(dòng)斥力機(jī)構(gòu)則是借助弱磁性物質(zhì)在脈沖磁場(chǎng)中感應(yīng)渦流，與線圈電流間相互排斥，從而帶動(dòng)機(jī)械觸頭短時(shí)間內(nèi)快速運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)斥力機(jī)構(gòu)分合閘線圈匝數(shù)較少，且金屬盤的渦流具有瞬變?nèi)ゴ判?yīng)，因此機(jī)構(gòu)等效輸入電感較小，勵(lì)磁時(shí)間短，斥力大，機(jī)構(gòu)輸出的速度快，但是由于斥力機(jī)構(gòu)速度過快，一般只能用于分閘。

為了結(jié)合電動(dòng)斥力與永磁操作各自優(yōu)勢(shì)，獲得理想的剛分速度及出力特性，提高斷路器的分?jǐn)嘈阅埽疚奶岢隽艘环N新型永磁快速操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并利用Maxwell軟件建立了永磁快速操作機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型，并利用實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證了仿真模型的正確性，分析了機(jī)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)永磁快速操作機(jī)構(gòu)特性的影響。

1 新型永磁快速操作機(jī)構(gòu)

永磁快速操作機(jī)構(gòu)將永磁機(jī)構(gòu)和電動(dòng)斥力機(jī)構(gòu)結(jié)合在一起，其半軸截面結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，永磁快速操作機(jī)構(gòu)包括永磁體、動(dòng)鐵芯、靜鐵芯、斥力盤、線圈、導(dǎo)桿、彈簧等，其中動(dòng)鐵芯與斥力盤固定在一起。該永磁快速操作機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，是采用電磁吸力驅(qū)動(dòng)合閘過程，采用電磁斥力驅(qū)動(dòng)分閘過程。

注：1-導(dǎo)桿，2-套筒，3-彈簧，4-鋁盤，5-端蓋，6-調(diào)整螺母，7-緩沖彈簧，8-動(dòng)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(jī)構(gòu)的仿真計(jì)算

本文基于成熟的電磁仿真平臺(tái) ANSOFT的Maxwell系列軟件，搭建永磁快速機(jī)構(gòu)的電磁模型（圖2），仿真分析通過改變某些主要參數(shù)，得到各個(gè)主要參數(shù)對(duì)永磁快速操作機(jī)構(gòu)性能的影響，從而實(shí)現(xiàn)永磁快速操作機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 不同電容對(duì)分閘的影響

在電容容量為3300 μF情況下，設(shè)置電容充電電壓分別為1100 V，1180 V，1200 V，1250 V，1300 V，1400 V時(shí)，得到仿真結(jié)果如圖3所示，由仿真結(jié)果可知：充電電壓越高，越有利于提高剛分速度，不過也會(huì)導(dǎo)致分閘平均速度增大，不利于分閘后半段的緩沖設(shè)計(jì)。依據(jù)仿真結(jié)果，選擇充電電壓為1180 V時(shí)最為合適，此時(shí)機(jī)構(gòu)在1 ms運(yùn)動(dòng)3.65 mm。

圖4為兩種方案放電電流、電動(dòng)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(huì)延遲線圈電流、電動(dòng)斥力峰值到達(dá)時(shí)刻，不利于剛分速度的提高，同時(shí)分閘全程平均速度也更高，不利于分閘緩沖裝置的設(shè)計(jì)。因此方案 b更適合斷路器分閘機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，即小容量、高充電電壓的方案更有利于斷路器分閘機(jī)構(gòu)。

2.2 斥力盤及斥力線圈對(duì)合閘過程的影響

同研究快速永磁機(jī)構(gòu)分閘過程一樣，需要研究永磁和斥力相組合機(jī)構(gòu)的緊湊化設(shè)計(jì)對(duì)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(duì)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(jìn)行比較。

對(duì)上述兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真對(duì)比，考察機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中，斥力線圈電流、電動(dòng)吸力、位移、速度等動(dòng)態(tài)特性的變化情況，反正結(jié)果如圖5所示，由上述仿真結(jié)果可以看出，兩種結(jié)構(gòu)下仿真結(jié)果十分相近，可見，用于分閘的斥力線圈及斥力盤對(duì)合閘過程影響很小。

3 結(jié)語

本文提出一種新型永磁快速操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，將永磁機(jī)構(gòu)和電動(dòng)斥力機(jī)構(gòu)緊湊的結(jié)合在一起，獲得了電動(dòng)斥力與永磁操作各自優(yōu)勢(shì)。利用Maxwell軟件，搭建永磁快速機(jī)構(gòu)的電磁模型，通過對(duì)電路、磁場(chǎng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的耦合計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了永磁快速操作機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真分析，研究了參數(shù)變化對(duì)永磁快速操作機(jī)構(gòu)特性的影響。

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