雙線圈并行驅動的永磁高速操作機構

魏新勞　萬潤楠

摘要：操作機構是斷路器的核心部分，而斷路器的優劣直接影響電力系統的安全運行。因為電力系統對斷路器分合閘要求的不斷提高，為了獲得更快更好的分合閘操作，提出了一種新型雙線圈并行驅動的永磁高速操作機構。分別對單驅動線圈操作機構和雙驅動線圈操作機構的工作原理進行了闡述，應用Ansoft軟件，建立了單驅動線圈操作機構和雙驅動線圈操作機構的二維仿真模型，并對仿真結果進行了對比分析。實際設計制作了單驅動線圈操作機構和雙驅動線圈操作機構的實驗樣機進行實驗研究，仿真和實驗結果均表明，雙驅動線圈的永磁高速操作機構和單驅動線圈的永磁操作機構相比，具有更快更好的動作性能，從而達到了對單驅動線圈的永磁高速操作機構的一種優化。

關鍵詞：電磁彈射；永磁操作機構；Ansoft Maxwell仿真

中圖分類號：TM153.3 文獻標志碼：A 文章編號：1007-2683（2017）0l-0001-07

0 引言

隨著電力工業的不斷發展，電力系統的發電容量和裝機容量不斷增長，這使得電力系統的短路容量迅速增加，這就對斷路器提出了更高的技術要求。當系統內發生故障時，快速合理地斷開應該斷開的斷路器，盡量避免故障擴大化，對于保障電力系統的可靠性和穩定性都至關重要。

斷路器的開關性能主要體現在觸頭的分合閘動作上，而分合閘動作又是通過操作機構來完成的，所以操作機構的觸頭分合速度和工作的可靠性直接決定了斷路器的整體性能。

目前，在電力系統中實際使用的斷路器操作系統主要包括：手動操動機構、電磁操動機構、電動機操動機構、彈簧操動機構、氣動操動機構、液壓操動機構和永磁操作機構。

永磁操作機構誕生于1997年。20世紀初，由ABB在英國和美國的工程師聯合開發了一種新型VM1型真空斷路器，采用了僅有7個活動元件組成的磁力驅動裝置代替由數百個零件組成的傳統機構。其分合閘位置均靠永久磁鐵磁能保持。永磁操作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少，容易實現動作控制，動作時間的分散性少。

傳統的電磁操作機構是利用通電螺線管線圈將電能轉換成機械能來進行合閘操作，合閘時由一只或者一組彈簧吸收一部分機械能并轉換成為彈簧的彈性勢能，分閘時由彈簧釋放合閘時儲存的勢能來提供動力源。為保持分合閘狀態，此操作機構中還設有專門的機械鎖扣裝置，這大大增加了斷路器的復雜性、降低了斷路器的可靠性。隨著研究的深入，研究人員在傳統的電磁操作機構的基礎上嘗試在機構中用永磁體來替代機構的鎖扣與脫扣裝置去實現斷路器分合閘狀態的保持，這種裝置就是永磁操作機構。

永磁操作機構具有以下優勢：運動零部件減少，內部結構簡化，機械的可靠性能大幅度地被提高；對分合閘位置的保持采用的是永久磁鐵的磁力，避免了傳統操作機構產生的失誤，可以更加便捷地實現免維護運作；相比較傳統的操作機構，永磁機構具有更優質的可操控性能，分、合閘線圈產生的電磁場可直接驅動拋體；永磁操作機構的輸出特性很好的匹配了斷路器的機械特性，使得斷路器能有實現較好的速度特性，為用于電力系統的斷路器的智能控制奠定了基礎。但是，到目前為止，永磁操作機構的分、合閘時間仍然比較長，事實上，現在的永磁操作機構在分、合閘時間上并沒有比傳統的電磁操作機構改進多少。

研制快速開關的關鍵技術就是開關轉換時間為毫秒級的快速操作機構。使用電磁發射技術作為動力的快速斥力機構可以滿足這種快速動作的要求。

隨著脈沖功率技術和電磁發射技術的快速發展，目前其在快速操作機構上的應用越來越被重視。以電磁彈射為驅動力的快速操作機構比傳統的操作機構具有觸頭運動速度更快，準備周期更短等優點。所以利用電磁發射技術作為驅動方式的快速操作機構具有明顯的優勢。

本文把電磁彈射的原理應用于操作機構，提出了一種雙段并行驅動的永磁高速操作機構。通過Ansofi軟件進行電磁仿真，仿真結果證明了這種方案的可行性和優勢，在此基礎上設計了單、雙驅動線圈永磁操作機構的樣機，對樣機的實際測試結果也證明了雙驅動線圈永磁操作機構確實具有比單驅動線圈永磁操作機構更好的特性。

1 永磁高速操作機構的工作原理

1.1 單驅動線圈操作機構工作原理

操作機構的核心是驅動力的產生及其變化規律。對于高速操作機構而言，其需要的驅動力主要應該具有快速變化和大幅值兩個方面。考慮到電磁彈射所產生的電磁彈射力恰好具有幅值高和變化速度快的特點，所以，有許多研究人員都在嘗試利用電磁彈射力作為驅動力研制快速操作機構。本文中的電磁高速機構就是基于線圈型的電磁彈射進行研究的。

最基本的線圈彈射裝置是由兩個線圈（合閘線圈和分閘線圈）和一個以軟磁材料為受力部件的運動體，一般加以脈沖或者交變電流產生的磁場，從而驅動軟磁材料受力部件，進而實現機構需要的動作（如圖1）。由于它是在利用合（分）閘線圈和被加速物體之間的磁耦合機制工作，因此線圈型電磁發射器的本質可以理解為直線電機。

當受力部件位于驅動線圈右側時（圖一中位置1），由電磁感應定律知：受力部件受到的電磁力向左，從而推動受力部件向左加速運動。當受力部件運動到驅動線圈的中間位置時，受力為零，速度也達到最大。若受力部件繼續運動，通過合閘線圈的中心橫截面以后（圖一中位置2），則受力部件受到向右的吸力，從而變成減速力。如果此時切斷線圈中的電流使受力部件不受減速力，就可以達到向左加速運動的目的。對于單線圈運動驅動操作機構，合閘動作的終止位置為分閘動作的初始位置，受力部件的運動距離恰好等于操作機構的開距，從而完成分合閘。

1.2 雙驅動線圈操作機構的提出

圖1中的受力部件上所受的力是每匝線圈對受力部件作用力的總合，根據電磁學基本原理可知，盡管位于線圈不同部位的線匝所通過的電流是完全相同的，但是，不同部位線匝中的電流在受力部件處產生的磁場是不同的，線圈內側線匝中的電流在受力部件上產生的磁場要大于線圈外側線匝中的電流在受力部件上產生的磁場，也就是說，線圈內側線匝中的電流作用在受力部件上的磁場力要大于線圈外側線匝中的電流作用在受力部件上的磁場力。或者，換句話說，就受力部件的受力效率而言，線圈內側線匝的作用力效率要高于線圈外側線匝的作用力效率。基于上面的分析，本文作者提出一種多段式驅動線圈的方案：就是將原來的一個合閘（分閘）線圈拆分成多個線圈，而保持拆分后的多段線圈的總匝數與拆分前單個線圈的匝數相同，讓拆分后的多個驅動線圈盡可能與受力部件（軟磁體）靠近以提高驅動線圈的整體驅動力。

本文將分（合）閘線圈分成兩個較薄的線圈（但線圈總匝數不變）（如圖3）。其中中陰影部分為受力部件（軟磁材料），非陰影部分為非磁性材料。圖3（a）為操動機構處于分閘狀態時的位置。當要求合閘時，對兩個合閘線圈加激勵，受力部件將向左運動，完成合閘動作，在確定的行程處停止。合閘過程終止后，操動機構處于合閘狀態，各部件位置如圖3（b）所示。當要求分閘時，對兩個分閘線圈加激勵，受力部件將向右動作，完成分閘動作，并在確定的行程處停止。完成分閘動作后的系統各部件位置如圖3（a）所示。

1.3 雙驅動線圈操作機構的具體結構

圖4為雙驅動線圈操作機構結構圖。該機構由短路銅環、軟磁材料、絕緣材料、永磁保持機構、分（合）閘線圈、支架等組成。

圖4所示的位置對應于開關處于完全開斷狀態，此時，如果對合閘線圈通電，驅動桿將向左運動，此時短路銅環1和短路銅環2中也將產生感應電流，根據楞次定律，短路銅環將向背離磁場的方向運動，即短路銅環1和短路銅環2也向左運動。當驅動桿到達要求位置（此位置與滅弧室中動、靜觸頭完全閉合對應），永磁保持機構開始發揮作用，起到位置保持和給觸頭施加壓緊力作用。此時的雙驅動線圈操作機構各部件位置如圖5所示。

在圖5位置，如果對分閘線圈通電，驅動桿將向右運動。此時短路銅環4和短路銅環5中也將產生感應電流，根據楞次定律，短路銅環將向背離磁場的方向運動，即短路銅環4和短路銅環5也向右運動。當驅動桿到達要求分閘位置時，永磁保持機構再一次開始發揮作用，起到位置保持作用。此時的雙驅動線圈操作機構各部件位置將如圖4所示。

2 永磁高速操作機構仿真分析

為了對改進的永磁高速操作機構的可行性進行驗證，本文用大型電磁場仿真計算軟件Ansoft進行對比模型仿真分析。雙驅動線圈操作機構模型與單驅動線圈操作機構模型相比，只將單驅動線圈操作機構的分（合）閘線圈變成兩個匝數是原來匝數一半的線圈，模型具體參數如下。

2.1 Ansoft仿真模型及其外電路

由于本文所研究操作機構本身是一個旋轉軸對稱體，因此，對其電磁場的分析采用RZ坐標系。并且選擇z軸與機構的實際對稱軸線完全重合。選定坐標系后，還要選擇求解器，Ansoft中有六種求解器：靜磁場求解器，渦流場求解器，瞬態磁場求解器，靜電場求解器，交流場求解器，直流場求解器。由于本文主要研究的是驅動桿的受力及運動特性，故選擇瞬態磁場求解器。分（合）閘線圈和驅動桿進行簡化后模型，如圖6。仿真模型尺寸按照表1中的模型參數進行設置。其中，軟磁材料采用steel-1008，分（合）閘線圈采用copper，非軟磁材料由vac-cum代替。

模型中的Band區域是將線圈與受力運動部件隔離開來，表示驅動桿運動而線圈靜止不動。將分（合）閘線圈定義為coil，設定好匝數，并將其添加到繞組中。由于線圈的激勵是由外部電路（充滿電的電容器）所提供的，所以先將外部放電回路建立好，然后給線圈添加激勵的時候選擇導入設計好的外電路。外部電路圖如圖7。需要說明的是，在這個電路圖中，電感線圈代表驅動線圈，其電感量等參數不能認為給定，而是由軟件根據對驅動線圈的結構、材料等的參數的設置自己計算得到。

對于雙驅動線圈模型操作機構的模型建立，與單驅動線圈操作機構模型相比，只是將原有的分（合）閘線圈變成兩個線圈，但是總匝數不變。雙驅動線圈操作機構模型如圖8，外部電路圖如圖9。其中，軟磁材料采用steel_1008，分（合）閘線圈采用copper，非軟磁材料由vaccum代替。

在實際的操作機構中，驅動桿都會帶動一部分負載，在模型中，在驅動桿上加1kN負載反作用力。

2.2 仿真結果

2.2.1 單驅動線圈操作機構模型仿真結果

單驅動線圈操作機構模型在由圖7所示的外電路作用下，得到如下仿真結果。

在通電瞬問，軟磁材料受到電磁力作用，推動整個驅動桿移動，隨著驅動桿位置改變，軟磁材料所受的力越來越大。驅動桿的運動速度也越來越大，位移也越來越大。當達到滿行程時，驅動桿停止運動，速度為零。

2.2.2 雙驅動線圈操作機構模型仿真結果

雙驅動線圈操作機構模型在由圖9所示的外電路作用下，得到如下仿真結果。

在通電瞬間，驅動桿中兩段軟磁材料均受到電磁力作用，推動驅動桿移動，隨著驅動桿位置改變，軟磁材料受到的力越來越大。驅動桿的運動速度也越來越大，位移也越來越大。當達到滿行程時，驅動桿停止運動，速度為零。

3 樣機實驗

根據以上尺寸設計計算和Ansoft軟件的仿真分析，為了驗證該新型操作機構尺寸計算及仿真的正確性，分別制作了雙線圈驅動操作機構模型和單線圈驅動操作機構樣機在不同放電電容量下進行實驗。圖18為操作機構樣機實驗整體結構框圖，圖19為操作機構樣機實驗驅動與控制電路。用MS55K高速攝影機拍攝單線圈驅動高速操作機構在不同充電電容兩下的分合閘動作過程。然后根據拍攝圖像的具體數據計算操作機構的滿行程動作時間。

2.2.3 仿真結果分析

由以上兩個模型的仿真結果可以得到如下表4所示的仿真結果對比。

由仿真結果對比如表4可以看出：雙驅動線圈模型滿行程時間從7ms縮短為5ms，實現了更快速的關合閘。同時雙驅動線圈達到的最大速度為10.7 m/s，受力部件最大受力可達6.75 kN。而單線圈模型達到最大速度為7.3 m/s，受力部件最大受力為3.7 kN。

實驗得到的在不同驅動電容量情況下的操作機構滿行程時間如表5所示。

樣機的實測滿行程時間比仿真的滿行程時間小，主要的原因是在樣機實驗時，由于實驗條件限制，沒有施加1kN的負載反作用力。

由以上仿真結果和實驗結果可見，雙線圈并行驅動永磁高速操作機構與單線圈驅動永磁高速操作機構相比，具有更快速更有力的分合閘動作，從而達到了一種優化。

4 結論

本文提出了一種新型多段并行驅動的永磁高速操作機構。設計了這種永磁高速操作機構具體結構，利用Ansoft仿真軟件對其模型進行了電磁仿真，并實際制作了這種操作機構的實驗樣機，進行了實驗研究。仿真和實驗結果表明：這種操作機構可以在更短的時間內達到快速分合閘的要求，是對原有的電磁操作機構的一種優化。

（編輯：關毅）