（电力系统及其自动化专业论文）基于虚拟样机技术的永磁真空开关运动特性研究.pdf

西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 蓄芸，之；雾誓亏：铡槲干 日期： z 9 ，6 3 指导教师签名：方鲞鐾 日期 。f o 、，3 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：j 茜木干 日期： 矽d 6 ) ， 指导教师签名：方叁巴 日期 a 鲁l9 b 主 ， 西华大学硕士学位论文 摘要 真空开关的工作可靠性直接影响电力系统的运行稳定性和供电可靠性。影响真 空开关可靠性的一个重要因素是操动机构的可靠性。近年来，一种电磁操动、永磁 保持和电子控制的永磁操动机构受到了广泛关注。永磁操动机构由于取消了弹簧机 构的脱、锁扣装置，采用永久磁铁进行终端位置的保持，零部件数目明显减少，工 作时主要运动部件只有一个，可靠性大大提高，而且可以实现智能化操作。因此， 开发永磁机构真空开关成为电力系统发展的迫切需要。 目前永磁机构的研究工作报道很多，大部分研究是简单地基于电磁方程和达朗 贝尔运动方程耦合来研究永磁机构动态特性，这样得到的结果仅仅是有关机构动铁 心的运动特性，不能反映动触头的运动情况，尤其是触头弹跳参数无法获得，从而 对开关能否可靠带负荷分合不明确。本文在应用有限元分析软件对永磁机构的静态 磁场特性进行计算之后，引入虚拟样机技术，建立永磁操作机构真空开关a d a m s 仿 真模型，并结合m a t l a b 实现了多场耦合仿真，完整真实地再现了永磁机构真空开 关的合、分闸动作过程，获得动铁心以及动触头的运动曲线。通过对永磁操动机构 参数优化，减小了触头弹跳，获得了预期的分、合闸特性参数。 关键词：永磁机构；动态仿真；a d a m s 基于虚拟样机技术的永磁真空开关运动特性研究 a b s t r a c t t h ew o r k i n gr e l i a b i l i t yo fv a c u m ms w i t c hh a v ed i r e c ti m p a c to nt h es t a b i l i t yo ft h e s y s t e ma n dt h er e l i a b i l i t yo fs u p p l y i n gp o w e r t h ek e y f a c t o ra f f e c t i n gv a c u u mc i r c u i t b r e a k e rr e l i a b i l i t yi st h eo p e r a t i o no ft h ea c t u a t o r sr e l i a b i l i t y a sak i n do fn e wv a c u u m c i r c u i tb r e a k e r , t h en e wo p e r a t i n gp r i n c i p l ei sa d o p t e db yp e r m a n e n t + m a g n e t i ca c t u a t o r ( p m a ) ，i nw h i c h ，t h ee l e c t r o m a g n e t i s ma c t u a t o r a n dp e r m a n e n tm a g n e t a r e r a t i o n a l l yc o m b i n e d t h em e c h a n i c a lt r i p p i n ga n dl o c k i n gd e v i c e so fc o n v e n t i o n a l a c t u a t o rh a v eb e e ne l i m i n a t e d ；t h em a i nm o v i n gp a r tr e m a i n so n e ，s ot h ep m ap a r t sa r e d e c r e a s e db y5 0 c o m p a r i s o nw i t hc o n v e n t i o n a ls p r i n ga c t u a t o r s t r u c t u r ea n dt h ep a r t s h a v eb e e nl a r g e l ys i m p l i f i e d ；t h er e l i a b i l i t yo fm e c h a n i c a ls y s t e mh a sb e e ng r e a t l y i n c r e a s e d s o ，d e v e l o p i n gp m a v a g u n l ms w i t c hb e c o m e st h ei m p e n d e n tn e e do ft h e p o w e rs y s t e me v o l u t i o n a tp r e s e n tt h e r ea le m a n yr e p o r t sa b o u tt h er e s e a r c hw o r ko f t h ep e r m a n e n tm a g n e t a c t u a t o r ，t h em a j o ro fw h i c hr e s e a r c hs i m p l yt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f t h ep m ao n t h eb a s e o ft h ec o u p l eo fe l e c t r o m a g n e t i ce q u a t i o n sa n dd a l e - r o b e r tm o v e m e n t e q u a t i o n s ，a n dt h es u b s e q u e n tr e s u l to n l yr e f l e c t st h em o v c t n e n tc h a r a c t e r i s t i co ft h e a c t u a t o r ，w h i l et h ep a r a m e t e r so ft h em o v i n gc o n t a c t , e s p e c i a l l yt h ec o n t a c ti m p a c ti ss t i l l n n k n o w n ，s oi t su n c e r t a i nw e t h e rt h ed e s i g n e dv a c u l n ms w i t c hw i t hl o a dc a l lo p e r a t e r e l i a b l yo rn o t a f t e rt h e s t a t i om a g n e t i cf i e l dc o m p u t a t i o no fp m aw i t hf e m s o f t w a r e ，t h i sp a p e rc o n s t r u c t saa d a m ss i m u l a t i o nm o d e lf o rv a c u u ms w i t c h 丽t h p e r m a n e n tm a g n e ta c t u a t o rb ya p p l y i n gv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n i q u e ，c o m b i n i n gm a t l a b r e a l i z e sm a c h i n e e c l e c t r i cc o o p e r a t i o ns i m u l a t i o n ，s i m u l a t e sp e r f e c t l yt h ep r o c e s so f s w i t c ha c t i n ga n da c h i v e st h em o v i n gc u r v e so ft h ea c t u a t o ra n dc o n t a c t ss y s t e m b y o p t i m a z i n gt h ef a c t o r so ft h ep e r m a n e n tm a g n e ta c t u a t o r , c u td o w nt h ec o n t a c t sv i b r a t i o n a n do b t a i ne x p e c t e do p e n i n ga n dc l o s i n gc h a r a c t e r i s t i cf a c t o r s k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e ta c t u a t o r , d y n a m i cs i m u l a t i o n ，a d a m s 西华大学硕士学位论文 目录 摘 要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 永磁机构国内外发展及现状1 1 2 永磁机构动态仿真的意义4 1 3 有限单元法在永磁机构中的应用5 1 4 虚拟样机技术在开关设备动态仿真设计中的应用6 1 5 本文完成的主要工作7 2 永磁机构静态磁场计算8 2 1 永磁机构的结构及工作原理8 2 1 1 双稳态永磁机构原理$ 2 1 2 单稳态永磁机构原理10 2 1 3 单稳态和双稳态永磁机构的差异1 l 2 2 永磁机构的二维静态磁场计算1 2 2 2 1 永磁机构的二维磁场计算模型和方程1 3 2 2 2 工程电磁场有限元计算软件a n s o n 简介1 6 2 2 3 永磁机构二维静态磁场仿真计算结果2 3 2 3 永磁机构三维静态磁场计算2 8 2 3 1 永磁机构三维静态磁场数学模型的建立2 8 2 3 2 双稳态永磁机构三维静态磁场仿真结果2 9 3 永磁机构真空开关运动分析3 2 3 1 基于达朗贝尔运动方程的数学模型3 2 3 2 虚拟样机软件a d a m s 技术3 7 3 2 1 软件介绍3 7 3 2 2 a d a m s 分析类型一3 9 3 2 3 a d a m s 二次开发- 4 0 3 2 4 a d a m s 与m a t l a b 联合仿真4 5 4 低压永磁接触器运动联合仿真5 1 4 1 永磁接触器a d a m s m m l a b 联合仿真建模一5 l 4 2 永磁接触器分合闸运动仿真5 3 4 2 1 永磁接触器分闸运动仿真一一5 4 4 2 2 永磁接触器合闸运动仿真5 4 i i i 基于虚拟样机技术的永磁真空开关运动特性研究 5 6 5 7 5 8 ， 间发表学术论文情况6 0 6l i v 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 永磁机构国内外发展及现状 目前用于中低压开关的操作机构主要有电磁式和弹簧式两种。电磁操动机构在真 空断路器发展初期得到了广泛应用。这是由于电磁操动机构较好地迎合了真空灭弧室的 要求：一是行程短( 8 1 2 r a m ) ，二是在合闸位置需要大的静态保持力( 2 0 0 0 - 4 0 0 0 n 相) 。然 而电磁操动机构也存在不容忽视的缺点：磁路电感在合闸过程中变化较大，产生反电 势i d l d t ，从而抑制了合闸绕组动态电流的增长，而且这种抑制作用随着合闸速度的增 加而增强。这样，当绕组的稳态电流己经较大时，若想用进一步提高绕组稳态电流的方 法来抵消这种抑制作用，常受合闸电源容量的限制。因此，采用电磁操动机构来提高真 空断路器的合闸速度是有限的。另外，直流电磁操动机构合闸时间较长，电源电压波动 对合闸速度影响较大。因此，传统电磁操动机构一般用于对分合闸速度要求较低的1 2 k v 等级以及分、合闸速度要求不太高的4 0 5 k v 等级的真空断路器中。 相比之下，弹簧操动机构采用手动或小功率交流电动机贮能，其合闸功不受电源电 压影响，既能够获得较高的合闸速度，又能实现快速自动重合闸操作，在一定程度上克 服了电磁操动机构的缺点。然而弹簧操动机构也存在完全依靠机械传动，零部件总数多 的缺点。一般弹簧机构均有上百个零件，且传动机构较为复杂，故障率较高，运动部件 多，制造工艺要求较高。 近年来，一种用于真空断路器的永磁保持、电子控制的电磁操动机构( 简称永磁操 动机构) 备受关注。永磁机构通过将电磁机构与永久磁铁的特殊结合来实现传统断路器 操动机构的全部功能，其最大特点在于它无须传统的脱扣和锁扣装置即可实现机构终端 位置的保持功能。永磁机构动作部件少，中间转换和连接机构也很少，这大大减小了动 作时间的分散性和不可控性，并且机构的所有动作都可电控，因此永磁机构为断路器实 现本身的智能控制提供了可靠的操动机构。 永磁操动机构的诞生主要是得益于稀土永磁材料钕铁硼( n d f e b ) 的发展。钕铁硼永 磁材料与铝镍钴和铁氧体材料相比较不仅具有较高的磁能积、较高的 表1 1 永磁材料的性能比较 材料铁氧体铝镍钴稀土永磁钕铁硼 最大磁能积( b h ) 呲( k j m 3 ) 3 25 62 7 0 剩磁b ，( t ) 0 3 9 0 4 21 3 0 - - - 1 4 01 2 2 1 2 5 矫顽力h c ( k a m ) 2 2 0 2 7 0 5 4 - - - - 6 08 7 6 - - 9 3 9 及在国外已经形成的开发热点，国内开关行业的一些主导厂家、大专院校和科研院所也 把目光投向永磁机构的研制上，如西安高压电器研究所、沈阳工业大学、西安交通大学、 清华大学、常州森源、西安森源、珠江耐吉公司、上海天灵开关厂等等，并取得了一些 显著成果。1 9 9 8 年，西安森源电气有限责任公司和沈阳工业大学合作，开始1 2 k vv s m 永磁机构真空断路器的开发研究工作，并取得突破性进展。2 0 0 0 年6 月首批样机在西高 所国家高压电器质量监督检测中心通过了1 2 k v ，1 2 5 0 3 l k a 规格的v s m 的全部型式试 验；额定短路电流开断次数为5 0 次，断路器机械寿命达到6 万次；整机通过了e m c 试 验，达到了国际先进水平，引起了国内同行的关注。相继有北京华东开关厂、常州森源 开关有限公司等国内著名断路器生产厂研制出了类似的永磁机构真空断路器，把国内开 发和研制永磁机构真空断路器工作推向了一个高潮。国内引进或自行开发成功的永磁机 构真空断路器，也已不少推向市场，如v s m 和v s i a 型、z n 2 3 - 4 0 5 型、z n 6 5 型、 2 西华大学硕士学位论文 l 一上出线端2 一真空灭弧室3 一环氧树脂外壳4 一下出线端5 一软连接 6 一触头弹簧7 一绝缘子8 一轴9 一行程调节1 0 一开关位置传感器l l 一合闸线圈 1 2 一永磁体1 3 一动铁心1 4 - - 分闸线圈1 5 一紧急分闸装置1 6 一机架 图1 1v m l 型永磁机构真空断路器剖面图 f i g 1 一p r o f i l e so f v m 1p e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o rv a c u u i l lc i r c u i tb r e a k e r z w d 1 2 型、z n d - 4 0 5 型等产品，有的已经试验到1 0 万次。 图1 2w l z 2 2 0 0 真空永磁相控合闸装置 f i g 1 2 t h ep h a s ec o n t r o l l i n gc l o s i n g e q u i p m e n to fw l z 2 2 0 0p e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r v a c u u ms w i t c h 近几年来，由于永磁机构真空断路器具有体积小、重量轻、分合闸速度快、免维护、 寿命长、节电、无油不燃化、可靠性高、可以频繁操作等众多优点，已成为我国乃至世 界上许多发达国家中压开关领域的主流，并且凭借永磁机构的上述优点以及技术的不断 成熟，永磁机构也在向着低压与高压领域发展，目前在国内外也已取得了显著成果。国 内近年已有许多电器生产厂家开始生产销售低压永磁同步开关，例如宝鸡同步电器有限 3 基于虚拟样机技术的永磁真空开关运动特性研究 宁波伟隆机电公司等。图1 2 是宝鸡同步电器有限公司生产的w l z 2 2 0 0 真空永 合闸装置，该产品为单相交流5 0 h z ，额定电压4 0 0 v 的真空永磁相控合闸装置。 有独立的永磁操动机构，由智能控制器控制，可实现在交流电整周期的任意角度 操作。 此可见，永磁机构的应用范围和领域越来越广泛，已得到了普遍公认与好评。随 机构的不断发展，将为电力系统配网自动化做出新的贡献。 永磁机构动态仿真的意义 前所述，永磁机构具有一系列优点，比如结构简单、自保持、免维护等，此外， 构提供的力一行程特性曲线与真空断路器的负载特性比较一致，和传统的弹簧机 可以获得更好的机械运动特性。如图1 3 所示为开关和机构的力一行程曲线。 图1 3 的机构和开关力一行程的匹配为依据，采用永磁机构静态特性分析方法只 在稳态条件下，励磁线圈产生的电磁吸力与气隙之间的关系。这种静态特性分析 判断永磁机构的励磁线圈在一定的励磁电流下能否保证可靠地动作，但却不能反 动作过程中其线圈电流和机构运动速度的变化情况。在机构的运动过程中，永磁 分合闸线圈电流不断变化，这会影响作用在永磁机构动铁心上的电磁吸力，而动 力( n ) 行程( n a n ) ( a ) 真空开关的负载特性( b ) 弹簧的出力特性( c ) 永磁机构的出力特性 图1 3 力一行程特性图 f i g i 3 f o r c ev c l s ed i s p l a c e m e n tc h a r a c t e r i s t i cc u r v e 铁心上受到的合力又影响到动铁心的运动速度，同时运动速度的大小变化又会影响到分 合闸线圈电流，此外还要考虑磁路参数的分布以及铁磁材料、永磁材料的非线性。 正是由于永磁机构的动态特性能真正反映机构的实际运动状况，所以对永磁机构动 4 西华大学硕士学位论文 态特性的计算分析受到了国内外学者的重视，进行了很多深入的研究。在计算永磁机构 动态特性时，必须将电路方程，动力学方程以及永磁机构中的磁场变化综合起来考虑。 通过对永磁机构动态特性的仿真计算，从而实现对机构的结构参数( 如永久磁铁的大小、 铁心的大小及形状、磁轭的结构、非工作气隙的大小以及线圈的参数) 和线圈参数等方 面进行优化设计。进而设计出既保证开关的分、合闸速度，又使其消耗的能量少，分、 合闸线圈的电流尽量小，体积小的永磁机构，有利降低控制电路的设计难度和成本。所 以说永磁机构动态特性的计算，对于提高配真空开关的永磁操动机构的性能具有非常重 要的意义。 1 3 有限单元法在永磁机构中的应用 有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是5 0 年代首先在连续体力学领域一飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析 方法，随后很快广泛地应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元分 析是利用数学近似的方法对真实物理系统( 几何和载荷工况) 进行模拟。利用简单而又相 互作用的元素，即单元，用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统【l 】。 几何实体模型 有限元模型 图1 4 工程计算模型 f i g 1 4s o l v i n gm o d e lf o re n g i n e e r i n g 这种方法分析计算的思路和作法可归纳如下： ( 1 ) 物体离散化 将某个工程结构离散为各种单元组成的计算模型，如图1 4 所示永磁机构二维轴 对称磁场计算模型，这一步称为单元剖分。离散后单元与单元之间利用单元的节点连接 起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述磁场分布的需要和计算精 5 基于虚拟样机技术的永磁真空开关运动特性研究 ( 一般情况，单元划分越细则描述磁场分布的情况越精确，但计算量也越大) 。所 限元法中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同样材料的由众多单元以 式连结成的离散物体，因而所获得的结果也只是近似的。如果划分单元数目非常 合理，则会得到与实际情况相符合的结果。 2 ) 单元特性分析 每个单元的特性是通过一些线性方程式来描述的。 作为一个整体，单元形成了整体结构的数学模型。信息是通过单元之间的公共 递的。 自由度( d o f ) 用于描述一个物理场的响应特性。节点是空间中的坐标位置，具有 由度和存在相互物理作用。f e a 仅仅求解节点处的自由度( d o f ) 的值。单元形函 种数学函数，规定了从节点d o f 值到单元内所有点处d o f 值的计算方法。因此， 单元形函数提供出一种描述单元内部结果的“形状 。单元形函数描述的是给定单元的 一种假定的特性。单元形函数与真实工作特性吻合好坏程度直接影响求解精度。d o f 值可以精确或不太精确地等于在节点处的真实解，但单元内的平均值与实际情况吻合得 很好。这些平均意义上的典型解是从单元d o f s 推导出来的( 如，矢量磁位，结构应力， 热梯度1 。如果单元形函数不能精确描述单元内部的d o f s ，就不能很好地得到导出数据， 因为这些导出数据是通过单元形函数推导出来的。 ( 3 ) 单元组集 利用相关理论和边界条件把各个单元按原来的结构重新连结起来，形成整体的有限 元方程。 ( 4 ) 求解未知节点的未知量 通过上述分析，可以看出，有限单元法的基本思想是“一分一合 ，分是为了进行 单元分析，合则是为了对整体结构进行综合分析。 1 4 虚拟样机技术在开关设备动态仿真设计中的应用 a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m s ) 是美国m d i 公司开发 的机械系统动力学仿真分析软件，是虚拟样机技术产品的杰出代表。它使用交互式图形 环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多 刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程建立系统动力学方程。目前，a d a m s 已经被众 多国际著名公司如f o r d ，b m w 、n a s a 、g m 、g e 、c a t 、a b b 、a d t r a n z ，洛克西德 马丁等主要制造商成功应用，并成为汽车、航空航天、铁道、兵器、船舶和通用机械等 众多领域中事实上的行业标准。根据1 9 9 9 年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额 的统计资料，a d a m s 软件占据了销售额近8 千万美元的5 1 份额。 6 西华大学硕士学位论文 a d a m s 一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便的对虚 拟机械系统进行静力学，运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具， 其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的 二次开发工具平台。 本论文成功应用多体动力学仿真软件a d a m s 建立了永磁机构真空开关的机械仿 真模型，并方便的导出到m a t l a b 中，从而将永磁操动机构的机械运动方程与电路、磁 场的方程进行耦合仿真求解，实现了对永磁操动机构的分合闸过程的动态特性仿真。由 于虚拟样机软件a d a m s 的应用，可以不用考虑永磁真空开关动作动态过程复杂的机械 特性方程建模，大大简化了永磁机构的动态特性仿真设计。 1 5 本文完成的主要工作 随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，用户对供电质量和可靠 性要求越来越高：2 0 世纪9 0 年代以来，为了加快我国电力工业的发展速度，各电力公 司竟相加大了供配电网的投资力度，其主要目标是实现供配电网自动化，以确保可靠的 提供满足用户要求的电能质量。真空开关作为控制和保护设备，其分合闸可靠性对供配 电系统的可靠性有较大影响。影响真空开关可靠性的一个重要因素是操动机构的可靠 性。因此，本论文提出开发中低压永磁机构真空开关满足供配电系统自动化发展的需要。 论文的主要研究对象为0 4 k v 永磁机构真空接触器，在采用有限元技术对永磁机构 进行静态磁场仿真分析的基础上，应用虚拟样机技术软件a d a m s 对永磁机构真空开关 的动作动态过程进行了分析与研究。课题中作者主要完成如下工作： ( 1 )采用a n s o f t 软件包建立永磁机构有限元静态磁场计算模型，得到静态吸力 以及磁链随位移和电流的变化关系静态数据表格，为下一步动态特性的计算奠定基础。 ( 2 )建立了永磁机构开关的a d a m s 模型，根据静态数据表格，联立电压平衡 方程，在m a t l a b 中实现了开关分合闸运动的联合仿真，得到动铁心以及动触头完整 运动曲线，碰撞弹跳情况通过铁心触头的位移速度曲线得到反映。利用a d a m s 强大的 p o s t p r o c e s s o r 功能，对运动曲线进行处理，获得了开关有效机械参数，如刚分刚 合速度，平均速度，动作时间等。 ( 3 ) 对永磁开关进行了仿真优化分析。根据机构输出特性与开关负载( 反力) 特性 相匹配的优化目标，分别选定了弹簧参数，即分闸弹簧刚度k 1 ，触头弹簧刚度怼作为 设计变量，进行优化仿真；选定励磁回路参数，即线圈电阻r ，线圈电感l ，线圈匝数 n ，供电电容c 作为设计变量，进行优化仿真。通过仿真优化，选定了合理的机构参数， 如分闸弹簧刚度，励磁回路参数等等，使分、合闸特性参数达到了预期要求，对开关动 作的各项速度指标进行控制，有效降低了动触头的弹跳。 7 基于虚拟样机技术的永磁真空开关运动特性研究 2 永磁机构静态磁场计算 2 1 永磁机构的结构及工作原理 永磁机构利用永久磁铁的磁性能，将电磁机构与永久磁铁有机地组合起来，可避免 操作时电能的大量消耗，减少合、分闸位置机构锁扣系统所造成的不利因素。在不需任 何机械能量的情况下，永久磁铁作用力就可使真空断路器保持在分、合闸位置。而且， 这种操动机构比传统弹簧操作机构的结构简单，发生故障的几率也小的多。由于永磁材 料的性能与磁路结构决定了永磁操动机构的工作特性，所以永磁操动机构均采用单位体 积磁能高的稀土钕铁硼( n d f e b ) 永磁材料。 目前市场上的永磁操动机构，按照机构在终端位置的保持方式，永磁操动机构可以 分为双稳态和单稳态两种形式，双稳态是完全通过激磁线圈做功完成分、合闸操作，而 单稳态则在进行分闸操作时需借助分闸弹簧。按外部形状又可分为圆柱形结构和方形结 构永磁操动机构，如图2 1 及图2 2 所示【2 】。 图2 1 圆柱形结构 f i g 2 1c o l u m nf r a m c 图2 2 方形结构 f i g 2 2r e c t a n g l ef l a m c 永磁操动机构的工作原理是将电磁机构与永磁铁有机地结合起来，配以控制系统实 现真空断路器所要求的全部功能。从现在开发的永磁机构来看，无论结构怎么变化，其 原理只有两种：双线圈( 对称式) 和单线圈( 非对称式) ，它们在分、合闸极限位置时，永 磁铁提供了保持力，前者属于双稳态式的永磁机构，而后者则属于单稳态式的永磁机构 【3 】 o 2 1 1 双稳态永磁机构原理 双线圈永磁机构采用永磁铁使真空断路器分别保持在分闸和合闸极限位置上，使用 8 西华大学硕士学位论文 合闸激磁线圈将机构的铁心从分闸位置推到合闸位置，使用分闸激磁线圈将机构的铁心 从合闸位置推到分闸位置【4 】。图2 3 为双线圈双稳态永磁机构在合闸位置时的结构简图。 从图中可见，双线圈双稳态永磁机构主要由六个零件组成：1 为静铁心，为机构提供磁 路通道，对于方形结构一般采用硅钢片叠形结构，圆形结构则采用电工纯铁或低碳钢； 2 为动铁心，一般采用电工纯铁；3 为永久磁铁，为机构提供合分闸保持力，一般采用 钕铁硼永磁材料；4 为驱动杆，使用非磁性材料，一般采用不锈钢，是操动机构与断路 器传动机构之间的连接件；5 、6 为合、分闸线圈。 当断路器处于合闸位置时，永久磁铁通过上部磁路的磁阻很小而通过下部磁路的磁 阻因空气隙很大而很大。永久磁铁的磁通大部分都通过上部磁路，将动铁心牢固地吸在 合闸位置。磁力线的分布图如图2 3 中曲线i 所示。要使断路器进行分闸操作时，只要 在分闸线圈6 中通以直流电流，该电流产生的磁力线方向与永磁体在静铁心上端产生的 磁力线方向相反，如图2 3 中的磁力线i i 和i i i 。分闸线圈中的电流所产生的磁场使动铁 心所受的吸力减小，当此电流增大到一定值时，动铁心所受的吸力之和小于动铁心上的 机械负载( 如作用在动铁心上的触头压力，其方向与永磁体的吸力相反) ，这时动铁心 就将向下运动。一旦动铁心向下运动，动铁心上端与静铁心上磁极之间就出现了空气间 隙，上端的磁阻增大，下端的磁阻减小。静铁心上磁极对动铁心的吸力减小，下磁极对 动铁心的吸力增大。动铁心向下的合力增大，使动铁心加速向下运动，直到完成分闸动 1 一静铁心2 一动铁心3 一永磁体4 一驱动杆5 一合闸线圈6 一分闸线圈 图2 3 双稳态双线圈永磁操作机构结构图 f i g 2 3t h es t r u c t u r eo f b i s t a b l ep m a 作为止。这时，动铁心重新被永磁体吸合，出现稳定状态，即使切断分闸线圈的电流， 动铁心也不会恢复到合闸状态。图2 4 所示为操动机构分闸到位后，磁力线的分布情况。 9 基于虚拟样机技术的永磁真空开关运动特性研究 合闸过程和分闸过程正好相反：在合闸线圈中通电，线圈电流在下部间隙中产生反磁场， 动铁心上受到的总吸力减小，当吸力小于动铁心上的机械负荷时动铁心向上运动，最后 达到合闸位置，动铁心重新为永磁体吸合。切断合闸线圈电流后，动铁心仍然保持在合 闸位置，合闸过程结束。 图2 4 双稳态永磁机构分闸位置时的磁场分布 f i g 2 4 t h ed i s t r i b u t i o no f m a g n e t i cf i e l da tt h eo p e n i n gp o s i t i o n 2 1 2 单稳态永磁机构原理 单线圈永磁操动机构也是采用永磁铁使真空断路器分别保持在分闸或合闸极限位 置上，但分合闸共用一个激磁线圈。在进行分合闸操作时，分别对激磁线圈通以方向相 反的激磁电流。它的合闸能量来自激磁线圈，而分闸的能量主要来自分闸弹簧和触头弹 簧，但这些弹簧释放出来的能量则是在合闸操作时储存起来的。因此，单线圈机构在合 闸操作时将消耗比双线圈大的多的能量。 单线圈永磁操动机构在进行合闸操作时，原理和双线圈永磁操动机构基本相同，只 不过单线圈的反力更大一些，因为它还受到分闸弹簧的作用力；而在分闸操作时，它的 原理则和双线圈机构有所不同。如图2 5 所示，单线圈永磁操动机构处在合闸位置，当 线圈电流为零时，永磁体产生的磁力线为所示，将断路器保持在合闸位置。当机构 接到分闸命令后，给线圈通以特定方向的电流，该电流产生的磁力线如v 所示，与永磁 体产生的磁场方向相反。当动铁心下端合成磁场所产生的吸力小于触头弹簧与分闸弹簧 的合力时，动铁心开始向下运动，驱动断路器分闸。在整个分闸过程中，线圈电流很小， 仅需提供一个抵消永磁磁铁的磁场。 1 0 图2 5 单稳态单线圈永磁操作机构结构图 f i g 2 5t h es t r u c t u r eo f m o n o s t a b l ep m a 当永磁机构处于分闸位置时，使其合闸，在操作线圈中通以与分闸操作时方向相反 的电流。这一电流在静铁心上部产生与永久磁铁磁场方向相同的磁场，在动铁心下部产 生与永磁体磁场方向相反的磁场，使动铁心下端所受的磁吸力减小，当操作电流增大到 一定值时，向上的电磁合力大于下端的吸力与弹簧的反力，动铁心向上运动，实现合闸， 并给分闸弹簧储能【5 】巾】。 2 1 3 单稳态和双稳态永磁机构的差异 上述分析可知，单稳态永磁机构和双稳态永磁机构在结构和动作原理上的差别。正 是这种结构原理上的差异决定了两种机构操动性能的不同。两种机构合闸时动作特性较 为相似，分闸时特性存在较大差异。单稳态永磁机构的分闸速度特性和弹簧操作机构较 为相似，刚分点前加速，刚分点后减速，通过合理设计弹簧参数，可以做到既提高刚分 速度，又可以减小分闸末速度，从而达到既能使真空开关快速分断，又能降低触头回弹 幅度的目的，获得较为理想的分闸速度特性。双稳态永磁机构的分闸特性较易受激磁回 路电参数控制，而单稳态永磁机构的分闸特性不易受电参数控制，因此在需要控制分闸 特性的场合( 如选相分断等) 双稳态永磁机构更具优势。两种机构优缺点比较如下。 双稳态永磁机构其优点表现在： ( 1 ) 由于机构在进行合闸时，不需给分闸提供能量，因此与单线圈相比，合闸时所 需能量较小； 基于虚拟样机技术的永磁真空开关运动特性研究 ( 2 ) 机构在合闸位置时，永磁机构只需要克服触头弹簧的力，而不包括分闸弹簧的 力。 它需要的改进之处主要表现为： 在断路器的分闸过程中，因断路器对操动机构要求有较高的刚分速度，这就需要在 行程一开始就通以较大的电流。分闸过程中，由于工作气隙越来越小，激磁电流所产生 的力越来越大，永久磁体对分合闸速度由原来的阻碍作用转变为推动作用，进一步加快 断路器的分闸速度，导致行程终止时速度过高，形成很大的冲击。 单线圈式永磁机构优点在于： ( 1 )分闸时是分闸弹簧和触头弹簧释放的能量动作，分闸弹簧的输出特性可与断路 器所要求的速度特性一致，因此，可以通过调整分闸弹簧来调整分闸特性。 ( 2 )分、合闸共用一个操作线圈，结构较简单，体积较小，更适合户外封闭式箱体 内安装。 需要改进之处主要表现为： 该结构下永磁会受到反向磁场的作用，如果永磁材料长期受到反向磁场的作用，其 磁性能将受到影响。一些学者对此加入分磁环进行改进。断路器在合闸位置时，反力为 触头弹簧与分闸弹簧的力之和，所需的合闸保持力较大。 2 2 永磁机构的二维静态磁场计算 永磁机构中电磁场的计算与研究对合理设计永磁机构及进行结构优化具有十分重 要的意义。电磁场分析问题实际上是求解给定边界条件下的麦克斯韦方程问题。然而， 在工程应用中，大多数问题都没有解析解，只能用近似的求解边值问题的数值方法进行 求解【刀。 电磁场数值计算一般有如下几种方法：有限差分法、有限元法、积分方程法、边界 积分法、边界元法及网络图论法。以上方法各有优缺点，对不同的计算对象，各种计算 方法的效果是不同的。有限元法对于非线性问题、材料和结构参数复杂的问题均十分有 效，是当今电工领域电磁场计算中应用最为广泛的方法之一。有限元分析技术作为一种 高效的数值分析方法已经取得了巨大的成功。应用领域亦已从最初力学分析拓展到各类 物理场的分析，如温度场、电磁场等，从线性分析发展到各类非线性分析。本论文研究 的对象是永磁操动机构，它的铁磁材料磁导率是非线性的，并且机构模型中包含多种材 料，因此，采用有限元法对其展开分析和计算【8 】【9 】。 有限元法是以变分原理和剖分插值为基础的一种数值计算方法，它首先利用变分原 理把所要求解的边值问题转化为相应的变分问题，也就是所谓泛函的极值问题。然后利 用剖分插值将变分问题离散化为普通多元函数的极值问题，最终归结为一组多元的代数 1 2 西华大学硕士学位论文 方程组，解之即得待求边值问题的数学解。有限元法能有效地解决区域形状不规则的问 题，对于非线性问题，材料和结构参数复杂问题的求解均十分有效。有限元法f e m ( f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ) 的基本方法是将复杂的场空间看成由有限个单元组成的整体，然后对 每个单元进行分析，得出单元的计算方程。在此基础上，将所有单元综合进行总体合成， 建立系统的联立方程组。 利用有限元法进行计算需解决一下问题： ( 1 )找出与边值问题对应的泛涵及等价的变分问题； ( 2 )将连续域离散成剖分单元之和，将未知的连续函数离散成有限项之和，即将无 限个自由度的问题离散成有限个自由度的问题； ( 3 )求泛涵的极值，离散出矩阵方程，即所谓有限元方程； ( 4 )用直接法或迭代法或优化法求解有限元方程。 对于永磁机构，采用有限元法的好处在于： ( 1 )有限元算法的系数矩阵对称、正定且具有稀疏性，求解时采用不完全乔累斯基 分解共轭梯度法结合非零元素压缩存贮有限元方程，可节约内存和c p u 时间； ( 2 )永磁机构由多种材料组成，内部具有较多媒质交界面，采用有限元法计算时，第 二类边界条件和不具有面电流密度的媒质交界条件可不作任何处理； ( 3 )铁磁材料和永磁体在计算中均为非线性材料，有限元法可较好的处理非线性问 题； ( 4 ) 有限元几何剖分灵活。 ! ， 2 2 1 永磁机构的二维磁场计算模型和方程 恒定电流磁场的m a x w e l l 方程为 vx 日- - j( 2 1 ) 引入磁矢位a ，满足 b - - vx a( 2 2 ) 磁矢位a 在整个磁场区域，包括有电流区和无电流区均存在。介质方程为 i t = v b( 2 3 ) 式中，1 ，= 1 _ 为介质磁阻率；日为磁场强度矢量；曰为磁感应强度矢量；j 为电流密度矢量。 因此，对于非线性磁场，磁矢位微分方程为 vx 1 ，vx a = j( 2 4 ) 式( 2 4 ) 称为双旋度方程。对于非线性铁磁介质，磁阻率v 不仅是坐标的函数，而且 是磁感应强度b 的函数，也即是磁矢位a 的函数【1 0 】。 基于虚拟样机技术的永磁真空开关运动特性研究 由于永磁操动机构中存在具有饱和效应的铁磁材料，磁导率口系磁感应强度值b 的 函数，即： = ( 曰) = ( i v 么i ) ( 2 5 ) 1 1 ，= 一 对于圆形永磁机构，由于它是一个轴对称结构，因此，可以采用二维轴对称场进行 计算。在轴对称场中矢量磁位么只有1 9 方向分量以，在圆柱坐标系( z ，) 下，式( 2 4 ) 可 以展开简化为： 昙仁掣 + 昙仁掣、1 ：一山 c 2 射 毋l ，西升l ，如 9 对于式( 2 6 ) ，其一类边界条件为： r a 占= r a p o ( 2 7 ) 二类边界条件为： 一1 o ( r a , ) ：一h ( 2 8 ) ，a 聆 对于方形永磁机构，忽略断面效应时可采用二维平面场计算。在平面场中矢量磁位彳 和电流密度j 相互平行且只有z 方向分量彳：、以，即，以铂，- 0 ；以- j 户0 ，式( 2 4 ) 可 以展开简化为： 昙( v 娑) + 昙( v 豢) ：一以 ( 2 9 ) 对于方形永磁机构的有限元计算，其一类边界为： a ：= a ：o ( 2 1 0 ) 二类边界为： ，竺：一日 ( 2 1 1 ) a 穆 。 式中，日是磁场强度的切向分量；以是边界的法向方向。 此外，由于永磁机构中存在永磁激励，它与传导电流电磁场的计算有许多不同之处， 磁场计算首先要建立永磁体的数学模型。 机构中的永磁体可以认为是经预先磁化的永磁体，不但具有剩余磁化强度，而且还 能被外磁场磁化m ，其特性满足： b - - - - - u o ( 日+ m ) = 1 9 0 ( 日+ m ，+ m ) ( 2 1 2 ) 式中日为永磁体工作点的磁场强度：b 为永磁体工作点的磁感应强度；m 为永磁体 感应磁化强度，是永磁体工作点磁场强度的函数，即： 1 4 西华大学硕士学位论文 m = x - ( 2 1 3 ) 其中m ，代表物质的固有磁化强度；m ，0 表示即使没有外磁场时，物质也保留一定 的磁化；z 为永磁体磁化系数，它与相对回复磁导率“，之间存在的关系为：“，=