（电力电子与电力传动专业论文）275kv永磁机构真空断路器动态特性仿真研究.pdf

西华大学硕士学位论文 d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cs i m u l a t i o na n d r e s e a r c ho n 2 7 5 k vp e r m a n e n t m a g n e t a c t u a t o r f o rv a c u u mc i r c u i tb r e a k e r p o w e re l e c t r o n i c sa n d p o w e rd r i v e m d c a n d i d a t e ：z h o ul i - l i s u p e r v i s o r ：f a n gc h u n - e n w i t ht h er a p i d l yd e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a lr a i l w a ya n dt h er a i s e ds p e e do f e l e c t r i ce n g i n e ，i tr e q u i r e sm o r ea n dm o r eh i g h e rq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fr a i l w a y p o w e rs u p p l ys y s t e m a sac o n t r o l l i n ga n dp r o t e c t i n ge q m p m e n to fv a c u u mc i r c u i t b r e a k e r , t h er e l i a b i l i t yo fo p e n i n ga n dc l o s i n go p e r a t i o nh a sg r e a ti n f l u e n c eo n p o w e rs u p p l ys y s t e m t h ek e yf a c t o ra f f e c t sv a c u u mc i r c u i tb r e a k e rr e l i a b i l i t yi st h e o 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 sa k i n do fn e wv a c u u mc i r c u i tb r e a k e r , t h e n 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 tm a g n e t i ca c t u a t o r ( p m a ) ，i n w 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 ra n dp e r m a n e n tm a g n e t ( p m ) a r er a t i o n a l l y c 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 la c t u a t o r h 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 a p 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 吐lc 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 e p a r t sh 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 n g r e a t l yi n c r e a s e d t h u s ，t od e v e l o p2 7 5 k vv a c u u mc i r c u i tb r e a k e rw i t hp e r m a n e n t m a g n e t i ca c t u a t o rb e c o m e s m o r es i g n i f i c a n t 2 7 5 k vv a c u u mc i r c u i tb r e a k e rw i t hp m ah a sl o n g e rs e p a r a t i o na n dn e e d s f a s t e ro p e n i n ga n dc l o s i n gs p e e d ，i t sm o r ed i f f i c u l tt od e v e l o p s ot or e s e a r c ht h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cb e c o m e sm o r em e a n i n g f u lf o ri m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo f v a c u u mc i r c u i tb r e a k e r i nt h i sw o r k ，t h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep e r m a n e n t m a g n e t i ca c t u a t o ra r eo b t a i n e du s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lw i t l lu s eo f a n s o f l s o f t w a r ep a c k a g e n e x t ，t h ee l e c t r i c a lc i r c u i ta n dm e c h a n i c a lm o d e l sw h i c hd e s c r i b e t h eb e h a v i o ro ft h ec i r c u i tb r e a k e ra r ec o n s t r u c t e du s i n gm a t l a bp a c k a g e t h e d y n a m i s t i cc h a r a c t e r i s t i e sa r es i m u l a t e d0 1 1t h eb a s i so f o v e rs t a t i cs i m u l a t i o n a n d i i 西华大学硕士学位论文 r e s u l t sf o rt h et i m ev a r i a t i o n so ft h ec o i lc u r r e n t ，t h ed i s p l a c e m e n to ft h ec o n t a c t s y s t e m ，m o v ev e l o c i t ya n de l e c t r o m a g n e t i cf o r c ea r eo b t a i n e d f i n a l l y ，t h et e s t i n g p l a n ti sd e s i g n e da n dt h ee x p e r i m e n ti sc o n d u c t e di no r d e rt oe v a l u a t ev e r a c i t yo f t h es i m u l a t i o n ，i ti si n d i c a t e dt h a ts i m u l a t i o nr e s u l t sc o i n c i d e w e l lw i t ht h e e x p e r i m e n t k e yw o r d s ：v a c u u n lc i r c u i tb r e a k e r ，p e r m a n e n tm a g n e ta c t u a t o r ，o p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c i i i 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他入已 经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得西华大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在露华大学读书期闻在导师指导下取褥的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：目衲诵 为孕客年专胃冀露 导师签名：方奈墨 2 g 年皇月如日 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 中压断路器操动技术的发展 随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，社会对电力的需求越来越 大。而电力法的公布和执行，更要求电力供电部门提供安全、经济、可靠和高 质量的电力。在配电和供电系统中，断路器是十分重要的电气设备。它的任务 是关、合负荷电流及开断短路故障电流，保护电网及回路上电器设备免受损坏。 作为中压开关的主流产品，真空断路器提高可靠性并达到免维护的途径应从其 所具有的基本功能和运行条件综合考虑主要为： 开断性能的高可靠。开断能力是断路器最重要的性能之一，因此对灭 弧室的开断性能做过大量的研究工作。对于真空断路器，经过改进真空灭弧室 触头结构，从平板触头到横磁场触头到纵磁场触头，使得电弧在触头表面不再 聚集而成扩散形态，触头整个表面均匀受热，防止了局部过热，这样，触头表 面烧损更小，大大提高了开断电流和触头寿命。研究开发新的触头材料，采用 c u c r 触头材料，改进触头制造工艺，进一步提高灭弧室性能。采用先进的一 次封排工艺，除气彻底，灭弧室寿命长，提高了灭弧室的可靠性、稳定性和一 致性。经过多年的不断研究和开发，目前，真空灭弧室的开断容量和开断能力 不断提高。 机械性能的高可靠。按结构，断路器分操动机构和开关本体两部分。 数十年的断路器发展历史证明，操动机构对断路器的发展有着极大的影响。断 路器的动态性能与所采用的操动技术有很大关系。因此在断路器向高电压、大 容量、高可靠性发展的今天，为了满足电力系统对高可靠性的要求，在致力于 提高传统操动机构性能、质量和可靠性能的同时，也有必要突破传统意义上的 机构动作原理，研制和发展新型的断路器操动机构。 在断路器发展的不同时期，操动机构的形式有所不同。最早在油断路器上， 绝大多数利用直流电磁能量进行操作，这种操动机构至今仍在中压断路器中广 泛使用。这种机构通常通过直流线圈或电动机将电能转换成机械能，在合闸时 储能弹簧吸收动力装置的一部分机械功并转化为弹簧势能；分闸时，由弹簧释 1 西华大学硕士学位论文 放势能实现断路器分闸的目的。它的操作能源通常为大容量蓄电池、硅整流电 路、电容储能及镍镉电池。为了获得较大的操动力，需要较大的电磁铁和电源 以及较大截面的电缆，因此它主要适用于中小型断路器上。 五十年代压缩空气断路器在电压等级和开断容量方面居领先地位，使压缩 空气成为广泛使用的操作动力。气压式操动机构的主要优点在于：以压缩 空气作为操作能源比较经济，空气取之不尽，用之不竭；压缩空气是由压 气机系统单独制备的，即使暂时失去电源，贮气罐的容量也足以完成断路器的 分、合操作，而且操作时所需能量较低。气压式操动机构有两种形式：一种是分、 合闸操作都用压缩空气作为动力，不设置分闸弹簧；另一种是设置分闸弹簧， 分闸弹簧在合闸过程中储存位能，作为分闸时的动力。 六十年代少油断路器有了很大发展，采用了较为成熟的液压技术。液压操 动机构按传动方式可分为全液压和半液压。全液压方式的液压油直接操纵动触 头进行合闸，因此省去了联动拉杆减少了机构的静阻力，因而速度加快，但对 结构材质要求较高：半液压方式液压油只到工作缸侧，操动活塞将液压能转换 成为机械功带动联动拉杆实现断路器合、分闸操作。和其它操动机构相比，液 压机构具有操作出力大，操动特性好的优点。 后来出现的弹簧操动机构与以上三种断路器操动机构有所不同。弹簧操动 机构的关键部件为分闸弹簧和合闸弹簧。它将电动机的机械功在短时间内贮存 于合闸弹簧中，然后将合闸弹簧能量释放进行合闸。在合闸过程中，分闸弹簧 储能，用作分闸动力。这种操动机构工作特性受外界影响的因素较少，维修的 要点也容易明确，在中压断路器中已普遍采用。 目前用于中压断路器的操动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 m 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l 在合闸过程中变化较大，产生反电势i d l 疵，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 2 西华大学硕士学位论文 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【1 】o 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。 1 2 永磁机构国内外发展及现状 表1 1 永磁材料的性能比较 t a b 1 1p e r m a n e n tm a t e r i a lc o m p a r i n g 材料铁氧体铝镍钴稀土永磁钕铁硼 最大磁能积( b h ) 一( k j m 3 ) 3 25 62 7 0 剩磁b ，( t ) 0 3 9 0 4 21 3 0 1 4 0 1 2 2 1 2 5 矫顽力h c ( k a m ) 2 2 0 2 7 05 4 6 08 7 6 9 3 9 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 矫顽力和剩磁；且价格较铝镍钴永磁材料要便宜得多，在受到外界磁场和机械 3 西华大学硕+ 学位论文 冲击后，较传统的永磁材料稳定，不易引起退磁现象，所以逐渐受到了人们重视 1 2 。【引。钕铁硼永磁材料性能如表1 1 所示。 永磁机构是上世纪9 0 年代出现的一种新型操动机构，自问世以来，就得 到了国内外开关行业的普遍关注。国外永磁操动技术的理论及应用研究开始于 8 0 年代末，欧洲以英国及德国为代表。1 9 8 9 年英国曼彻斯特大学( t h eu n i v e r s i t y o fm a n c h e s t e r ) 系统及能量研究组为g e c 公司设计了一台永磁机构样机；在 1 9 9 2 年前后，配永磁机构的真空断路器在英国工业中开始应用；1 9 9 5 年，英 国的w h i p p & b o u r n e 公司进一步改进了永磁机构的结构，并开发出具有免维护 功能的自动重合器并投入市场，与此同时，德国的a b b 公司也做了一些技术 改进，进一步降低了操作能耗；1 9 9 7 年，德国的a b bc a l o re m a g 开关设备公 司介绍了他们最新研制的v m l 型永磁机构真空断路器，并于1 9 9 8 年在汉诺威 博览会上展出了样品，引起了各制造公司的极大重视。a b b 公司的v m l 所配 的永磁机构是一种双稳态双线圈结构，采用电容器作为储能元件，可以实现重 合闸操作。v m l 型永磁机构真空断路器结构如图1 1 所示。 1 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 一分闸线圈1 5 一紧急分闸装置1 6 一机架 f i g 1 1p 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 mc i r c u i tb r e a k e r 图1 1v m l 型永磁机构真空断路器剖面图 4 西华大学硕士学位论文 采用同样工作原理，英国i p e c 公司开发制造的用于中压开关装置的电磁 驱动器( m a g a c t ) 也于几年前推向市场。继a b b 公司之后，国外其它一些 开关制造企业也纷纷向市场推出了类似的产品，例如法国a l s t h o mt & d 公司 推出的中压断路器用的是非对称磁力操动机构，以及a b b 公司开发出的基于 永磁机构的同步中压断路器f 4 】- 【5 】。2 0 0 2 年在汉诺威博览会上，特瑞德电气股份 有限公司展出了i s m 系列永磁机构真空断路器，引起了参观者的极大兴趣。 从2 0 世纪9 0 年代末，永磁机构真空断路器传入我国，由于永磁机构的诸 多优点以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【6 h7 1 。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【8 】。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 1 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【9 】，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 认型、z n 2 3 4 0 5 型、z n 6 5 型、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。 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l jo j 。由此可见，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。随着永磁机构的不断发展，将为电力系 统配网自动化做出新的贡献。 5 西华大学硕士学位论文 1 3 永磁机构动态仿真的意义 永磁机构可实现机械上的高可靠和免维护。i e c 标准和国家标准对“设计成 在其预期的使用期间，主回路中开断用的零件不许维护，其它零件只需要很少 维修”的一种断路器定义为“e 2 级少维护断路器”，国际上也统称为“免维护断路 器”。尽管实现免维护功能需要从产品整体设计、制造入手，全方位综合考虑， 但毫无疑问首要解决的问题是提高机械可靠性，或者说机械上的高可靠是免维 护的基础。由于永磁机构是通过将电磁机构与永久磁铁特殊结合，来实现传统 断路器机构的全部功能，其结构上与传统机构的最大区别在于无须脱、锁扣装 置即可实现机构终端位置的保持功能，零部件数目大大减少，因此必将大大提 高断路器的机械可靠性。 真空断路器与传统的少油断路器和s f 6 断路器相比具有以下优点： ( 1 ) 真空介质在开断短路电流时不会产生对人体有害的物质；而少油断路 器，在开断短路电流时产生喷油，排气，给外界带来污染；s f 6 断路器 在开断短路电流时，电弧的高温会使s f 6 气体分解产生有毒物质污染环 境。 ( 2 ) 真空介质绝缘强度高，恢复速度快，断路器行程较短( 1 2 k v 真空断路器 的开距约为1 0 m m ，2 7 5 k v 约为2 4 r a m ) ，操动机构的操作功小，在开断 短路电流时电弧电压低，触头磨损小，断路器使用寿命长。 ( 3 ) 结构简洁，零部件数量 = l s f 6 断路器显著减少，不但降低了造价，还大 大提高了运行的可靠性，能在整个寿命中做到少维修。 由于这些原因，在1 0 k v ，2 7 5 k v 的中压配电系统中，国外真空断路器的占 有率大致已从1 9 8 0 年的1 9 增加到1 9 9 3 年的6 5 ，我国真空断路器的占有率也 在逐年大幅提高，至u 1 9 9 8 年已经达到6 0 7 0 。但目前真空断路器使用中的 关键问题是操作机构的可靠性较差。对于中压断路器，根据国际大电网会议组 织的国际调查表明，机构故障率占整个断路器总故障率的7 0 3 ；国内对1 5 个 省市不完全统计，机构故障率也占了6 9 5 。因此，操动机构在整个断路器中 占有重要的地位，它不但要保证断路器长期运行中动作的可靠性，即机械可靠 性，而且操动机构和断路器分合闸时间、分合闸速度密切相关，所以机构还影 6 西华大学硕士学位论文 响着断路器开断性能的可靠性。 上世纪8 0 年代末出现的用于真空断路器的永磁操动机构，因为其提供的力 一行程特性曲线与真空断路器的负载特性比较一致【】- 【l ：1 ，如图1 2 所示。而且 由于永磁机构将电磁机构与永久磁铁有机地结合起来，使在合分闸位置无需电 磁系统通电、也无需使用机械锁扣系统就可以通过永久磁铁产生的保持力使真 空断路器保持在合、分闸位置上。所以配永磁操动机构的真空断路器零部件少、 其机械系统的可靠性大幅提高【13 j 哇婚】，能真正实现免维护，大幅度提高了真空 断路器的可靠性，逐渐成为真空断路器操动机构的新秀，具有良好的应用前景。 论文采用用永磁机构静态特性分析方法只能解决在稳态条件下，励磁线圈 产生的电磁吸力与气隙之间的关系。这种静态特性分析只可以判断永磁机构的 励磁线圈在一定的励磁电流下能否保证可靠地动作，但却不能反映机构动作过 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，永磁机构 的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。 力( n ) 行程( 咖) ( a ) 真空开关的负载特性( b ) 弹簧的出力特性( c ) 机构的出力特性 f 培1 2f o r c ev 豇 s cd 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 c 图1 2 力一行程特性图 7 西华大学硕士学位论文 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，我们可以 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。进而优选 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。这样也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，对于提高配真空断路器的永磁操动机构的性能具 有非常重要的意义。 1 4 本课题来源和主要研究内容 随着铁道电气化的快速发展和电力机车的提速，对铁道牵引供电系统的供 电质量和可靠性的要求越来越高。真空断路器作为控制和保护设备，其分合闸 可靠性对铁道牵引供电系统的可靠性有较大影响。影响真空断路器可靠性的一 个重要因素是操动机构的可靠性。因此，本文提出开发2 7 5 k v 永磁机构真空 断路器成为铁道电气化发展的需要。 论文的主要研究对象为2 7 5 k v 永磁机构真空断路器，采用仿真和试验的 方法对永磁机构的静态和动态特性进行了分析与研究。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，得到静态和 动态吸力以及磁链随位移和电流的变化关系，为下一步动态特性的计算 奠定基础。 ( 2 ) 采用m a t l a b 语言的s i m u l i n k i 具箱建立永磁机构系统仿真动态模型， 编制动态特性分析的计算程序，得到位移、速度、电容电压随时间的动 态特性曲线。 ( 3 ) 制作出永磁机构产品样机，并对样机进行测试，证明论文研究内容的正 确性、可行性。 8 西华大学硕士学位论文 1 5 小结 本章主要介绍了断路器操动机构的发展，对永磁机构的国内外发展过程及 现状进行了叙述，并且介绍了对永磁操动机构进行动态特性仿真的意义，最后 简述了本论文的课题来源和主要研究工作。 9 两华大学硕士学位论文 2 永磁机构的结构及工作原理 2 1 永磁操动机构的介绍 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。 f i g 2 1c o l u m nf r a m e 图2 1 圆柱形结构 2 2 永磁机构的工作原理 f i g 2 2r e c t a n g l ef r a m e 图2 2 方形结构 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 1 0 西华大学硕士学位论文 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。 2 2 1 双稳态永磁操动机构的工作原理 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。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：l 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。动铁心上向下的合力增大，使动铁心加速向下运动，直 到完成分闸动作为止。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了。图2 4 所示为操动机 构分闸到位后，磁力线的分布情况。 西华大学硕士学位论文 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 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 图2 3 双稳态双线圈永磁操作机构结构图 f i g 2 4t h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l da tt h eo p e i l i n gp o s i t i o n 图2 4 双稳态永磁机构分闸位置时的磁场分布 1 2 西华大学硕+ 学位论文 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。 2 2 2 单稳态永磁操作机构的工作原理 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 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。 l 一传动杆2 一动铁心3 一永磁体4 一静铁心5 一等效弹簧6 一激磁线圈 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 图2 5 单稳态单线圈永磁操作机构结构图 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 1 3 西华大学硕士学位论文 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。 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。 2 3 永磁机构优缺点比较 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； ( 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 1 4 西华大学硕士学位论文 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。 本论文所研究的2 7 5 k v 永磁机构真空断路器的触头开距大、铁心行程长， 要求分合闸速度快，所以选用双稳态双线圈圆形永磁操动机构。 2 4 小结 本章叙述了永磁机构工作原理，并论述了永久磁铁的两种工作状态，介绍 了两种典型结构的永磁机构并对两种机构进行优缺点对比。 永磁操动机构形式多样，原理上虽然大体相似，但是各种永磁操动机构均 有各自的优、缺点，设计者应根据工程需要合理地加以选用。 西华大学硕士学位论文 3 永磁机构的二维磁场仿真分析 3 1a n s o f t 软件剖析 a n s o f tm a x w e l l 软件的历史【1 6 】 a n s o f t 公司是全球最大的提供以电磁技术为核心的专业e d a 厂商，成立 于1 9 8 4 年，总部设于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡。a n s o f te m 是a n s o i 危公司 历史最悠久并享有盛誉的软件系列，在低频机电和电力电子系统设计仿真领域 保持着无可争辩的领导地位。 近二十年来，a n s o f t 公司始终领导着世界计算电磁技术的发展方向，是全 球最大的专业射频微波、信号完整性、电磁兼容和电磁干扰、电磁场及机电元 件和系统仿真软件供应商。a n s o f t 产品被广泛应用于电子设备、集成电路、通 讯、航空、航天、汽车、船舶及国防军事等部f - j ，a n s o f t 全球主要客户包括：i b m 、 i n t e l ，l i p , 、s u n ，a g l i e n t ，n o k i a ，e r i c c s o n ，g e ，b m w ，m o t o r o l a ，s i e m e n s ， t o y o t a 、n i s s a n 、s a m s u n g 、a b b 、s h a r p 、s o n y 、t o s h i b a 、t d k 等著名公司。 a n s o f t 公司1 9 9 7 年进入中国市场后，先后在北京、上海开设了办事处，并 拥有了上百家国内商业用户和每年超过3 0 的业务增长，与国内著名高校合作 建立了多个高级培训中心。a n s o f t 软件是从事射频微波、e m f e m c 、信号完 整性、以及电机变压器、机电系统领域设计人员的首选工具【l 7 1 。 a n s o f tm a x w e l l 软件功能综述 a n s o f lm a x w e l l 软件包括以下功能包： ( 1 )m a x w e l l2 d 3 ds i m u l a t o r m a x w e l l2 d 3 ds i m u l a t o r 是采用有限元法计算静电场、线性和非线性磁 场、传导电流场和涡流场的计算分析软件包。直观友好的图形用户界面，a n s o f t 公司专利的自适应网格剖分技术，快速精确的自适应求解器和功能强大的后处 理器构成了一个完整的仿真设计环境，可方便地计算诸多的电磁部件，如一些 旋转电机，传感器、变压器、永磁绕组、电抗器和螺线管等；自动计算力、转 矩、电容和电感量等物理量，可显示等值线，d 场和e 场、b 场和h 场、能 1 6 西华大学硕士学位论文 量密度图。强大的参数分析能力可对集合结构，频率等进行扫描分析，确定制 造约束和设计规则。图形处理与a u t o c a d 软件完全兼容。 ( 2 ) m a x w e l lt h e r m a l m a x w e l lt h e r m a l 是用于二维温度场分析的软件包。 ( 3 ) e m p u l s e ( 2 d ) e m p u l s e 为精确二维场的动态分析软件，可对机械、电子线路和电磁部件 动态过程进行深入分析。 m a x w e l l 软件的有限元分析流程 使用a n s o f l 公司的m a x w e l l 软件包进行电磁分析的流程，如图3 1 所示。 该流程主要包含规划、建模、加载、网格划分、求解、后处理等步骤。在 这所有的步骤当中，第一步规划任务至关重要，在此详细说明这一过程，后面 的几个步骤，将在后面的章节加以分析。 规划指着手前的准备环节。在进行工程分析之前，必须先确定如何让程序 模拟实际的物理模型。包括如下的内容：分析的目的是什么? 将模拟系统的全 部还是部分? 模型中将包括多少细节? 将选择什么场来模拟? 结果需达到何 种精度? 通常，用户起初不可能预见那么多的细节，对于新手更是如此，所以尽管 仔细进行了规划，有时还是会忽略一些至关重要的东西。所以在分析过程中要 不停地推敲总结。具体的来说，要对以下方面加以慎重的考虑： ( 1 ) 维数的选择：用2 d 模型，还是要用3 d 模型； ( 2 ) 分析场的类型：所处理的场域问题是平面场还是轴对称场； ( 3 ) 充分利用对称条件： 重复对称( 模型每隔一段距离就有完全相同的物体) 镜像对称( 以中轴面为对称面) 轴对称( 以旋转轴为对称轴) ( 4 ) 分析工程问题，即应用什么处理器来求解； ( 5 ) 分析清楚载荷和相应的边界条件。 1 7 西华大学硕士学位论文 f i g 3 1t h ef l o wp r o c e s sc h a r to f a n s o f tf i n i t ec l e m e n ta n a l y s i s 图3 1a n s o f t 有限元分析流程图 1 8 西华大学硕士学位论文 总之，规划这个步骤对应以后的具体实施有重要意义，只有当有限元模型 建立，分析的场域类型和相应的载荷及边界条件的抽象正确，才有可能准确解 决相关的工程问题。 软件应用剖析 a n s o f l 软件包中3 d 功能与2 d 功能基本一致，因此本章仅以2 d 为例来具 体的分析各个步骤。 ( 1 ) 前处理一实体模型的建立 m a x w e l l2 d 软件使用m a x w e l l 前处理器2 dm o d e l e r 来建立模型。其软件 界面如图3 2 所示。m a x w e l l2 dm o d e l e r 前处理器是个功能比较齐全的c a d 工具软件。与常用的a u t o c a d 软件一样，是直观的w i n d o w s 界面操作，比较容 易上手，易操作，可以用鼠标操作控制，也可以用键盘输入精确的坐标绘制模 型。 。a 澎2 蛾 隘 f i g 3 2t h ep r o c e s s o rb e f o r e2 d 图3 22 d 前处理器 1 9 两华人学硕十学位论文 在绘制模型之前，先确定坐标原点，然后再确定绘图区域的范围，辅助网 格及捕捉设置等。在2 dm o d e l e r 中有两种坐标系可以选择：直角坐标系和圆 柱坐标系，分别用来为平面场和轴对称场建模。 在2 dm o d e l e r 可对建立的实体进行复制、镜像、移动、修改编辑以及进 行布尔操作等处理，灵活的运用这些辅助的功能，可以大大的加快建模的速度。 前处理器还具有无限次u n d o 功能，如果出错，恢复到上次的操作非常的简 便。在使用过程中有以下几点需要特别的注意： 建模力求简单，把握问题的本质：模型建的越复杂，随后的剖分及计算就 越复杂，对计算机硬件配置的要求也就越高； 图形精度要求：创建的单个模型其最大尺寸不能超过其最小尺寸的3 个数 量级，如果超过了这个级别，2 dm o d e l e r 就不能辨别，而认为这单个模 型是一条直线或曲线； 2 dm o d e l e r 处理器自动创建一个背景模型，所有的绘图区域内的空白区 都包括在内，从而简化了实体模型的建立步骤