（电机与电器专业论文）断路器新型磁力操动机构的研究.pdf

断路器新型磁力操动机构的研究 t h e s t u d y o fe l e c t r om a g n e t i cf o r c ed r i v i n ga c t u a t o r o fc i r c u i tb r e a k e r a b s t r a c t w r i t ht h ef a s td e v e l o p m e n ti nt h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m s ，i ti sp u tf o r w a r dt h eh i g h e r r e q u e s tt ot h eq u a l i t ya n df u n c t i o no fb r e a k e rw h i c hi st h em o s ti m p o r t a n tc o n t r o lc o m p o n e n t i nt r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o ns y s t e m s a c t u a t o ro fc i r c u i tb r e a k e ri st od e t e r m i n ew h e t h e r t h en o r m a lc i r c u i tb r e a k e ra k e yf a c t o ri nb r e a k i n g o nt h i sb a s i s ，i ti st h em a i nr e s e a r c hf o c u s o f s w i t c hp r o f e s s i o nt op u tt h ed e v e l o p m e n to ft h eg o o da n dd e p e n d a b l eb r e a k e rq u i c k l y 1 1 1 ek e yf a c t o ra f f e c t ss f 6c i r c u i tb 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 s r e l i a b i l i t y a tp r e s e n t ，n es p r i n ga c t u a t o ri sa d o p t e db ys f 6c i r c u i tb r e a k e r s n em e c h a n i c a l t 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 rh a v eb e e ne l i m i n a t e d a sk i n do fn e w a c t u a t o ro fc i r c u i tb r e a k e r ，t h en e w o p e r a t i n gp r i n c i p l ei sa d o p t e db ye l e c t r om a g n e t i cf o r c e d r i v i n ga c t u a t o r ( e m f a ) t h ec l o s e dm a g n e t i cc i r c u i tb yp e r m a n e n tm a g n e ti sf o r m e da n da m o v a b l ec o i lb e t w e e nm o v a b l ec o r ea n ds t a t i cc o r ei si n s t a l l e d l o r e n t zf o r c ew h i c hc a nd r i v e c i r c u i tb r e a k e rt om o v eu pa n dd o w ni sp r o d u c e db yt h em a g n e t i cf i e l df r o mp e r m a n e n t m a g n e tc u t t i n gc h a r g e dc o i l c i r c u i tb r e a k e ri sh e l do nt h ep o s i t i o no fo p e n i n go rc l o s i n gb y a u x i l i a r yp e r m a n e n tm a g n e t e m f ah a st h ea d v a n t a g eo fl e s sp a r t ，h i g h e rr e l i a b i l i t ya n dn o m a i n t e n a n c ea n ds oo n ，s oi th a sb e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb yp e o p l ea 1 1o v e rt h e w o r l d i nt h ep a p e r , t h em o s t l yw o r ki st h es t u d yo ne m f ao fn e wm i d d l e v o l t a g ec i r c u i t b r e a k e r ，i t sp r i n c i p l e ，t h es t a t i cf o r c e ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ed e s i g no fc o n t r o l s y s t e m t 1 1 i sp a p e rp r e s e n t sag e o m e t r ym o d e l i n go fe m f ab yu s i n gt h em a x w e l l2 df r o m a n s o f lc o r p o r a t i o na n d2 da n d3 dm a t hm o d e la s s o c i a t e dw i t hg e o m e t r ym o d e l i nt h e c a l c u l a t i o no fs t a t i cm a g n e t i cf i e l d ，t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) i su s e db yt h e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n a l y s i ss o f l a v a r ea n s o f t t h es t a t i ch o l df o r c eo fe m f a w i t he x c i t i n g c u r r e n ta n dt h el o r e n t zf o r c eo ft h em o v i n gp a r ta r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d t h ed y n a m i c c h a r a c t e ro fe m f ai sa f f e c t e db yp e r m a n e n tm a g n e ta n de x c i t i n gc u r r e n t i nt h i sp a p e r , n e w m a t h e m a t i cm o d e la n de q u a t i o na r ee s t a b l i s h e d t h ed a t ao fd i s p l a c e m e n ta ta n yt i m ed u r i n g t h eo p e n i n ga n dc l o s i n go p e r a t i o ni so b t a i n e d ，p r o v i d i n gt h e o r e t i c a lb a s i sf o rd e s i g no fr e a l m o d e l a tl a s te x p e r i m e n t a lp r o t o t y p ei sp r o d u c e d ，a n dac o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d n es i m p l e c l o s i n ga n do p e n i n gc i r c u i ta r ed e s i g n e db ya p p l i c a t i o no fp o w e re l e c t r i c a la p p l i c a t i o na n dt h e o p e n i n ga n dc l o s i n go p e r a t i o n o fe m f ai sa c h i e v e d t h ed y n a m i c e x p e r i m e n to f i i 大连理工大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a lp r o t o t y p ei sc o n d u c t e db yg k c - cd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fh i g h - p r e s s u r e s w i t c ht e s t e r an u m b e ro fm o t i o np a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d t h em e c h a n i c a lm o v e m e n t c h a r a c t e r i s t i c so fe m f aa r es h o w e db yt h ee x p e r i m e n t b u ti tn e e d sf u r t h e rp e r f e c tw o r kf o r t h ed e s i g no fe m f a k e yw o r d s ：e l e c t r om a g n e t i cf o r c ed r i v i n ga c t u a t o r ( e m f a ) ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ；a n s o f t p r o j e c ts u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 5 0 8 0 7 0 0 6 ) i i l 大连理工大学硕十学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位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、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工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。 学位论文题目： 堑监盎型塑篮垫趣塑衄垒 作者签名：盔：整迁 日期：生皇年月芝日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1引言 我国电力工业的发展，带动了输、变、配电设备制造业，高、中、低压开关及其成 套设备制造业的发展，而后者的发展反过来又提高了电力供应的水平，促进了电力工业 的发展【l 】。可以预计，在我国电力供应仍然落后于发达国家的今天，我国的输、变、配 电设备制造业在当今及今后相当长的一段时间内，仍会有相当大的发展空间。摆在输、 变、配电设备制造业和开关行业制造厂家面前的问题是：如何生产高技术含量、高质量 水平的产品，满足电力工业不断发展的各种需要和服务【2 】。 中压s f 6 断路器的生产始于6 0 年代。在中压等级范围内，除了西德c a l o r e m a g 公 司、日本安川电机公司、英国y o r k s h i r es w i t c h g e a r 公司在生产2 4 k v 以下的s f 6 断路 器外，几乎其余的所有公司都在生产3 5 k v 级s f 6 断路器。其中大多数用于户内的金属 封闭开关设备中。随着s f 6 断路器的开断能力不断提高，s f 6 断路器作为控制和分配电 能用的开关元件越来越广泛地应用于电力系统【3 】。 所有中压s f 6 断路器目前都采用弹簧操动机构。对于这种弹簧机构的s f 6 断路器的 全合闸和全分断时间为0 0 5 0 1 5 s ( 通常为0 0 6 - 0 0 8 5 ) 。机构的可靠性及采用能够降 低断路器机构动态负荷和减少触头烧损的自能式和旋弧式灭弧装置大大提高了在配电 网络中运行的中压s f 6 断路器的机械寿命( 达1 0 0 0 0 1 5 0 0 0 次操作) 和电气寿命( 按照开 断额定电流) 。因此，与其配合的操动机构的机械寿命及可靠性就成了较为突出的问题【训。 高压开关的一个最基本性能就是机械可靠性，电力运行和试验站的故障统计中表明，我 国高压开关最突出的问题就是机械和绝缘问题，这与发达国家相比较为落后，在发达国 家的先进公司，现在都纷纷提出并推出新一代免维护的电器产品。我国高压开关设备要 真正做到产品免维护仍然很困难，实际上，在产品设计上应当尽可能地简化结构，最简 化的产品结构也就是最可靠的产品【5 】。 从国际、国内断路器的故障统计数字来看，机械故障占大多数【6 】，为进一步提高断 路器的可靠性，满足当今社会对高质量、高可靠性开关产品的需求，有必要突破传统意 义上的操动机构动作原理，研制新型的断路器操动机构。本文提出一种新型的操动机构 磁力操动机构。它是一种简单、安全可靠且能提供长行程的s f 6 断路器操动机构， 对实现s f 6 断路器的免维护，对提高整个电网的安全可靠性具有重要意义。 断路器新犁磁力操动机构的研究 1 2 断路器的操动机构 1 2 1 操动机构的分类 操动机构的分、合闸能源从根本上讲是来自人力或电力。这两种能源还可转变为其 它能量形式，如电磁能、弹簧位能、重力位能、气体或液体的比缩能等。根据所提供能 源形式的不同，操动机构可分为手力操动机构( c s ) 、电磁操动机构( c d ) 、弹簧操动机构 ( c t ) 、气动操动机构( c q ) 和液压操动机构( c y ) 等。手力和电磁操动机构属于直动机构， 弹簧、气动和液压操动机构属于储能机构【7 1 。对于直动机构来说，操动机构由做功元件、 连杆系统、维持和脱扣部件等几个主要部分组成。 操动机构的类型不一样，其应用的场合也有所不同，下表是几种常见的操动机构的 应用范围见表1 1 。 表1 1 几种操动机构的应用情况 t a b 1 1 a p p l i c a t i o ns i t u a t i o no fs e v e r a lo p e r a t i n gm e c h a n i s m 操动机构类型 应用场合 手动操动机构1 2 k v 以下小容鼍断路器 电磁操动机构1 2 6 k v 以下的油断路器 弹簧操动机构用于中小型断路器 气动操动机构应用丁有空压设备的场合 液压操动机构适用于1 2 6 k v 以上超高压断路器 永磁操动机构适用于中压断路器 1 2 2 操动机构的发展现状 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。主要通 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的势能。在分闸时，由弹簧释放势能实现断路器的分闸。它的操作 能源通常为大容量蓄电池、硅整流电路、电容储能电池。为了获得较大的操作力，需要 较大的电磁铁和电源以及较大截面的电缆，因此它主要用于中小断路器上。而真空断路 器与其它型式在断路器例如空气断路器、油断路器和s f 6 断路器的动作特性有很大差异。 真空断路器的行程很小，而由于对接式触头合闸保持力大，因此，机构必须保证在开关 合闸到位时，提供足够大的力来克服触头压力，而且不允许发生断路器合不上或出现严 重的触头弹跳。 上世纪五十年代，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 2 大连理工大学硕士学位论文 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： ( 1 ) 以压缩空气作为操作能源比较经济，空气取之不尽，用之不绝； ( 2 ) 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动动触头进行合闸，省 去了联动拉杆，减少了机构的静阻力，因而速度较快，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 分、合闸操作。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相比有所不同。弹簧操动机构 的关键部件为合闸弹簧和分闸弹簧。弹簧储能通常采用手动或小功率电动机通过减速装 置来完成，它将电动机的机械功在短时间内储存在合闸弹簧中，然后将合闸弹簧中的能 量释放进行合闸，同时，分闸弹簧储能，提前储备分闸动力。弹簧操动机构工作特性受 外界影响的因素较少，要求电源的容量小，交、直流电源都可用，暂时失去电源仍能操 作一次。弹簧操动机构的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。但弹簧操动机构结构复杂，故障率较高，运动部件多，制造 工艺、加工精度要求高【8 ，9 】。 液压弹簧机构是液压与弹簧机构的组合，由弹簧和液压储能，力的传递由液压进行。 此时断路器触头的操动力像液压机构那样靠差动活塞产生，操动活塞集成在操动机构 内。液压弹簧操动机构有如下优点： ( 1 ) 弹簧储能条件不受温度的影响； ( 2 ) 操作时间恢复精度高； ( 3 ) 结构紧凑； ( 4 ) 备有集成的液压缓冲； ( 5 ) 机械寿命长； ( 6 ) 容易匹配各种型式的断路器。 目前在中压断路器中广泛使用的操动机构主要有电磁操动机构和弹簧操动机构。早 期设计的真空开关的机构为直流电磁操动机构( 以下简称为电磁机构) ，电磁机构在开关 合闸时，螺管式电磁铁逐渐接近端面，产生的吸力会增加，这样就与真空断路器的机械 特性相匹配，但它仍需要一个机械锁扣，使断路器保持在合闸位置上。并且，其需要一 3 断路器新型磁力操动机构的研究 个较大的直流电源。电磁机构直接利用电能，通过直流螺管线圈或电动机将电能转换为 机械能，储能装置为一只或一组弹簧，在合闸时吸收动力装置的一部分机械功并转化为 弹簧的位能。分闸时，由弹簧释放位能实现断路器分闸。电磁操动机构的优点是结构简 单、工作可靠、制造成本较低；缺点是合闸线圈消耗的功率太大，因而用户需配备价格 昂贵的蓄电池组。为了获得较大的电动操作力，需要较大的电磁铁和电源以及较大截面 的电缆。电磁操动机构在真空断路器发展初期得到了广泛的应用，这是由于电磁操动机 构较好地迎合了真空灭弧室的行程短和在合闸位置需要较大的保持力的要求。然而，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，直流电磁操动机构的合 闸时间较长，电源电压的波动对合闸速度的影响较大。 永磁操动机构是近年来出现的新型操动机构，它采用全新的工作原理和结构，通过 将电磁铁和永磁体相结合，实现传统断路器操动机构的全部功能，并在一定程度上实现 了智能化。在原理上，它是利用通电线圈产生的安培力驱动机构运动的。控制方式也都 是采用电子操动系统，通过电力电子与电力传动技术控制通入线圈的电压或电流信号实 现的分、合闸操作。永磁操动机构工作时运动部件很少，零件总数比弹簧操动机构大大 减少。在结构上与传统断路器操动机构的最大区别在于无需脱扣、锁扣装置即可实现机 构终端位置的保持功能，是一种传统观念的突破，从而可使断路器可靠性大大提高。同 时，所需的操作电能非常小，并可实现免维护运行【1 0 , 1 1 】。 永磁操动机构与电磁操动机构、弹簧操动机构相比有以下优点【1 2 】： ( 1 ) 永磁操动机构的结构简单，运动部件只有一个动铁心，零部件也非常少。与 传统的弹簧操动机构相比，永磁操动机构的零部件数量大大减少，这就使它的机械可靠 性大大提高，发生机械故障的概率大为降低。 ( 2 ) 永磁操动机构采用永磁体提供保持力，不会产生传统操动机构的漏油等故障， 真正实现免维护运行。 ( 3 ) 永磁操动机构的输出特性和真空断路器的开关机械负载特性相匹配，从而能 够达到良好的速度特性。 ( 4 ) 永磁操动机构的传动机构十分简单，由分合闸线圈的励磁电流产生的磁场直 接驱动动铁心，动铁心又直接和断路器的主轴相连。由于动作部件少和中间传动部件都 很少，所以永磁操动机构和传统的操动机构相比有更好的可控性，为断路器实现智能控 制打下了基础。 在相当长的一段时间内，传统的操动机构如气体操动机构、液压操动机构、弹簧操 动机构能够提供非常大的驱动力而得到广泛的应用。但是这些操动机构本身由许多连接 部件组成，容易产生噪声和渗漏，并且价格特别昂贵。近年来随着科技的发展，永磁机 4 大连理工大学硕士学位论文 构因其性能稳定、保持力持久、操作力大受到广泛的应用。但是由于存在严重的退磁现 象，因此在磁场中的功能受到限制。 文中接下来提到的正在研究的磁力操动机构因其良好的性能弥补了高压甚至是超 高压应用的缺陷。新型的磁力操动机构与永磁操动机构相比又具有以下优点： ( 1 ) 磁力机构平均合闸速度增长率明显超过永磁机构。当磁力机构外部驱动电路 的电容电压达到有效数值后，就可以驱动机构进行动作，并且随着电压的逐步增大，磁力 机构平均合闸速度增长率明显超过永磁机构。 ( 2 ) 有利于降低高压开关的弹跳。通过设置参数可以使得磁力机构平均速度与永 磁机构相同，但是磁力机构的初始速度大于永磁机构，这样在机构最后关合的过程中，其 合闸速度必然小于永磁机构，这将有利于降低高压开关的弹跳，且对于开关的关合性能 有着较明显的改善。 ( 3 ) 永磁保持力的作用时间较短。在一些文献中，从外文文献中实验的曲线可以 得出，磁力作用时间一般比较短，而永磁保持力也仅仅是在机构两端时保持力才会比较 大，磁力机构刚好可以克服保持力而起推动作用，因此二者配合也可向大行程方向发展。 ( 4 ) 大行程方面发展。与磁力机构相比，永磁操动机构的运动行程小，对于长行 程的断路器而言，永磁操动机构的应用受到限制。而磁力操动机构理论上可以满足任意 的行程，所以应用的前景广泛。 1 3 断路器操动机构的发展趋势 由于我国占有世界蕴藏量百分之八十以上的钕资源，所以在开发高磁场永磁材料 ( 特别是钕铁硼永磁材料) 方面具有得天独厚的条件。目前，我国的钕铁硼永磁材料特性 水平达到了世界先进水平。同时，在许多领域稀土永磁材料已有很广泛的应用，已有较 先进的加工制造能力和成熟的应用经验。将稀土永磁材料应用于断路器操动机构是磁力 机构和永磁操动机构区别于其他操动机构的显著特点。随着永磁材料性能的不断提高和 完善，特别是钕铁硼永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低，以及电 力电子器件的进一步发展，磁力操动机构必将获得越来越广泛的应用。 随着s f 6 断路器研发技术的发展，s f 6 断路器操动机构研制也得到快速发展。目前， s f 6 断路器操动机构仍然是以弹簧操动机构为主。近年来，一种用于中压s f 6 断路器的 磁力操动机构的发展备受关注。磁力机构的研制为实现机械上的高可靠和免维护以及操 作上的智能化提供了广阔的发展空间。符合开关智能化的发展要求，是今后一个发展趋 势。 断路器新型磁力操动机构的研究 1 4 课题的主要工作 基于永磁操动机构技术发展起来的磁力操动机构与s f 6 断路器的良好匹配特性以及 永磁材料技术的进步推动了基于新型磁力操动机构的s f 6 断路器的迅猛发展。微机控制 技术、电力电子技术、通信技术的发展使得磁力机构s f 6 断路器的智能化技术更加成熟。 伴随着传感技术、人工智能等更多技术的进步，中压开关的智能化必将展现出更大的发 展空间。 本文的工作是对磁力机构模型的设计及其实际构造方案的研究。研究的内容主要包 括以下几个方面： 1 、提出一种不同于传统操动机构的新的机构模型磁力操动机构。本文对新型 机构的理论进行研究，并运用相关的电磁场分析软件建立磁力机构的静态、动态磁场计 算的数学模型。 2 、采用有限元法对磁力操动机构的静态磁场进行计算，研究了运动线圈的受力、 磁力线的分布情况。在建模过程中，提出了四种机构模型方案并分析了不同情况下的特 点，同时给出了磁力机构的动态特性的数学模型及三维静磁场建模，为合理的设计磁力 机构提供了方向。 3 、磁力操动机构控制系统的设计，将分别设计出磁力机构控制系统的电源、分闸 回路、合闸回路等。最后给出了控制系统的整体实现电路图。 4 、制作出实验样机，应用高压开关测试仪测试样机的运动参数，为进一步改进并 完善磁力机构样机打下基础。 6 大连理_ t 大学硕士学位论文 2 磁力操动机构的理论基础 磁力操动机构中最主要的部分之一是永磁材料，因此它的性能的好坏不仅直接影响 磁力操动机构磁路的尺寸和外形尺寸的设计，而且也影响到磁力操动机构的性能指标。 2 1永磁材料 永磁材料是一种硬磁材料，当被外磁场磁化后即所谓充磁，在其周围就会建立一个 恒定的磁场，永磁机构利用这一恒定磁场产生永磁机构的保持力。而磁力机构不仅利用 其恒定磁场产生保持力，最主要的是利用磁场产生运动力推动整个运动部分动作。可见， 了解永磁材料对于磁力机构的发展具有十分重要的意义。 永磁材料种类繁多，目前常用的永磁材料有铝镍钴永磁材料、铁氧体永磁材料、稀 土类永磁材料等。表2 1 列出了上述三种永磁材料性能及价格比【l 3 1 。 表2 1 磁材料的性能比较 t a b 2 1p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no f m a g n e t i cm a t e r i a l s 材料铁氧体铝镍钴稀土永磁n d f e b 剩磁b r to 3 7 0 4 21 3 0 1 4 01 2 2 1 2 5 矫顽力h c k a m - 12 2 0 2 7 05 4 6 08 7 6 - - 9 3 9 铝镍钴永磁材料是最早被广泛应用的永磁材料，它的剩余磁感应强度( b r ) 值高，温 度系数低。铁氧体永磁材料是继铝镍钴永磁材料之后兴起的又一大类永磁材料，目前常 用的有钡铁氧体永磁材料和锯铁氧体永磁材料两类。这种永磁材料的优点是矫顽力( h c ) 值较高，可达3 0 0 k a m ，而且价格低廉。在二十世纪六十年代中期出现被称为“三高 的稀土永磁材料是永磁材料领域的又一次重大突破。它既具有铝镍钴永磁材料的剩余磁 感应强度( b r ) 值高的优点，又具有比铁氧体永磁材料大得多的矫顽力( h c ) ，其最大磁能 积( ( b h ) m a x ) 也很高，具有直线型退磁曲线，不易退磁，性能稳定1 1 4 j 。 这种“三高 的稀土永磁材料便是钕铁硼永磁材料，此种材料的工业产品室温下的 参数为剩余磁感应强度( b r ) 为1 2 9 t ，矫顽力( h c ) 可达9 8 7 k a m ，最大的磁能积为 断路器新型磁力操动机构的研究 3 1 8 k j m 3 与传统的磁铁相比，钕铁硼永磁材料有如下特点 1 5 , 1 6 】： ( 1 ) 当稀土钕铁硼磁铁与传统磁铁的体积相同时，前者产生的磁场比后者要强的多， 为此，当要求磁场强度一定时，n d 2 f e l 4 b 磁铁的体积可以缩小，可为使用磁铁的设备 小型化和轻量化提供条件。 ( 2 ) 由于有强的矫顽力，不容易受到外界磁场的影响，其稳定性好。例如，只要反 向激磁线圈的磁场小于矫顽力，就不会发生退磁现象。 ( 3 ) 充磁后的永久磁铁与铁磁物质接触时，会导致整齐排列的磁畴变乱，从而引起 显著退磁。钕铁硼磁铁与磁性物质接触时，基本上无退磁现象，所以可不考虑。 ( 4 ) 磁铁材料在受到机械冲击后，会引起退磁现象。多方面的研究和实践经验己证 明稀土材料的机械性能和磁性能都较传统的永磁材料稳定。 然而，钕铁硼永磁材料中含有大量的铁元素，因此很容易被氧化、锈蚀。这样就增 加了这种材料制造的复杂性，从而提高了其造价。例如一块6 0 x 4 0 x1 0 的钕铁硼永磁 体的市场售价为4 0 - - 一5 0 元。同时钕铁硼材料的不足之处还有居里温度较低，一般仅有3 1 2 ，温度系数较高，一般b r 的温度系数在0 1 2 3 ，即钕铁硼材料的热稳定性较差。 因此在我们设计与永磁体有关的模型时，一定要考虑到此种材料的缺陷，以免由于考虑 不周而造成设计的失败。 2 2 磁力操动机构的理论 任何一种机构必须有一定的理论做支撑，可以说，磁力操动机构是在永磁机构的基 础上发展起来的，磁力操动机构和永磁机构一样，其理论主要以电磁场理论为基础。但 是磁力操动机构的运动机理和永磁机构相比又有很大的不同。磁力机构的理论主要分为 三个部分即静磁场方程、电场方程和运动方程。通过磁场和电场方程可以计算出机构的 电磁力，而电场密度和磁场密度随时间的变化的分析是十分有必要的。同时辅助运动学 方程，最终能够计算出运动部分的位移和速度。 在本论文中，用有限元( f e m ) 的方法去分析磁场和电磁力，同时能够减少两个主 方程的耦合问题。对于f e m 法将要在接下来两章内介绍。 ( 1 ) 静磁场方程 下面所列出的是一些最基本的静磁场方程1 7 棚】： + v x h = i o + 以 ( 2 1 ) +- - 1 b = 鳓( 日+ m ) f ，、 大连理工大学硕士学位论文 言：v j ( 2 3 ) 一1 _ 1一 h = 二( v a ) 一二( m ，) ( 2 4 ) p队 方程( 2 1 ) 和( 2 4 ) 是相关的，将式( 2 4 ) 、( 2 3 ) 和( 2 2 ) 经过一定的变形带入 ( 2 1 ) 式可以推之 1 _斗_ 1 o v ( 二v a ) = 山+ ，。+ ( v 二以) ( 2 5 ) 式中，磁通密度是b ( w b m 2 ) ，磁场强度是h ( 彳聊) ，电流密度是j o ( a m 2 ) ，涡流 密度是以( 彳聊2 ) ，极化总量是m ( 彳m ) ，磁场矢量磁势是彳( 胁m 2 ) ，介质的磁导率是 ( 日聊) 。 为了解决简单的磁通，引入矢量彳磁位可以推导出( 2 6 ) 式 1 矽= 书a d l ( 2 6 ) 此时，矽( 啪) 是磁通密度，( m ) 是总的线圈的长度；电磁力被分解成两个部 分，即保持力和驱动力，如下式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 所示。其中一个是由永磁体产生的静 态保持力，这是不需要通以外部电流的，如( 2 7 ) 所示。 ；删= 赡( 赫) ；二去茗i 蕊 晓7 ， 式中，一f 6 砌( ) 是磁力机构保持力，s ( m 2 ) 运动部件的铁芯的外表面的区域，z 沿着 表面区域正方向的矢量单位； 当外部通以激励电流的时候，运动部分的磁场力是由通过电流密度的磁感应强度所 产生的，如( 2 8 ) 所示。 o l m m t e 一+ 一- 4 f = q v x b = j x b ( 2 8 ) 在上式中，万哪胁( ) 是洛伦兹力，它是移动部件运动过程中的磁场力，g ( c ) 是电 荷的电量，v ( m s ) 是速度矢量；右面等式表示电流密度和磁感应强度的相互作用产生 磁场力。 ( 2 )电场方程 在合闸和分闸操作中，外部电流通过电容器流入运动的线圈，因此电流的大小是随 时间变化的。因此采用瞬态分析可以更好的得到真实运动的一些参数，所采用的方法是 时差法。 9 断路器新型磁力操动机构的研究 圪= ( 1 0 + d i ) r + e ( 2 9 ) p ：型丝：型( 2 1 0 ) d t 矽= l ( i ，x ) i ( 2 1 1 ) 式中，圪( y ) 是电容器的电压，i o ( a ) 是施加电流的初值，旃( 4 ) 施加电流的变量， r ( q ) 是线圈的电阻，d t ( s ) 是时间变量的单元，n ( t u r n ) 是线圈的匝数，l ( h ) 是线圈的 电感。 通过有限元求解的结果，磁通密度、电感、剩余电压都能够推导出来，可以通过( 2 9 ) 推导出( 2 1 0 ) 和( 2 11 ) ，施加电流的变化量也能够求出。 磁通密度依赖于电流的变化量和线圈本身位置的变化，为了减少瞬态分析中的电场 方程的影响，由所施加的电流变化和线圈位置的变化所引起的电感的变化应当考虑在 内。 因此电场方程可以单独描述，如( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 【2 0 2 。 当线圈的位置不变而施加的电流变化的时候，磁通密度仅仅影响激励电流的变化， 如下： 陆( i o + d i ) 肘n ( 詈) ( 署) ( 2 1 2 ) 当施加的电流和线圈的位移都变化时，此时磁通密度影响了施加电流和线圈位移的 变量，如下： 矿= ( i 。尺+ n ( 鲁) ( 等) + n ( 塞) ( 车)(213)ata t优c 式中右侧的第二部分是转换电压，第三部分是速度电压。事实上，在刚开始的时间 内，当保持力大于驱动力的时候，尽管在线圈中的电流一直在升高，但是运动部分依然 不会运动，此时适用于式( 2 1 2 ) ；当电流继续增大的时候，此时驱动力也大于保持力的 时候，最终运动部件也将运动，式( 2 1 3 ) 说明了这个情况。 ( 3 ) 运动方程 在这个系统中电能转化为动能，基本的运动方程如下【2 l 】： 聊( 警+ g ) = f h d d + f o p e r a t e 盯胪似 ( 2 1 4 ) 式中：研( 堙) 是移动部件的质量，即包括执行机构的移动部分还有传动杆和断路器 的质量，z ( m ) 是操作的行程，g ( m s 2 ) 是重力加速度，f 觯( ) 推动绝缘s f 6 的力， f 加( ) 是摩擦力，k ( z ) ( n m ) 是阻尼的力。 1 0 大连理工大学硕士学位论文 卜鳢尘竺宰型进逖 2 3 本章小结 永磁材料是磁学和磁性材料领域中研究最为活跃的领域，它的发展将促进世界工业 技术的发展，也正是由于永磁材料的飞速发展，特别是作为磁力操动机构的重要组成部 分，其性能的好坏不仅直接影响磁力操动机构磁路的尺寸和外形尺寸的设计，而且也影 响磁力操动机构的性能指标和工作特性；磁力操动机构正是基于上述的理论发展起来。 当然理论只有和实践紧密的结合，才能在实际中设计出可靠实用的机构。可以这样简单 理解磁力机构，即就是在静态时，在合闸、分闸位置提供可靠的保持力，在施加激励( 电 流) 的情况下，能够克服静态保持力迅速的动作完成合闸和分闸的操作。 - r q 乙 一 一卸出一班硇 乙 断路器新n 磁力操动机构的研究 3 磁力操动机构的计算模型及静态分布 31 磁力操动机构 操动机构的发展是推动断路器发展的主要的方面之一，断路器的寿命归根结底体现 在触头的分、合闸操作次数上，对于分、合闸操作是通过操动机构来实现的。而传统的 操动机构如气体操动机构尽管在操作能源上比较经济，但是存在着难以完全密封，漏气 的不足：弹簧操动机构的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。但弹簧操动机构结构复杂故障率较高，运动部件多，制造 工艺、加工精度要求高。近年来随着科技的发展，永磁机构因其性能稳定、保持力持久、 操作力大受到广泛的应用。但是由于在大行程中存在退磁现象，因此在磁场中的功能受 到限制。综合分析了传统的操动机构和永磁操动机构的优点和小足，而提出了一种为中 压和高压断路器而设计，在长行程内提供较大的操动力并在很短的时问内丌断的快速开 关e m f a ( e l e c t r o m a g n e t i c f o r c e d r i v i n g a c t u a t o r ) 即磁力操动机构。它可以快速切断或 切换线路以实现故障限流或消除电压陷落同时通过准确控制开关的关、合大幅度降低 操作过电压和涌流，对断路器的性能和可靠性其有十分重要的作片j 。 e m f a 主要包括4 个部分：静铁芯、永碰体、内置的铁芯和移动的线幽。静馈芯毛 要为永磁体的磁力线提供通路：永磁体分为主永磁体和辅助永磁体，主永碰体为线褂提 供磁通，辅助永磁体使内嵌的铁芯在没有外加激励的情况下保持在磁力机构的顶端或底 端即合闸或分闸位置。磁力机构的运动则是由通电线圈在磁场中受到的洛伦兹力提供 的。e m f a 的结构如下： 内嵌 图31 磁力操动机构的剖面圈 f i g3i c r o s ss e c t i o n o f e m f a 大连理工大学硕士学位论文 3 2 磁力机构的计算模型 3 2 1 a n s o f t 软件的介绍 a n s o f t 电磁场分析软件是一个功能强大、结果精确、易于使用的电磁场有限元分析 软件。它包括电场、静磁场、涡流场、瞬态场和温度场分析模块，可以用来分析电机、 传感器、激励器等电磁装置的静态、稳态、瞬态、正常工作工况和故障工况的特性。它 所包含的自上而下执行用户界面、领先的自适应网格剖分技术等优点在实际中得到广泛 的应用。此外a n s o f l 还提供了强大的后处理器，可以自动计算出力、转矩、电感储能等 参数，同时通过后处理还可以给出整个模型的磁力线、b 和h 的分布图，在后处理软件 中则提供了强大的数据提取工具、其他相关的数据计算工具、输出数据的绘图工具，方 便了计算结果的分析【2 2 1 。 a n s o f t 所用到的m a x w e l l 2 d 3 d 电磁场求解器分类如下： 图3 2m a x w e l l2 d 3 d 求解器 f i g 3 2 s o l v e r so fm a x w e l l2 d 3 d 1 3 断路器新型磁力操动机构的研究 本文用到静磁场求解器、瞬态场求解器和三维静电场求解器。当然，对于不同的模 型分析不同的情况时，可以选择相应的求解器进行求解。 a n s o f t 电磁场分析软件和a n s y s 一样，也是采用有限元法( f e m ) 计算电磁场，它 的基础是变分原理，就是将整个区域分割成很多很小的子区域，然后将求解边界问题的 原理应用于这些子区域中，求解每个小区域，通过选取恰当的尝试函数，使得对每一个 单元的计算变得非常的简单，经过对每一个单元进行重复而简单的计算，再将其结果总 和起来，便可以得到用整体矩阵表达的整个区域的解。通常这一整体矩阵是稀疏矩阵， 可以更进一步简化和加快求解过程。由于计算机非常适合重复性计算和处理过程，因此 整体矩阵的形成很容易使用计算机处理来实现。从工程和物理的角度看，有限元法是把 连续性问题变为离散问题并求解的一种方法；从数学角度看，有限元法是把偏微分方程 变换为代数方程并求解的一种方法。有限元法对于非线形问题及多媒质材料和机构参数 复杂的问题均十分有效，己经在实际问题中得到了广泛的应用【2 孓2 7 】。 有限元法作为一种数值计算方法并非用来寻求问题的解析解。在实际中许多工程问 题目前都无法找到解析解。有限元的作用就在于求解分析场的势函数在每个节点上的近 似值，而势函数在其他单元位置的值，可以用插值方法获得。 有限元法的优点有以下三条： ( 1 ) 求解待定系数和求解节点的参数成为一个统一的计算过程，这样一旦求解出 各待定系数，也就获得了节点的具体参数； ( 2 ) 用有限元求出的近似解必须满足边界处的狄里克莱条件，即要求将有限元中 所引入的尝试函数在节点上的值为1 ，这样做不但满足了边界条件，而且减少了未知数 的个数； ( 3 ) 引入形函数，并使形函数在某节点上的值为1 ，并在与节点相邻的两个单元 上的线性减小，直到在相邻节点的上的值分别减小为0 ，这样做就可以使形函数积分局 部化，从而大大简化了计算过程，也便于计算机进行重复计算。 有限元法缺点是求解场域内场量变化剧烈的区域时，要剖分很多单元，需要求解大 型代数方程组，计算工作量很大；对于无界场域问题，必须人为地设立边界，为保证计 算的精度，如果所强加的边界距场区很远，会增加剖分网格数，节点数随之增加，因而 使占据的计算机内存及计算时间都大大增加。f e m 的另一缺点是剖分过于稀疏就会带 来较大的截断误差，而剖分过密又会带来较大的误差。 用a n s o f t 分析模型静磁场时的流程如图3 3 所示。 1 4 大连理工大学硕士学位论文 图3 3m a x w e l l2