（电机与电器专业论文）断路器永磁操动机构动态特性的仿真研究.pdf

a b s t r a c t p e r m a n e n tl l l a g n e ta c t u a t o rf p m a ) i san e wt y p ea c t u a t o rf o rc i r c u i tb r e a k e rw h i c h a d o p t saf l e ww o r k i n gp r i n c i p l ea n dc o m b i n e se l e c t r o m a g n e tw i t hp e r m a n e n tm a g n e t t h ea c t u a t o rg a l lh o l dt h ec i r c u i tb r e a k e ra tb o t ho p e na n de l o s ep o s i t i o n si n s t e a do f m e c h a n i c a ll a t c h i th a ss u c ha d v a n t a g e sa ss e v e r a lc o m p o n e n t s ，h i 2 血e l r e l i a b i l i t ya n d n o n - m a i n t e n a n c e 1 1 h ep a p e rf i r s t l yd e s i g n sm e c h a n i c a la n de l e c t r o - m a g n e t i cp a r a m e t e rf o rb i s t a b l e p m ao fe i r c u i tb r e a k e ra n dp r o v i d ead e s i g nm e t h o df o rc u s t o m s e c o n d l y , d y n a m i c e l e c t r o - m a g n e t i cf i e l di sa n a l y z e db a s e do nf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dm a g n e t i c c o m p u t a t i o nm o d e li ss e tu ps oa sm a g n e tf i e l dd i s t r i b u t i o na n df o r c ea c t e do nm o v i n g i r o na l eo b t a i n e d t h e n , t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fp m ai ss t u d i e di n c l u d i n g e s t a b l i s h i n gm a t h e m a t i cm o d d sf o rt w od i f f e r a n te x c i t i n gc i r c u i t sa n dg i v i n gd y n a m i c d i f f e r e n t i a le q u a t i o n s ，w h i c hu s e sf o u r - o r d e rr u n g e - k u t t am e t h o da n d1 - ds e a r c h i n g m e t h o df o rm a g n e tf i e l dr b f f i v e r $ i l l gp r o b l e m a c c o r d i n gt op r o g r a mf l o wc h a r lt h e d y n a m i cp e r f o r m a n c es i m u l a t i o ni sp r e s e n t e da n dd y n a m i cp e r f o r m a n c ef o rm a k i n ga n d b r e a k i n ga r eo b t a i n e d ，i n c l u d i n gc o i l sc u r r e n t , c a p a c i t a n c ev o l t a g e , m o v i n gc o r e d i s p l a c e m e n ta n dv e l o c i t y , f o r c ea c t e do i lm e v i n gc o l ea n d 0 1 a d d i t i o n a l l y , t h e p a d e l a n a l y z e st h ee f f e e to fm e c h a n i c a la n de l e c t r o - m a g n e t i ep a r a m e t e r st od y n a m i c p e r f o r m a n c ea n dp r o v i d e sar e f e r e n c ef o rp m ao p t i m i z a t i o nd e s i g n f i n a l l y , a n a l y s i s s o f t w a r ef o rb r e a k e r sa c t u a t o ru s i n gc + + b u l l d e ri sd e s i g n e d , a n dt h es i m u l a t i o n r e s u l t sa r ev e r i f i e db yt h ep r o t o t y p e k e yw o r d s p m a ，c i r c u i tb r e a k e r , d e s i g n ，d y n a m i cb e h a v i o r , s i m u l a t i o n 一 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：j ! ! 受生塑日期：0 7 p iz 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印俘和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名： 第一章绪论 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 1 1 1 课题研究的背景 和传统的断路器操动机构相比，永磁操动机构采用了一种全新的工作原理和结构，具有 其它技术无法比拟的独特之处，从根本上克服了其它技术的固有弊端，工作时主要运动部件 只有一个，无需机械脱、锁扣装置，故障源少，具有较高的可靠性，并可实现免维护运行。 据有关资料介绍，a b b 公司生产的永磁操动机构寿命在l o 万次以上，而传统的1 0 k v 真空断 路器操动机构寿命只有1 万次。当今社会可靠性和寿命是各厂家追求的主要指标，正是由于 永磁操动技术具有上述优点，国内外不少断路器生产厂家都把目光集中在永磁操动机构的研 制开发上【l 】。 断路器配备的传统的操动机构主要有电磁操动机构和弹簧操动机构。断路器发展初期广 泛应用的是电磁操动机构，具有开距小和合闸时需要的操作力大的优点，它的缺点是操作电 流大。使用不方便，而且在稳态对仍需要对线圈通电，因此操作能耗也比较大弹簧操动机 构在一定程度上克服了电磁操动机构的缺点，但是零部件众多，结构复杂，因此可靠性相对 较差1 2 1 。相对于前两种操动机构，永磁操动机构具有独特的优越性 3 1 1 4 1 ，具体体现如下： ( 1 ) 操作能耗小 和电磁操动机构一样，永磁机构也基本是以电能作为操作能源的。但是相对于前者，永磁操 动机构的操作能耗却只为电磁机构的1 4 1 3 。国外永磁机构己广泛应用于柱上开关，使配电 网的可靠性和自动化程度有了根本提高。 ( 2 ) 简单可靠 永磁机构的最大特点是简单可靠。与弹簧操动机构有上百个零件相比，它的运动部件只 有动铁心一个。无需机械脱、锁扣装置，故障源少，使整个系统的可靠性大大提高。 ( 3 ) 无“中间状态” “中间状态”是指断路器由于种种原因而关合不到位，引发严重的电力系统故障永磁机 构在原理设计上采用了“两位式”原理，其动铁芯或者在断开位，或者在闭合位置，没有似 合非合的中间状态。永磁技术虽然目前在我国尚属起步阶段，可以预测，在未来不长的时间 内，必将在我国兴起，其应用前景相当可观。 1 1 2 课题研究的意义 断路器作为电力输配电系统中应用最为广泛的开关电器设备，对电力系统安全以及国民 经济的发展起着重要的作用。断路器主要由操动机构和开关本体两部分构成，而操动机构主 要是在接受到分合命令或在线路发生故障的情况下可靠完成分合动作任务，因此，操动机构 东南大学硕士学位论文 各项性能和指标尤其是动态特性对断路器性能和寿命起着直接决定作用。断路器的动态性能 与所采用的揉动技术有很大关系，而操动机构作为操动技术的载体，按工作原理可分为液压 式、电磁式、弹簧式及永磁式等几种。目前，以电磁式、弹簧式操动机构应用较为广泛。 电磁机构结构简单，加工方便，制造成本低。机械寿命长，出力特性与真空断路器的负 载特性较好地匹配，其缺点是需要大功率的直流电源，因而辅助设施投资大，维护费用高。 由于满足其对大容量直流电源的要求方面的困难，它在真空断路器中的应用已逐渐减少。 弹簧机构只需要小功率的交流操作电源，其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储存于合闸弹簧中，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。弹簧机构依靠弹簧储存的能量驱动机构进行合闸，而弹簧的出力总是一开 始大，逐渐变小，这与真空断路器的负载特性正好相反嘲。为了能使其足以克服触头弹簧的反 力可靠地合闸，只能加大储能弹簧的总能量提高合闸速度。利用触头接触后具有很大动能的 运动部件的特性压缩触头弹簧完成合闸动作故此零部件很大的速度导致机械效率降低，机 构零部件受巨大的机械冲击，便机构的机械寿命降低，机械可靠性也降低。 永磁机构克服了传统的电磁机构和弹簧机构的不足，是一种全新概念的操动机构。有着 一系列其他操动机构无法比拟的优点。断路器配永磁机构【l 川后不仅可以进一步提高可靠性， 满足免维护的要求，而且由于其零部件少，中问环节少，可控等优点，可有效拓宽断路器的 应用领域，发展断路器的新品种。永磁机构以其结构简单、运行可靠、经久耐用等优点被广 泛应用于中压开关和柱上开关的驱动，它克服了传统机构的缺点，充分发挥了真空断路器的 优点，为研制新一代免维护断路器奠定了基础。它已成为电力系统选型热点，具有良好的经 济效益和市场前景。继a b b 公司研制开发出永磁机构真空断路器以后，国内很快开发出了具 有自主版权的v s m 型永磁机构真空断路器。该断路器具有零件少、结构简单、可靠性高、寿 命长( 机械寿命高达l o 万次) 、免维护等特点，外绝缘采用固体绝缘。利用环氧树脂固封技术 将真空灭弧室、主导电回路、绝缘支撑等有机地组合成为一个集成固封极柱，成功地解决了 真空断路器的环境耐受问题。二次控制回路采用集成化电子控制模块，电源输入范围宽，传 感器检测开关位置，输入输出光隔离。功耗低，可靠性高。由于全面采用上述高可靠技术， 使永磁机械真空断路器成为真正意义上的免维护智能化断路器。 研制永磁操动机构的意义州在于： ( 1 ) 永磁操动技术为九十年代国际最新技术，在我国还处于起步阶段。尽管世界上已有 a b b ，i p e c 等公司的永磁操动机构问世，但西方国家对于研制出的产品只有少量描述性报道 见报，对于具体结构和原理则实行技术封锁。尽管我国不少断路器生产厂家对永磁操动机构 的独特之处有很大兴趣，但国内还没有配永磁操动机构的产品问世，因此有必要研制永磁操 动机构，缩小与西方发达国家之间的技术差距。 ( 2 ) 由于国外已有成型的永磁操动机构问世，因此我们要用最短的时间，以最快的速度研 制出永磁操动机构州。因此本课题拟在充分计算永磁机构磁场分布、动态特性的基础上进行样 视设计制造和试验，避免走传统的反复实验反复制适来进行产品开发的路子，以缩短产晶的 开发周期1 7 j 。 2 第章绪论 ( 3 ) 由于永磁操动技术采用了全新的工作原理口l ，由此也产生了一系列新的理论问题。尽 管国外已有产品问世，但由于这一技术是电工学、力学、计算方法及新兴材料科学在断路器 上的综合应用，这一领域内系统的理论还远未成熟，实质性的反映技术关键的理论研究成果 还未见公开报道。因此本课题的重要内容就是进行永磁操动技术的静态磁场和动态特性分析， 解决支撑这一技术的理论问题，并在理论与实验研究相结合的基础上，为这一领域形成较完 善的理论奠定基础。 在对永磁操动机构的研究中，对动态特性的研究非常重要。永磁机构的动态特性阐是由机 械和电磁综合过渡过程决定的，通过仿真计算其动态过程可以确定：计算触头动作时问和运 动速度，从而也可确定永磁机构的动作时间和速度；确定达到所需要的动态特性所需要的各 力之间的合理配合。一方面保证动作的可靠性，另一方面又可以改善机械碰撞，提高断路器 的电气和机械寿命。对于断路器而言，为了保证有效熄弧以及不引起电弧重燃，触头的动作 速度要高一些，这要求在规定的行程之内动触头必须有一个比较高的运动速度，然而这必然 导致整个系统碰撞能量的增加，从而对机械和电气寿命的提高不利。因此加快运动速度和减 轻碰撞是相互矛盾的，必须在研究动态特性的过程加以统筹考虑。其中对永磁机构的动态特 性进行研究，并迸一步精确计算和分析断路器的动态特性对合理设计永磁机构并进行机构与 断路器本体之间的特性配合具有重要的理论意义和工程应用价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 永磁操动技术是九十年代世界最新技术，它采用一种全新的工作原理和结构i g l ，通过将电 磁铁与永久磁铁特殊结合，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智能 化。永磁机构工作时运动部件很少，零件总数也比弹簧操动机构大大减少。在结构上与传统 断路器操动机构的晟大区别在于无需脱、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，具有非常商的可靠性。同时。所需的操作电能非常小，并可实现免维护 运行。国外文献称这一技术是革命性的。 由于永磁材料的独特特性在低压开关上早有应用。在中压开关领域国外永磁操动技术的 研究开始于八十年代末。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 e u n i v e r s i t y o f m a n c h e s t e r ) 系统与能量组为g e c 公司设计了一台永磁操动机构模型。1 9 9 2 年前后永磁操动 技术开始在英国工业应用。1 9 9 5 年英国的w h i p p & b o t w n e 公司进一步改进了结构。1 9 9 7 年a b b c a l o r e m a g 开关设备公司在德刊上介绍了它们最新研制的v m i 型配永磁操动机构的真空断路 器，接着于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 i 所配的永磁机构是一种双稳态双线圈结构，采用电容器作为充放电元件可以实现重合 闸操作 3 东南大学硕士学位论文 1 2 2 国内研究现状 目前国内许多学者在永磁操作机构的结构设计与分析、电磁场数值计算、动态特性分析、 优化设计、相关软件开发、同步开关控制技术等方面做了大量理论分析和研究工作。 在永磁机构设计【1 4 1 1 5 】【1 6 l 方面，一般是根据一些电磁场基本公式，运用磁路法或有限元方 法等对机构进行分析，得出合适的结构参数和电磁参数，如动铁心直径、永磁体尺寸、线圈 匝数、静铁心半径等。 在电磁场计算和动态特性分析方面，是建立在静态特性分析的基础上，对动态特性数学 模型进行动态特性仿真。文献 1 7 1 8 1 采用有限元方法计算永磁机构的磁场，分析静态特性， 获得磁场分布、分合闸启动电流等参数以后，对于两种不同的励磁回路，可以通过建立永磁 机构的机械运动方程与电路、磁场方程耦合求解的动态特性分析模型，求解过程中使用四阶 r u n g e - k u t t a 力- 法和求解电磁场逆问题的一维搜索方法。由于永磁操动机构的运动过程是一个 比较复杂的动态过程，分合闸线圈电流的变化会影响作用在永磁机构动铁心上的电磁吸力， 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也会影响到分合 闸线圈电流，所以永磁操动机构的动态特性决定了真空断路器的分合闸性能，进行永磁机构 动态特性的研究将对提高永磁操动机构的性能具有非常重要的意义。基于对永磁机构动态特 性的计算和分析，最后可以得出励磁线圈匝数、供电方式等参数对永磁机构动态特性的影响。 文献【1 9 】通过对永磁机构的电磁场的计算与分析，建立了永磁机构动特性的计算方法，并通过 了试验验证。将磁场方程、电路方程和机械运动方程耦合求解，解决复杂传动方式永磁机构 动特性的计算问题。基于永磁机构动特性的计算，对永磁机构的设计参数和结构进行了优化， 对以下几个方面进行了深入研究：不同线圈参数对永磁机构动特性的影响；真空灭弧室与永 磁机构之间的传动比对断路器动特性的影响；在分闸位置加入非工作气隙后对分闸位置保持 力和合闸线圈电流的影响。同时提出了一种新型的永磁机构非对称线圈式永磁机构，和 目前通常使用的对称式线圈结构相比，非对称线圈式永磁机构分合闸线圈的大小不同，分合 闸线圈的参数也不同，能有效地降低电力电子器件组成的供电单元的负担，并能增大合闸保 持力。 在优化设计方面，一方面可以参考动态特性分析的结果对参数进行优化l l 即，另一方面可 以采用模拟退火算法、遗传算法等对机构局部尺寸作出精确的计算，如对永磁体尺寸的优化 等。优化设计的主要目的是缩小永磁机构的体积，降低磁路磁阻，满足应用功能和寿命要求， 这对于正在向小型化方向发展的断路器具有较实际的意义。 在永磁机构相关软件开发方面，计算机辅助技术【1 卅已经成为永磁机构设计的一个重要手 段，包括永磁机构的实体建模，特性分析与计算，运动过程的虚拟仿真，运行状况的实时控 制与监测以及相关软件的应用和开发等方面，国内已经开发出永磁机构的设计与分析软件 一些c 胱a e 软件对于永磁机构的建模和动力学分析非常有用，如a d a m s 、p r o e n s i n e e r 等。 文献 1 9 1 采用多体动力学软件包a d a m s 建立了带四连杆的配永磁机构的真空断路器的动力学 模型。文献【2 0 1 也对a d a m s 进行t - - 次开发，建立了多连杆的复杂永磁操动机构的动力学模 型，将a d a m s 软件中的多体动力学方程与自定义程序模块中的磁场、电路方程耦合求解，实 现了对多自由度、传动复杂的永磁机构动态特性的计算，为设计结构更合理的永磁机构提供 - 4 一 第章绪论 了一种有效的方法。也可以用a n s y s 软件实现耦合场的计算，对线圈电流、动铁心位移和受 力等进行分析，并且对极化磁系统交流稳磁过程进行虚拟设计，得到满足工程要求的永磁回 复线起始点。还可以利用英国公司的v e c t o r f i e l d s 软件中的三维磁场分析模块1 _ o s c a 对永磁 机构进行构造，进而在三维空间内自动剖分，可以得到用于电磁场分析的剖分图。由于永磁 机构的动态方程组不能用严密的解析方法求解，因此可以用m a t l a b 的s i m u l i n k i 具箱对 永磁机构进行动态仿真。本文是以c + + b u i l d e r 为平台开发的永磁机构的设计仿真软件，相比 较于以上介绍的其他软件，本软件能完成结构设计、静态特性分析、动态特性分析等功能， 无需依赖于二次开发，并拥有友好的人机界面，实现了设计的参数化、可视化和系列化。总 之，将软件开发技术用于永磁机构设计，可以缩短设计周期和提高产品性能。 1 2 3 发展和应用前景 将稀土永磁材料应用于断路器操动机构中是永磁机构区别于其他操动机构的最显著的特 点。由于我国占有世界储藏量8 0 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有利条件。目前，我国的钕铁硼永磁材料特性水平达到世 界的先进水平。同时，在许多领域稀土永磁材料已有很广泛的应用。己有较先进的加工制造 能力和成熟的应用经验。随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁的热稳定 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，永磁操动机构必将 获得越来越广泛的应用。 目前永磁操动机构的研制主要集中于1 0 k v 级的真空断路器上，在将永磁操动技术成功应 用于中压断路器的基础上可考虑进一步扩展永磁机构应用范围的可能性。由于低压开关动作 频繁，机械寿命是较严格的考核指标，鉴于永磁机构结构简单可靠、耐蘑损的特点，永磁机 构在低压开关领域应该具有优势。同时，由于高电压等级的断路器触头开距较大，若采用永 磁机构则要求机构动铁心在较大间隙下也能产生较大的吸力，欲将永磁机构应用于高电压等 级的断路器”尚需作进一步的研究。 1 3本文主要研究内容 本文主要研究内容是断路器永磁操动机构软件分析系统的开发和对其动态特性进行仿 真，设计出符合客户要求的断路器用永磁操动机构。机构和电磁参数设计及动态特性仿真是 以永磁操动机构基本原理为基础，优化软件是运用计算机面向对象的程序设计方法进行的优 化设计。此系统目前已经基本具有计算准确可靠、安全性好、系统性好，操作方便、界面友 好等特点。 本文内容安排如下： 第一章介绍课题研究的背景和国内外断路器永磁操动机构研究的概况； 第二章断路器永磁操动机构的设计分析： 第三章断路器永磁操动机构的磁场分析； 第四章断路器永磁操动机构的动态特性计算； 5 东南大学硕士学位论文 第五章用c - h b u i l d e f 开发永磁机构分析软件； 第六章总结与展望。 - 6 第二章永磁操动机构设计分析 第二章永磁操动机构设计分析 2 1 永磁机构的结构原理 2 1 1 永磁操动机构和断路器的配合 断路嚣例如空气断路器、油断路器和s f 6 断路器的动作特性有很大差别。断路器的操动机 构就是实现断路器进行分合闸操作，克服断路器的反力特性，保证断路器的动触头的分、合 闸速度，因而存在机构的出力特性与断路器的反力特性的匹配问题。在合闸过程中，随着动 铁心的运动，空气隙减小，吸力增大，动铁心吸合时可产生很大的吸力。在分闸时，静铁心 不参与分阐运动，操动机构基本上不增加运动系统的运动惯量，便于提高刚分速度。但是由 于传统的电磁机构最早是为少油断路器设计的，而少油断路器的行程较长，根据磁路的特点， 行程越长，同样安匝数的线圈的力越小，要提供足够的电磁力。就必须增加线圈的安匝数。 匝数较多，又使得磁路电感l 在机构的合闸过程中变化较大，产生反电动势较大，从而抑制 了合闸线圈动态电流的增长，而且这种抑制作用随着合闸速度的增加而增加若想要进一步 抵消这种抑制作用，就要提高线圈稳态电流，增加合闸电源的容量。并且，由于磁路电感l 较大，线圈带电后电流上升较慢，上升时间较长，又使合闸能量增加。另外，由于以前的标 准要求电磁机构能够实现自由脱扣，传统的电磁机构有一套复杂的自由脱扣装置和机械锁扣 装置，零部件也较多，体积也较大，而且零部件的增加会降低机构的可靠性。综上所述，电 磁机构的最大缺点是操作电流大，机构体积大，机械锁扣装置较复杂。 弹簧机构是依靠事先贮存的弹簧能量的释放使断路器实现合闸操作的，其优点是以交流 小功率储能、小功率电能供给脱扣线圈进行分合j 回操作但是弹簧释放时总是一开始出力大， 以后逐渐减小，这与真空断路器的反力特性正好相反。如图2 1 所示，为了使其与断路器的反 力特性匹配，通常要通过凸轮和连杆的转换。这种力的转换伴随着连接机构的高速运动，而 且弹簧机构零件较多，传动机构较为复杂，运动部件多，制造工艺要求高。弹簧机构结构复 杂，轴销与拐臂之间的摩擦面多，在长期运行过程中，这些零部件的磨损、锈蚀以及滑剂的 流失、固化等都会导致操作失误，特别是锁扣部分的复位和闭锁，仍存在不可靠因素。这不 仅降低机构的效率和可靠性，还减小了产品结构的刚性。例如，连杆与轴销之间的配合不当， 易引起开关的弹跳、过冲等。 永磁操动机构能给出不大的合闸速度和较高的分闸速度，断路器合闸接近终了时的触头 反力特性在触头接触瞬间有一大幅度的正向突变，它的出力特性如图2 - 1 c 所示，它可以与动 触头直接相连，使零部件数降到最少，也能提高产品的结构刚性，有助于减小触头弹跳及刚 分速度的提高。而且永磁操动机构结构简单，寿命长，可靠性高，这些均能很好地满足低压 空气断路器的要求。 7 力 凛燃要僦蒜黜缀糊祧o 永磁机构提供嗣缔仕 固2 1 力和行程的特性示意囝 2 j 茹蒜蒹蒜釜：搿冀蒜嚣嚣嚣 尽管永磁操动机构有不同的结构形式，工作鼍三。：三三，棚二的外部形状又可以分 嘉篓徽爨一嚣 来实现传统断路器操动机构的全部功能，并在一冠栏厦工弛”。”，h 警竺差黧嚣篡翟篙器 毒；分阐的时候，双线圈双稳态机构是电磁操动水磁保行旱椐都+ “”“ 爱篓瓣麟一 警裹篡巢嚣嚣筹莩嚣：雾嚣；鬈蓁薹篇喜蒿；三荔电，分闸时对豁充 翌嚣然篙黛蒜嚣鬣嚣篙釜 警易篓黧篡蠹燃淼霉鬟 特性不易受电参数控涮，因此在可控性方面双辊悉水僻仍“5 ”。 锏嚣篓黧豪嚣为呈磊黧篙髫 从外形结构看，永磁操动机构可以分翌曼芝要：三”1 二纛；二童有特殊要求的场合， 材多：加工工艺复杂，所以永磁机构二= 篓苎呈圆拄形缉例伍”1 ” 第二章永磁操动机构设计分析 ( 1 ) 方形永磁操动机构是静铁心采用硅钢片叠形结构，动铁心采用实心钢材；圆柱形机 构采用电磁纯铁或低碳钢。从材料性能方面考虑，材料电阻率的大小影响系统产生的涡流大小。 在一般交流磁系统中多采用硅钢片，目的在于减少铁心中的铁损。以提高系统的效率和降低其 湿升。永磁操动机构虽工作于直流下，但在机构动作过程中，电流变化导致磁链处于变化之中， 磁链变化产生涡流。从这一点上看，方形永磁操动机构在采用硅钢片时，可以在一定程度上抑 制涡流，减小损耗。 ( 2 ) 方形永磁操动机构在采用硅钢片结构时在机械寿命和抗冲击性能方面略差于圆柱形 永磁操动机构，但圆柱形操动机构在安装制作方面又不如方形简便。 ( 3 ) 装置采用圆柱形，可以增大导磁面积，进一步减少装置的体积。 由以上的分析可知，不同的永磁机构在不同的场合各具优势，用户应在满足技术要求的 前提下，作出合理的选择。本文研究了圆柱形双稳态双线圈结构，下面介绍双稳态的工作原 理 2 1 3 双稳态永磁机构工作原理 双线圈双稳态永磁机构的特点是利用永久磁铁便真空断路器分别保持在分闸和合闸极限 位置上，有两个励磁线圈，使用其中一个线圈将机构的动铁芯从分闸位置推动到合闸位置。 使用另一个线圈将机构的动铁芯从合闸位置推动到分闸位置。此种结构的代表产品是a b b c a l o r e m a g 公司推出的v m i 配永磁机构的真空断路器。 图2 - 2 为双线圈永磁机构在分闸位置时的结构简图。它由六个主要零件组成【：1 、6 为 分、合闸线圈：2 为静铁心，为机构提供磁路通道，对于方形结构一般采用电工纯铁板叠装而 成，圆形结构q 采用电工纯铁或低碳钢；3 为永久磁铁，在合、分闸位置为机构提供保持力， 一般采用钕铁硼永磁材料；4 为动铁心，一般采用电工纯铁，是机构中唯一的运动部件；5 为 驱动导向杆，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。 1 分闸线圈；2 静铁心；3 - 永磁体； 4 - 动铁心：5 连接杆；6 - 合闸线圈 图2 - 2 双稳态永磁操动机构的剖面图 永磁操动机构的工作原理。是将电磁机构与永磁铁有机地组合起来，配以控制系统实现 9 东南大学硕士学位论文 真空断路器所要求的全部功能。对于双线圈双稳态永磁机构来说，它的原理是：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，使用励磁线圈将动铁心从分闸位置推到合 闸位置，使用另一励磁线圈将动铁心从合闸位鼙推到分闸位置。永磁机构与其他操动机构的 最大区别在于该机构在控制线圈不同电流时它的动铁心有两个稳定工作状态，即合闸与分闸 状态，这一功能的实现是由永磁体产生的。永磁体在机构中既是磁源，又是磁路的组成部分。 如图2 - 3 ( a ) 所示，永久磁铁利用动、静铁心提供的低磁阻抗通道将动铁心保持在分闸位置， 磁力线方向如图2 - 3 中曲线i 。当机构接到命令时，合闸线圈6 带电，合闸线圈中电流产生磁 场，其磁力线方向如图2 3 中磁力线和，合闸线圈在上部工作气隙产生的磁场方向与 永磁材料产生的磁场方向相反，当合闸线圈的电流达到某一值，动铁心开始向下移动，并随 着位移的增加，底部气隙的磁阻逐渐减小，磁感应强度远远大于上部气骧的磁感应强度，动 铁心向下呈加速运动，直到合闸到位。 图2 - 3 ( c ) 为操动机构合闸到位后，磁力线的分布情况。线圈电流和永磁体合成磁场所产生 的磁力线基本全部通过下部气隙。切断线圈中的电流，动铁心将自动保持在分闸位置上。当 机构进行合闸操作对，情况与分闸基本相同。 ( a ) 分闸状态 合闸过程 ( c ) 合闸状态 凰2 - 3 双稳态双线圈操动机构的合闸过程 2 1 4 永磁材料的选择 永磁机构选择的永磁材料是钕铁硼稀土永磁材料，它是一种高性能的永磁材料，它的最 大特点是退磁曲线是一条直线，且和回复线基本相重合，可以使永磁机构的磁性能在运行过 程中保持稳定。钕铁硼永磁材料是1 9 8 3 年问世的高性能永磁材料，室温下剩余磁感应强度耳 现可高达1 4 7 t ，磁感应矫顽力坼可达9 9 2 k a m ，最大磁能积高达3 9 7 9 k j m 3 ，是耳前磁性能 最高的永磁材料。由于钕在稀土中的含量是钐的十几倍，资源丰富，铁、硼的价格便宜，又 不含战略物资钴，因此钕铁硼永磁的价格比稀土钻永磁便宜的多，问世以来在工业和民用的 永磁电机中迅速得到推广应用。 断路器永磁操动机构所选用的钕铁硼材料，主要考虑以下方面特性：磁场强度( 矫顽力) 、 剩磁、最大磁能积，退磁临界温度、温度退磁率( 温度降低时磁性可恢复) 、自然老化退磁率。 1 0 第二章永磁操动机构设计分析 由于钕铁硼材料的祛磁曲线几乎是一条直线，且它的回复曲线与祛磁曲线基本重合，因此不 必担心永磁体的退磁。由于动铁心和静铁心( 外壳) 的剩磁特别小，不会产生磁化问题。 对于没有预先充磁的永磁体，在永磁机构装配之后必须进行充磁。采用电容器产生脉冲 电流进行充磁，为保证充磁电路不发生振荡，充磁之前对励磁线圈电感进行测量。充磁后， 可以用测力计测量电磁力，如果与设计计算的结果极为接近，说明充磁是成功的，永磁材料 是正品，性能可靠。 2 2 永磁操动机构的设计分析 2 2 1 设计分析 本文设计嘲的且的是为了根据用户的实际需要输入一些参数，如保持力、材料、外壳高 度等，经过程序的计算输出永磁操动机构的机械参数和电磁参数，为机构的设计提供了依据。 本文选用的圆柱形双稳态永磁操动机构如图2 4 所示。图中，n 是线圈骨架内半径，以是 线圈骨架外半径，r 是静铁心外半径，b 是端盖高度，h 是线圈高度，k 是永磁体高度，日是 静铁心高度。 fj 峰 _ 图2 - 4 圆柱形永磁机构的剖面图 对以上各项参数的设计嗍流程图如图2 - 5 所示。 东南大学硕士学位论文 回 图2 - 5 永磁机构设计流程图 根据设计流程图，计算过程如下。 1 确定动铁心的半径r 根据公式 f ：b 2 _ _ s s( 2 1 ) 2 胁 式中，f 是永磁机构处于分合闸状态时的保持力，占是通过动铁心端面的磁通密度，s 是动铁 心端面的面积。 由式( 2 - 1 ) 可知，用户输入所需要的保持力f ，磁通密度b 取经验值的情况下，可以算 出动铁心的横截面积，进而算出动铁心半径r 。 2 确定永磁体的尺寸 得出横截面积s 的值以后，还可以算出通过动铁心横截面磁通矽的大小 击=bs(2-2) 式中，是通过动铁心横截面的磁通。 一1 2 一 第二章永磁操动视构设计分析 根据克希霍夫第一定律，磁路中各处的磁通相等，因此， 永磁体的磁通和通过动铁心截面的磁通近似相等。由公式 最= 芒 忽略漏磁的话，可以认为通过 ( 2 3 ) 式中，b ；是永磁体的工作点磁密，品是永磁体的内表面面积。 同理，也可以认为通过端盖侧壁的磁通和通过动铁心截面的磁通近似相等。所以， 岛2 毒 ， 式中，& 是通过端盏侧壁的磁通密度，岛是端盖侧壁的面积。 根据动铁心半径，的数值，取气隙j - - 0 5 m m ，可以利用公式( 2 5 ) 求出永磁体内壁周长 五 = 2 石( ，+ 占) ( 2 5 ) 式中，厶是永磁体内壁周长，占是气隙大小。 然后根据公式( 2 - 6 ) 可以求出永磁体的高度h 。 吒= 睾 ， 式中，k 是永磁体的高度。 同理，端盖的高度h a 也可以由以下公式得出 专 协， 式中，h a 是端盖的高度。 永磁体工作点的磁通密度取占二，则 巩：生 ( 2 8 ) 式中，珥，是永磁体工作点的磁场强度。 由于机构采用上下对称的结构，在给定总高度h 的情况下，可求线圈高度 _ j l = ( 日一吒一2 h a ) 2 ( 2 - 9 ) 式中，h 是线圈高度，h 是永磁机构静铁心高度。 3 确定线圈的尺寸及匝数 线圈的安匝数 ，= n i = n x 旦一壶2 万u s2 瓦u ；。d 2 r c 枷， i 。西，4o ， p o o 9 。 1 3 - 东南大学硕士学位论文 式中，为线圈匝数，为通过线圈的电流，u 为线圈两端电压，j 为导线的截面积，p 为线 圈导线的电阻率，k 是线圈绕线平均周长，d 为裸导线直径 根据公式( 2 - 1 1 ) 可求得永磁体的厚度毛。 n i = 日 ( 2 一i i ) 式中，皿是永磁体的矫顽力，k 是永磁体的厚度。 又因为 i ：，至d 2( 2 1 2 ) 4 式中，是通过导线横截面积的电流密度。 采用式( 2 - 1 0 ) 和( 2 1 2 ) 的结果可得线圈匝数 n = f | i 又由 ：u z y d 2 ，三d 2 4 p l , ，4 ：j l j 西 式中，r 是线圈填充系数。 由( 2 - 1 3 ) 和( 2 - 1 4 ) 两式相等可得 又由于线圈平均绕线周长 n ：竺 r f r d 2 u4 j j 西 r p r d o ：掣：石( r l + d + r 2 ) s = ( 吃一- d ) j i ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 式中，k 是线圈平均绕线周长，r t 为线圈骨架内半径，n 为线圈骨架外半径，d 。为线圈骨架 厚度，一般取1 - 2 m m 左右。 根据式( 2 - 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 可算得线圈骨架的外半径啊 由于通过线圈外侧壁的磁通和通过动铁心截面的磁通近似相等，又式( 2 1 8 ) 可以得到 圆形永磁机构静铁心半径月。 妒= 皿石( r 2 一r 2 ) ( 2 - 1 8 ) 式中，尻是通过线圈外侧壁的磁通，r 是永磁机构静铁心外半径。 一1 4 第二章永碰操动机构设计分析 2 2 2 实例计算 分别以用户要求保持力为4 0 0 0 n 和4 5 0 0 n ，同样选取永磁机构静铁心高度为1 1 0 m m 、导 线直径为o 6 3 r a m 为例。通过程序的计算可以得到参数如表2 - 1 所示。 表2 - 1 实例计算结果 动铁心半径f永磁体高度线圈高度h线圈匝数静铁心半径 h mnr 保持力 3 5 r a m1 7 m m2 8 8 口m8 9 5 匝5 8 8 m m 4 0 0 0 n 保持力 3 7 5 m m1 8 5 m m2 7 2 m m 1 2 4 8 匝 6 2 5 m m 4 5 0 0 n 通过对保持力为4 0 0 0 n 设计实例的有限元分析，得到合闸位置的磁场分布如图( 2 - 6 ) 所示。 2 3 本章小结 图2 - 6 永磁机构设计实例图 本章介绍了断路器永磁机构的不同结构和工作原理，提供了选择的方案和依据。在此基 础上对永磁机构的机械参数进行设计，这部分的工作对永磁机构样机的设计，对改善样机的 静态、动态性能和样机的小型化有参考意义口”。 1 5 东南大学硕士学位论文 第三章永磁操动机构的磁场分析 永磁操动机构依赖机构中的磁场变化来实现分合闸动作和保持功能，因此对永磁操动机 构的磁场分析和计算【2 ”对合理设计永磁机构及进行结构优化具有重要意义。 永磁操动机构产生的电磁场和电磁力是由两个部分一励磁线圈和永磁体产生的。求解电 磁场，一般使用场或磁路的计算方法由于磁路的方法在计算不规则的非线性磁场时容易产 生较大的误差，因此它的应用范围有较大的限制。随着计算机技术的发展和计算机的普遍应 用，使用数值计算方法来求解电磁场问题得到了迅速发展。数值计算方法可以分为两大类： 一类是场域分割法，包括有限差分法和有限元法；二是等效源法，包括积分方程法、边界积 分法、边界元法、模拟电荷法。 本文以有限元方法为理论基础，计算出机构的磁场分布情况，在此基础上求解电磁铁的 静态特性，并对计算结果进行了分析。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，与有限差分法求解边值问题的处理方法有所类似。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方程组，解之即得待 求边值问题的数学解。有限元的基本方法是，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，得出单元的方程式，在此基础上，将所有单元综合起来，进行总 体合成，建立系统的联立方程组 对于永磁机构，采用有限元算法嘲的好处在于： 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( i c c g 法) 结合非零元素压缩存储有限元方程，可节约大量的计算机内存 和c p u 时间。 2 、铁磁材料和永磁体在计算中均为非线性材料，有限元法可较好地处理非线性问题，已 经在实际问题中得到了广泛的应用。 3 、有限元法几何剖分灵活。 不过有限元方法也有它的缺点； l 、求解场域内场量变化剧烈的区域肘，要剖分成很多单元，要求求解大型代数方程组， 计算工作量很大。 2 、对于无界场域问题，只能近似成有界区域问题求解，这样会产生一定的误差。 本章首先介绍了永磁操动机构的结构及工作原理。然后建立了永磁机构静态磁场计算的 模型，对静态磁场进行了计算。 3 1 静态磁场数值计算 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 1 6 第三章永磁操动机构的磁场分布 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。 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，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的问题的求解均十分有效。因此，本 文采用有限元法作为静态磁场数值计算的方法。 3 1 1 磁场基本方程组 1 8 6 5 年麦克斯韦莫定了经典的电磁理论，提出了电磁场普遍规律的数学描述一一电磁场 基本方程组( 麦克斯韦方程组) ，它是研究电磁场问题0 7 1 的理论基础，也是电磁场数值分析的出 发点。 通常，电磁场基本方程组的微分形式表述为： v 日= 以+ 詈 v 小一詈 ( 3 - - ) v b = 0 v d = p 在各向同性的电磁介质中，电磁场中的场量e 和d 、b 和z l 五和e 之间的关系由电磁 场的辅助方程来表示。其关系式为： d = 坦= c 0 8 r e b = 龌= 耻口i r hq j = o e 对线性介质占、a 、盯均为常数；对非线性介质占、a 、盯分别为相应场量的函数。 考虑具有恒定电流的情况，永磁磁场的基本方程为； v日=以(3-3) v b = 0 根据安培环路定律在含有磁化媒质的磁场中的应用，可以得到磁场中的磁感应强度为： b = z o ( h + m ) ( 3 - 4 ) 因此，永磁场的磁化强度可表示为： 膨：导一日；( 一一1 ) 日( 3 - 5 ) 鳓 式中，风为真空中的磁导率，脾为铁磁材料的磁导率，肘为永磁体的磁化强度。 在永磁体中，设代表磁化方向，则： 东南大学硕士学位论文 m = m ( ) 式中，王i 群表示沿方向的磁感应强度 在二维平面场中，设永磁体中m 与x 正向夹角为a ，埘( 如图3 1 ) ，则磁感应强度风为： y o b m2 j c o s a 七b 。s i n a m 图3 - 1m 与x 轴正向夹角 考虑到永磁体磁化强度m ，则永磁磁场的基本微分方程为： v ( 去v m 卜 从而在永磁场中，用矢量磁位a 表示的边值问题为： v 皓v 徭m 卜 r l ：一= j r 2 罢：码 铆 式中，j 为第一类边界上给定的矢量磁位值。 ( 3 - 7 ) 3 1 2 永磁场基本万程求觯 求解边值问题，等价的变分问题可以表示为： j q