真空断路器永磁驱动机构计算书

1、内高压真空断路器驱动机构参数计算书驱动机构动作原理：ZNB-10户内高压断路器的驱动机构主要由永磁体、铁心、分、合闸线圈以及 磁轭七部分组成。驱动机构的作用是为在合闸过程中为断路器提供合闸动力， 在分闸时解除合闸保持，使断路器靠自身的触头簧和分闸簧分闸。同时，驱 动机构还可以在合闸终了和分闸终了的位置分别提供合闸和分闸保持力。 永磁体的作用是产生一个恒定的磁场，它和铁心、磁轭以及气隙共同组成磁 路。在这个磁路里，磁力线将按着磁阻最小的原则分布。铁心和磁轭接触的 这一部分磁阻很小，而铁心的另一端和磁轭组成的磁路中磁阻很大，这是因 为它们之间气隙较大的缘故。永磁体产生的磁力线广泛分布在磁阻较小的铁

2、 心那一端，磁力线的高变聚集在此刻产生了较大的阻力，这个力使得铁心保 持在极限位置，即分、合闸位置所需的保持力。合闸过程：此刻，铁心由于永磁体产生的磁保持力而处于分闸位置。当合闸 线圈通电时，又在铁心产生磁通？，磁通？与永磁体产生的磁通？ 0方向相反 (如下图所示)，叠加后使铁心上端磁通减小，吸力减小；铁心下端磁通增 加，吸力增加。当合闸线圈安匝IN增加到一定值后，下端吸力大于上端吸力， 铁心开始向下运动。在铁心动作过程中，永磁体中的磁通？ 0的大小可以认为 不变。当铁心向下动作时，下部气隙逐渐减小，上部气隙逐渐增大，因此逐 渐由上部磁路转向下部磁路。这样当合闸线圈断电后，铁心就被保持在合闸

3、位置。同样的，分闸过程与上述情况正好相反。1 -永磁体永磁材料是将所加的磁化磁场去掉以后，仍能在很长时间内保持强稳定磁性的 一类磁性材料。永磁材料具有较高的矫顽力。衡量永磁材料性能优劣的主要 因素是：退磁曲线上的剩磁、矫顽力、最大磁能积和回复磁导率。永久磁铁 产生的磁场，犹如电流源产生的静电场，其磁感应强度B是恒定的，长时期 内变化不大。综合考虑永磁材料的性能特点，本机构永磁材料选择NNF40，其主要性能参 数如下：剩磁Br=1.251.29 (T)；最大磁能积(BH)= 302318kJ/m3；_max矫顽力 Hcb=796955KA/m；内禀矫顽力HcjN875KA/m居里温度Tc=310

4、330 0C；工作温度Tw = 80 0C；密度 D = 7.37.5 g/cm3。由于采用双E型10#钢的磁轭结构，为了提高磁路的效率，永磁体选为 长方体形，拟定其几何尺寸为：长*宽*高=60*20(23)*40。由于永磁体的工作点应选在膝点附近，所以假定磁感应强度B=1.2 T,(实际的磁感应强度可能会比这个数值高)。相关数据如下：永磁体提供的总磁通为： 1= B*S = 12000*6*4*2 = 576000马永磁体储存的总能量为：W1= (BH)*V = 300000*(60*20*40*2/1000000)=28.8 J永磁体在合分闸稳态位置0时的保持力为：此时铁芯和磁轭之间的气隙

5、0 =0，此处散磁通、漏磁通均可忽略不计， 可用下式计算吸力：F = (- ) 2上=(己6000) 2上=368.64(Kg)=3686.4(N)15000 S 50006X6此时铁芯和永磁体之间存在气隙。=2 (如果铁芯恰好位于磁场的中间位置的话)，实际的有效吸力F2比F1小。计算如下：假设铁芯和永磁体磁极间的工作气隙的磁场是均匀的，磁阻Rg和磁导Gg为:R =Gg为:g &S 125X24X2Gg= = =300(cm)q 6=HcbG=800000X0.3=240000(A)(p 1=q q o =576000-192000=384000F = (-) 2 1 = ( 384000)

6、2 1 =163.84(Kg)15000 S 50006X6实际中，铁芯和永磁体在一侧的气隙。Q0，而在另一侧则0 4mm。因此实际的吸力如下：p a=288000(马)&S 1X24Gg= =商=60(cm)p o=HcbG=800000X 0.06=48000（马） p 1=p p =288000-48000=上）21=（ * ）2上15000 S 50006X6通过对整个合分闸过程的分析，这部分能量在衔铁整个运动过程中并不 作功，磁场只为铁芯动作提供一种媒介。具体分析如下：以合闸过程为例：在分闸状态，永磁体使衔铁保持在分闸位置上，在接通合闸线圈后，合 闸线圈中的电流上升到一定水平，合闸线

7、圈产生的电磁吸力克服永磁体的保 持力，衔铁开始向下运动。在衔铁运动到中间位置(即上下两部分气隙相等) 的过程中，永磁体一直做负功；但当衔铁过中之后，永磁体的能量开始做正 功，直到合闸位置。在整个过程中，永磁体的能量始终都消耗在磁路中(以理想情况分析)，因此可以认为两部分作功相等，即在整个过程中永磁体对 外功。因此，永磁体的参数只与分合闸状态的保持力有关。经负载计算知： 合闸状态时所需的合闸保持力为：F=290kg合闸位置时触头簧压力为F1=10581N分闸簧拉力为F2=1654N合闸位置时永磁机构应提供的最小合闸保持力F=F1+F2=12235N (12235/4.34/9.8=288kg)此

8、处A = 4.34为机构输出端到动触头端的机械效益。当0 =0时，散磁通，漏磁通均可忽略不计，所有的有效磁通都降落在衔 铁、磁轭及永磁体组成的磁路中，因此可用下式计算：F= 9 /5000)2 /S (1)磁路计算的麦克斯韦公式此处，S为铁心的横截面。2 铁心铁心是用来传递和转换能量的磁性零件，要求磁导率高，矫顽力低。选择 电工用纯铁DT4,其显著特点是它的饱和磁感应强度高(20 OC达21580高斯)。 有关磁性能参数如下：矫顽力HC不大于96A/m，最大磁导率不小于 0.0075H/m。为了使断路器能顺利合闸，运动的铁心必须具有相当的动能，因此 铁心除应具有一定的速度之外，还应具有一定的质

9、量，参照原有A224C-1电磁 操动机构中动铁心的质量，拟定铁心的几何尺寸为：长*宽*高=60*60*145 。 另外，为减小上下运动时空气的阻力，特在铁心两侧面上各开一条轴向通风槽。铁心截面积：S0=D*D =6*6=36cm2将磁路中铁心受的力和铁心的截面积代入(1)式，可得F1= ( 1/5000) 2 /S = (576000/5000) 2 /36=368.64 kgn =288/368=0.783合闸线圈电磁铁线圈的作用在于提供磁势一一安匝数IN。因此设计线圈时，一般都着 眼于计算安匝IN。线圈的安匝IN由加在线圈端的电压U、线圈的有关结构、 材料、尺寸决定。考虑到铁心、磁轭在交流

10、磁场中的磁滞损耗和涡流损耗很 大，所以线圈的通电电流选为：直流220V。线圈材料选聚脂漆包圆铜线QZ-2, 该材料在干燥和潮湿的条件下，有优良的耐电压击穿和耐刮性能，耐热等级 为B级(130 0C)，电阻率为p =0.02Q .mm2/m (铜线实际电阻率为p =0.0167 Q .mm2/m )。对于螺管式电磁铁，当。#0时，应当考虑散磁，漏磁对吸力的影响，在 此情况下，铁心吸力F按下式计算：F=6.4(IN)2S/0 2+0.8g(z/l)2*10-8当。=0时，散磁，漏磁均可忽略不计，因此铁心吸力F按下式计算：F= ( /5000) 2 /S或者 F=5.1 (IN) 2p 0S*10-

11、8/O 2在分闸保持状态，合闸线圈不通电；当接到合闸命令，合闸线圈接通电源， 由于线圈具有一定电感，电流i不能立刻达到稳定I，而是逐步由0增大。与此同 时，铁心吸力也逐步增大。在电磁铁吸力还不足以使铁心动作时，0 =0 =常数， 也即铁心运动v=0。在此过程中，合闸线圈中电流产生的磁通与永磁体的磁通中 1叠加，使得衔铁中向上的磁通减小，向上的吸力减小。当线圈安匝IN增加到一定值(IN)1后，向下的吸力大于向上的，衔铁开始向下运动。 取 F=290kg,6 =5.0cm,S=6*6=36cm2 ，贝U(IN)1=(F*6 2*108/(5.1却 0S)i/2=(290*5.02*108/(5.1

12、*1.25*36)i/2=56205(安.匝) 此时，向下的磁通为：中=ING6 =56205*1.25*36/5.0=505848(马)1)选安匝数为：IN=63000安.匝F=5.1*(IN)2*|j 0S*10-8/6 2= 5.1*630002*1.25*36*10-8/5.02= 364kg合闸线圈参数：.p =0.02Qmm2/mD=90mmV=220V (直流)I=44 AR=5QN=1336 匝d=1.55mm2IN=58784 安匝R6 =6 /p 0S=4/ (1.25*36) =0.089(p = IN/R 6 =58784/0.089=660494Bp /S=66049

13、4/36=18347 (与永磁场反向)p =0.02D=100V=220IN=80000IN=(U/R)N=UN/(p L/S)=UN/(4p ND/(n d2/4)=Un d2/16p D d2=16p DIN/(Un )=16*0.02*0.1*80000/(220*3.14)=3.71 d=1.925q=n d2/4=3.14*3.71/4=2.91N=0.5H(D2-D1)f/q=0.5*84*(130-70)*0.6/2.91= 260R=4p ND/(n d2/4)=16p ND/(n d2)=16*0.02*260*100/(3.14*3.71)=714.p =0.02Q .mm

14、2/mL=85mm V=220V (直流)I=67.49 AR=3.26Q N=904 匝d=1.55mm2IN=61011 安匝 58000 安.匝R6 =6 /p 0S=4/ (1.25*36) =0.089p = IN/R 6 =685516.9B=p /S=19042求归算质量：为了能直接了解机构的输出特性，将运动链中各个杆件的质量 都归算到大轴侧机构输出端。利用图解法求速度比：当在分闸位置时，有m=m铁心+m触头* (v触头/v铁心)2(取v触头/v铁心=0.7)=5+4*3*0.72=10.88kgF 总=482.5-270+510/ (9.8*3.8) =226 kg其中510为

15、触头自闭力a= F 总/m=26/10.88=20.8 米/秒 26 =0 时，v=0, a=20.56, m=11kg假定在6的各个值取点，速度比保持不变，则归算质量保持不变。忽略铁心重力在整个合闸过程中的作用。则有，a= F总/m= (482.5-270+510/ (9.8*3.8) /11 = 20.56在铁心动作前，线圈中的电流i按指数规律变化： i=U/R* （1-e-t/（L /R） =I* （1-e-t/（L /R） I=U/R=220/3.26=67.5 AIN=43386Id= 43386/904=48 A当电流i达到动作电流Id时,铁心开始运动。相应的时间即为始动时间ts

16、ts=（Ls /R）*In（I/（I-Id）SL =0.019mHts=0.019/3.26 *ln（67.5/（67.5-48）=0.0072 s =7.2msLs =54mHt =20.57ms根据能量守恒，把电磁铁的动吸力特性作一定性分析：电磁铁在动态情况下的机械功wd=n卯m 0（1w m 0/uty）铁心运动时间tyW皿-0/町1/（1州小如：-。）中=22*1000*6*6=79200（舍）Wd 取 80Jn =0.8tWd 取 80Jn =0.8ty=(舍)t =6.2/220*(1/(1-80/0.8*67.5*6.2)=0.037=37ms.y.合闸时间t 合=tS+ty=2

17、0.6+37=57.6 ms (减少合闸功，可减少合闸时间) 取铁心动作时间ty=0.05s则 Wd=n 卯 m-0(1-w m-0/Ut )=0.8*67.5*6.2*(1-6.2/220*0.037)=80J取 ty=35mM W=65J ty. L=80mm V=220V (直流)I=64.7 AR=3.4QN=935 匝d=1.4mm2IN=60494.5 安.匝I=56.56AR=3.89QN=935 匝d=1.4mm2IN=52883.6 安.匝(4) d=1.37mm2 取 d= 1.4N=60*30/(3.14/4)*1.42)=702 匝R=0.0175*702*4*0.08

18、 (3.14/4)*1.42)=2.55I=220/2.55=86.3IN=60582.64.分闸线圈：同合闸线圈一样选聚脂漆包圆铜线QZ-2，直流220V。F=5.1*(IN)2*|j 0S*10-8/6 2 取 F=300kgIN=(F*6 2/5.1*|j 0S)1/2= (300*4*4*108/5.1*1.25*36)1/2=45733 安.匝中=ING6 =IN*p 0S/6 =45733*1.25*36/4=514496 马d=(16*IN*L*p /(Un )1/2=4*(IN*L*p /(Un )1/2=4*(45733*0.09*0.02/(220*3.1415)1/2=1.55. 磁轭由硅刚片叠加而成,电磁性能好的硅刚片在一定频率和磁感应强度下，有着 较低的铁损以及在一定磁场强度下具有高的磁感应强度。电工行业中常使用厚度为0.350.5mm,在本机构里，考虑到机械强度和涡流损耗的因素，我们选用 0.5mm的冷轧硅钢片。固定块用来固定永磁铁，材料为铜质（不导磁）。导向块用来约束铁心的运动，材料为铜质（不导磁）。线圈骨架用来绕制合、分闸线圈，其内侧壁起着铁心导向的作用。附表：磁路计算过程中的单