1、一种新型永磁驱动操作机构及其控制方案宋澜王法邵长星王永中国科学技术大学，合肥，摘要：回顾了采用电磁驱动、永磁保持原理的永磁电动操作机构的发展历程及最新研究进展。鉴于典型永磁电动操作机构在分合闸过程中容易加速，不易减速，分合闸特性不够理想，而改进型的永磁电动操作机构结构较为复杂，可靠性不高的特性，从操作机构的原理出发，提出了一种永磁驱动、永磁保持的新型永磁驱动操作机构，并阐述了其工作原理，分析了其静态特性，给出了其控制方案。与永磁电动操作机构相比，新型永磁驱动操作机构结构更简单、控制方案更灵活。关键词：断路器；操作机构；永磁驱动；控制方案中图分类号：文章编号：（），：（），：；收稿日期：引言高压
2、断路器是一种控制高压输电线路通断的电力设备，它由灭弧室和操作机构两部分组成。灭弧室的动静触头分别与输电线路的两端相连，同时动触头又与操作机构相连，由操作机构来驱使动触头运动，从而实现断路器的分闸与合闸，即控制输电线路的断开与接通。永磁电动操作机构是一种电磁驱动、永磁保持、电子控制的新型操作机构。它是在电磁操作机构的基础上，引入永磁体进行分合闸状态保持的，取消了脱扣、锁扣装置，从而使机构的可靠性大大提高。与传统操作机构相比，永磁电动操作机构由于具有结构简单、性能可靠、寿命长、合闸一致性好等优点，近年来被越来越多地应用于真空断路器中。永磁电动操作机构是利用电磁铁对铁磁材料的吸力来驱使运动部件运动，
3、从而实施分合闸的。而电磁铁对铁磁材料只有吸力没有斥力，故运动部件在分合闸的过程中容易实现加速、很难实现减速，操作机构的分合闸性能不够理想。为进一步提升断路器操作机构的性能，本文提出了一种永磁驱动、永磁保持的新型永磁操作机构。新型永磁驱动操作机构是利用电磁铁对作为运动部件的永磁体进行驱动来实施分合闸的。因为电磁铁对永磁体既有吸力又有斥力，所以新型永磁操作机构在分合闸过程中既容易加速又容易减速，具有更好的分合闸特性。与永磁电动操作机构相比，此新型永磁驱动操作机构零件数量更少、可靠性更高、生产成本更低、能耗更小。永磁电动操作机构及其研究进展自 年英国曼彻斯特大学系统与能量组为 公司设计了世界上第一台
4、永磁电动操作机构模型开始，世界各国掀起了开发永磁电动操作机构的热潮。目前，在中高压真空断路器中，永磁电动操作机构正在逐步取代传统操作机构。文献 根据分合闸状态保持方式的不同将永磁电动操作机构分为单稳态和双稳态两种。典型双稳态永磁电动操作机构的结构如图所示。典型永磁电动操作机构通过给上下线圈通电让其吸引动铁芯，从而驱动运动部件，实施断路器的分合闸。分合闸结束后，断开线圈中的电流，再利用永磁体产生的永磁场来实现断路器分合闸状态的无功可靠保持。高压真空断路器由于灭弧需要，真空灭弧室一种新型永磁驱动操作机构及其控制方案 宋澜王法邵长星等图双稳态永磁电动操作机构结构示意图的触头开距一般比较大，这直接导致
5、了动铁芯的工作气隙比较长，动铁芯不易获得满足真空灭弧室开断要求的机械功。为此，通常采用的方法是增加线圈中的电流，但这会导致操作机构进行分合闸所需的线圈电流很大。为了解决上述问题，文献 和 分别提出了一种四线圈双稳态永磁电动操作机构和一种设有磁分路的永磁电动操作机构。典型永磁电动操作机构进行分合闸操作时，永磁体的吸力会起阻碍作用，对提高机构分合闸速度、缩短分合闸时间不利。为了解决上述问题，文献 提出了一种配有磁短路环的永磁电动操作机构。在高压真空断路器中，为了增加分合闸驱动力一般希望磁气隙较小，而真空灭弧又需要尽量增加动静触头开距，即增加操作机构的行程。为了在保持永磁操作机构动静铁芯之间磁场垂直
6、距离（磁气隙）不变的前提下加大动铁芯的有效驱动行程，文献 提出了一种不对称结构的永磁操作机构。上述研究成果的共同特点是：以增加结构复杂性、牺牲可靠性为代价，换取了比典型永磁电动操作机构更强的分合闸能力；但同时也没能改变典型永磁电动操作机构因容易加速、不易减速而导致分合闸特性不够理想的现状。新型永磁驱动操作机构的结构及原理为了简化结构、增加可靠性、提升分合闸特性，本文提出了一种永磁驱动、永磁保持的新型永磁驱动操作机构。新型永磁驱动操作机构主要由线圈、永磁体、静铁芯和下底板组成，其结构如图所示。图新型永磁驱动操作机构结构示意图带有新型永磁驱动操作机构的断路器示意图如图所示，图中断路器处于合闸状态，
7、此时超程弹簧处于压缩状态。图带有新型永磁驱动操作机构断路器的示意图图新型永磁驱动操作机构应用于真空断路器的实物图图是 新 型 永磁驱 动 操 作 机 构 应用于 真空断路器的 物 理 样 机 实 物图。其中，真空灭弧室置 于 安 装 支 架 上方、新型永磁驱动操作机 构 置 于 安 装 支架内部。当 新 型 永 磁 驱动操 作 机 构 需 要 进行合闸操作时，只需给线圈通入正向电流（使线圈在永磁体上端产生与永磁场方向相同的电磁场的电流），由通电线圈对永磁体产生往上的吸力，从而驱动运动部件往上运动，实施合闸。合闸结束后，利用永磁体对静铁芯的吸力，就可以实现合闸状态的无功保持。当需要进行分闸操作时
8、，只需给线圈通入反向电流，让通电线圈对永磁体产生往下的斥力，从而驱动运动部件往下运动，实施分闸。分闸结束后，再利用永磁体对下底板的吸力来实现分闸状态的无功保持。与永磁电动操作机构相比，此新型永磁驱动操作机构主要有以下优点：（）由于电磁铁对永磁体既有吸力又有斥力，使得新型永磁驱动操作机构在分合闸过程中既容易加速又容易减速，借助于适当的控制电路和控制策略便可使断路器具有更好的分合闸特性。（）因为提供相同磁力的永磁体的质量比动铁芯的质量要小得多，所以在相同驱动力下新型永磁驱动操作机构运动部件的质量比传统永磁电动操作机构运动部件的质量要小很多，故其具有更强的加减速能力，即分合闸能力。这既有利于减小线圈
9、的峰值电流及断路器的能耗，又有利于减小断路器的分合闸冲击力。中国机械工程第 卷第期 年月上半月（）与传统永磁操作机构相比，此新型永磁驱动操作机构核心零件数量更少、可靠性更高、生产成本更低。新型永磁驱动操作机构的静态特性等效磁路法是分析永磁操作机构静态特性的一种常用方法 。由于永磁材料的去磁曲线基本上是一条直线，因此可用磁动势和内磁阻来等效。假设磁路为线性且不计漏磁，则新型永磁驱动操作机构的等效磁路如图所示。图新型永磁驱动操作机构等效磁路图图中，为静铁芯的磁阻；为下底板的归化磁阻；为永磁体的磁通；为永磁体上端气隙的磁通；为永磁体下端气隙的磁通；为永磁体的磁动势，其中，为永磁体的磁场强度，为永磁体
10、的高度；为永磁体的磁阻，（），其中，、为永磁体的矫顽力和剩磁，为永磁体的截面积；为线圈的励磁磁动势，其中，为线圈的励磁电流，为线圈的匝数；为永磁体上端气隙的磁阻，（）（），其中，为真空磁导率，数值为 ，为永磁体上端气隙的长度，为永磁体上端磁通穿过的截面积，近似等于永磁体的截面积；为永磁体下端气隙的磁阻，（）（），其中，为永磁体下端气隙的长度。根据磁路欧姆定律可得（）（）烍烌烎（）解得（）（）（）（）（）（）（）（）（烍烌烎）（）故永磁体上下两端气隙处的磁感应强度分别为烍烌烎（）因此永磁体分别受到向上和向下的磁力作用，磁力大小分别为烍烌烎（）取向上为正方向，则永磁体所受的总磁力为 （）（）（）（
11、）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）根据式（）适当选择新型永磁驱动操作机构的结构参数，可以获得期望的分合闸驱动力。新型永磁驱动操作机构的控制方案因为通电线圈对永磁体既有吸力又有斥力，所以新型永磁驱动操作机构的分合闸控制方案具有了更多的可选择性。理想的断路器要求分合闸时间尽量短，合闸末速度和刚分速度在一定范围内，且分合闸弹跳时间尽量短。要缩短分合闸时间和提升刚分速度，就要在开始动作的瞬间给操作机构的运动部件提供一个很大的驱动力让其迅速加速，以缩短动作用时并提高刚分速度；要使分合闸末速度在一定范围内，就要在分合闸的尾段提供一个很大的斥力来进行适当减速；要减小合闸弹跳，就要在合闸结束的瞬间给运
12、动部件提供一个很大的吸力，让这个吸力来抵消撞击的反作用力，从而抑制弹跳。因此，操作机构的合闸将采用先加速再减速最后加速的控制方案，分闸将采用先加速再减速的控制方案。控制电路图新型永磁驱动操作机构的控制电路为了使线圈既能通入正向电流又能通入反向电流，在控制电路中设置了四个 开关模块，组成一个如图所示的“”桥，并由一个 构成的控制单元来控制这些 的开通与关断。图中，为储能电容，为线圈。当需要给线圈通 入 正 向 电 流 时，由 发 出 控 制 指 令，使 和 开通、和 关断；当需要给线圈通入反向电流时，由 发出控制指一种新型永磁驱动操作机构及其控制方案 宋澜王法邵长星等令，使 和 开通、和 关断；
13、当需要断开线圈中的电流时，由 发出控制指令，使原来开通的两个 也关断，并由与另外两个 并联的二极管和储能电容组成线圈的续流放电回路。合闸控制方案在忽略线圈电感及储能电容压降的情况下，理想的合闸控制方案如图所示。图合闸控制方案在时刻，由 发出合闸指令，经驱动电路给线圈通入最大正向电流，使线圈开始吸引永磁体，进行合闸操作。当合闸进行到时刻，由 发出减速信号，经驱动电路给线圈通入最大反向电流，产生的电磁斥力使永磁体运动减速。当减速至真空灭弧室动静触头开始接触的时刻，由 发出加速信号，经驱动电路给线圈通入正向电流，从而在合闸的超程阶段（压缩超程弹簧）给永磁体提供一个很大的吸力，抑制合闸弹跳。当超程运动
14、结束时，即时刻，断开线圈中的电流，合闸操作完成。在合闸的过程中，除超程阶段外，永磁体与动触头的位移完全一致。分闸控制方案在忽略线圈电感及储能电容压降的情况下，理想的分闸控制方案如图所示。图分闸控制方案在时刻，由 发出分闸指令，经驱动电路给线圈通入最大反向电流，使线圈开始排斥永磁体，进行分闸操作。当分闸至时刻，超程段运动结束（超程弹簧恢复到最大允许长度），此时动静触头开始分离。当分闸进行到时刻，发出减速信号，经驱动电路给线圈通入最大正向电流，产生的电磁吸力使永磁体运动减速。在时刻，永磁体运动到最大分闸位置，且速度趋近于零，实现分闸“软着陆”。同合闸过程一样，在分闸的过程中，除超程阶段外，永磁体与
15、动触头的位移完全一致。样机测试为论证永磁驱动、永磁保持方案的可行性并检验新 型 永 磁 驱 动 操 作 机 构 的 性 能，对 新 型 真空断路器原理样机进行了多次测试。下面以合闸为例来阐述测试结果。图是实验所得的合闸测试曲线。图合闸测试曲线图是合闸位移及速度与时间的关系曲线，横坐标表示的是合闸时间（），左边纵坐标表示的是永磁体的位移（），右边纵坐标表示的是永磁体的合闸速度（）。图中，位移处对应于真空灭弧室触头开距最大位置，即断路器处于分闸状态；虚线对应于断路器处于合闸状态时永磁体的稳态位置。图中的位移曲线为光栅位移传感器测得的永磁体位移随合闸时间变化的关系曲线，速度曲线是对位移曲线进行差分所
16、得的。当操作机构进行合闸时，由 发出合闸指令并给线圈通入 的最大正向电流，从而使得运动部件的运动速度迅速提高；从 时开始到动静触头接触时为止，由 发出减速指令给线圈通入适当的反向电流，即产生斥力以抵消真空灭弧室自闭力和静铁芯对永磁体吸力的作用，从而使动静触头的接触速度控制在理想的范围内；动静触头接触以后（超程阶段）由 发出合闸加速指令，从而产生一个很大吸力，驱使永磁体继续前进，压缩超程弹簧并抑制弹跳产生。从图中可以看出：合闸（动静触头的接触时刻）用时为 ，动触头的行程为 ，永磁体中国机械工程第 卷第期 年月上半月的行程为 （超程 ），动静触头的接触速度为 且接触前 动触头的平均速度大于 。原理
17、样机实测结果表明，带有新型永磁驱动操作机构的 真空断路器具有良好的操作性能，同时也验证了永磁驱动、永磁保持方案的可行性。结语本文回顾了断路器永磁电动操作机构的发展历程及其最新研究进展。针对前人研究存在的不足，提出了一种永磁驱动、永磁保持的新型操作机构。阐述了新型操作机构的工作原理，分析了新型操作机构的特点，并做出了 真空断路器的原理样机。利用等效磁路法分析了新型永磁驱动操作机构的静态特性，并建立了静磁力模型。给出了新型永磁驱动操作机构的控制电路及分合闸控制方案。对原理样机进行了测试，测试结果验证了永磁驱动、永磁保持方案的可行性。参考文献：徐国政，张节容，钱家骊，等高压断路器原理和应用北京：清华
18、大学出版社，周丽丽，方春恩，李伟，等 永磁机构真空断路器动作特性仿真与试验研究高压电器，（）：游一民，陈德桂，侯建新，等永磁操动机构的发展与应用高压电器，（）：周丽洁永磁机构在中压真空断路器中的应用华电技术，（）：，（）：付万安，宋宝韫高压断路器永磁操动机构的研究中国电机工程学报，（）：林莘永磁机构与真空断路器北京：机械工业出版社，林莘，高会军，铁韧永磁操动机构磁场数值计算高压电器，（）：卢芸，林莘双稳态及单稳态永磁操动机构的研究沈阳工业大学学报，（）：王长虹，张来福，贾达菲高压真空断路器的一种新的永磁操作机构结构设计山西电力，（）：张来福，杨杰，胡晓岑新型四线圈双稳态永磁操作机构的研究电工电
19、能新技术，（）：，：马少华，王季梅 高压真空断路器永磁操动机构 的 研 究 与 设 计 中国电 机 工 程 学 报，（）：朱学贵，王毅为提高分闸能力的永磁操动机构的研究与设计中国电机工程学报，（）：范雯，范承志，叶云岳不对称结构双稳态永磁驱动器研究机电工程，（）：王双红，周理兵永磁操作机构电磁设计及其动态特性分析华中科技大学学报（自然科学版），（）：（编辑王艳丽）作者简介：宋澜，女，年生。中国科学技术大学工程科学学院副教授。研究方向为机电一体化系统与控制。王法，男，年生。中 国 科 学 技 术 大 学 工 程 科 学 学 院 硕 士 研 究 生。邵长星，男，年生。中国科学技术大学工程科学学院自
20、动化系讲师。王永，男，年生。中国科学技术大学信息科学技术学院教授、博士研究生导师。第四届全国换热器学术会议征文通知征文范围：换热器用材料（新材料的研制及推广应用、特种材料（含非金属材料）及复合材料、国外换热器用材的研究动向）；换热器的标准规范（国外先进标准和规范的介绍、我国现行标准规范的分析和评述、在我国的应用和标准规范修订有关的研究）；换热器的结构与设计（新型结构换热器的开发、力学理论在换热器设计中的运用、管板设计技术的进展、换热器的防振）；传热与流体阻力特性的研究（高效传热元件的试验研究、新型换热器传热与流体流动特性的研究）；换热器先进制造技术（内孔焊技术、激光焊及钎焊技术、先进胀接技术、关键换热设备国产化的制造经验）等；换热器的使用管理技术（换热设备热工性能的在线检测技术、换热器的检验及现场修复技术、换热器的清洗技术、换热器的防腐技术）；换热器的寿命预测与风险评估技术；换热器在系统节能技术中的应用；计算机技术在换热器领域中的应用。论文提交截止日期：年月 日联系方式：合肥市高新区天湖路 号（合肥通用机械研究院 信箱）邮编：电子信箱：电话：传真：联系 人：张 中 清（）陈 永 东（）（工作总部）一种新型永磁驱动操作机构及其控制方案 宋澜王法邵长星等
