永磁操动机构

1、方瑞明方瑞明华侨大学电气工程与自动系华侨大学电气工程与自动系Tel:el:mailEmail：主要内容主要内容l永磁操动机构简介永磁操动机构简介l研发永磁操动机构的意义研发永磁操动机构的意义l永磁操动结构国内外的发展及现状永磁操动结构国内外的发展及现状l常见永磁操动机构的结构及特点常见永磁操动机构的结构及特点l永磁操动结构研究所涉及的主要问题永磁操动结构研究所涉及的主要问题l永磁操动机构的智能控制技术永磁操动机构的智能控制技术 永磁操动机构简介永磁操动机构简介 1、永磁操动机构是用永磁体实现合闸保持和分闸保持、永磁操动机构是用永磁体实现合闸保

2、持和分闸保持(有时只用永磁有时只用永磁体作合闸保持而不作分闸保持体作合闸保持而不作分闸保持)的一种新型的电磁操动机构。的一种新型的电磁操动机构。 2、按原理可分为单稳态和双稳态两种。、按原理可分为单稳态和双稳态两种。 1）双稳态永磁操动机构是指开关无论在分闸位置还是合闸位置，）双稳态永磁操动机构是指开关无论在分闸位置还是合闸位置，其保持力都由永久磁铁提供，它可分为对称式结构其保持力都由永久磁铁提供，它可分为对称式结构(双线圈式双线圈式)和非对和非对称式结构称式结构(单线圈式单线圈式)。 2）单稳态永磁机构是指开关在合闸位置，其保持力由永久磁铁提）单稳态永磁机构是指开关在合闸位置，其保持力由永久

3、磁铁提供，而在分闸位置则由分闸弹簧提供。供，而在分闸位置则由分闸弹簧提供。 研发永磁操动机构的意义研发永磁操动机构的意义 与电磁操动机构和弹簧操动机构相比，永磁操动机构具有如下优与电磁操动机构和弹簧操动机构相比，永磁操动机构具有如下优点：点：l结构简单，运动部件少，机械可靠性大大提高。（结构简单，运动部件少，机械可靠性大大提高。（国际大电网会议组织的国际调查表明，机械故障高达总故障的70. 3%，如果包括辅助电器和控制回路的故障，则为89.4 ）l采用永磁作为保持力，不会产生传统机构的操作失误，方便实现采用永磁作为保持力，不会产生传统机构的操作失误，方便实现免维护运行。免维护运行。l输出特性和

4、真空断路器的开关机械特性相匹配，能够达到良好的输出特性和真空断路器的开关机械特性相匹配，能够达到良好的速度特性。速度特性。l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芯，动铁芯又直接和主轴相连。由于动作部件少，具有更动动铁芯，动铁芯又直接和主轴相连。由于动作部件少，具有更好的可控性，好的可控性，l为断路器实现智能控制打下了基础。为断路器实现智能控制打下了基础。永磁操动结构国内外的发展及现状永磁操动结构国内外的发展及现状 在中压断路器领域，国外永磁机构技术的研究开始于在中压断路器领域，国外永磁机构技术的研究开始于20世纪

5、世纪80年代末，年代末，欧洲以英国和德国为代表。欧洲以英国和德国为代表。 1）1989年英国曼彻斯特大学系统与能量组为年英国曼彻斯特大学系统与能量组为GEC公司设计了一台永磁机公司设计了一台永磁机构模型。构模型。 2）1992年前后，永磁机构技术开始在英国工业应用。年前后，永磁机构技术开始在英国工业应用。 3）1995年英国的年英国的Whipp&Bourne公司进一步改进了结构。公司进一步改进了结构。 4）1997年年ABB Calor Emag开关设备公司开关设备公司 VM1型配永磁机构的真空断路型配永磁机构的真空断路器，器，VM1所配的永磁机构是一种双稳态线圈结构，采用电容其作为充放电所配

6、的永磁机构是一种双稳态线圈结构，采用电容其作为充放电组件，可以实现充合闸操作。采用微电子逻辑电子线路组成的控制单元及组件，可以实现充合闸操作。采用微电子逻辑电子线路组成的控制单元及传感智能单元，微电子逻辑电子线路控制单元具有强的电磁干扰抑制能力，传感智能单元，微电子逻辑电子线路控制单元具有强的电磁干扰抑制能力，并具有自诊断及可通讯功能。并具有自诊断及可通讯功能。 5）英国）英国IPEC公司推出用于中压开关装置的电磁驱动器（公司推出用于中压开关装置的电磁驱动器（MAGACT）该公）该公司将永久磁铁由静铁心移到动铁心上，且操作时所需的电能大大降低。司将永久磁铁由静铁心移到动铁心上，且操作时所需的电

7、能大大降低。 6） 继继ABB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。乌克兰似的产品。乌克兰TAVRIDA公司的永磁驱动机构为单稳态结构，采用分闸公司的永磁驱动机构为单稳态结构，采用分闸弹簧使断路器保持在分闸位置。弹簧使断路器保持在分闸位置。常见永磁操动机构的结构及特点常见永磁操动机构的结构及特点永磁机构剖面简图永磁机构剖面简图如图，永磁机构共由七个主要零件组成：如图，永磁机构共由七个主要零件组成：1、静铁心，为机构提供磁路通道，对于方形结构一般、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

8、构则采用电工纯铁或低采用硅钢片叠形结构，圆形结构则采用电工纯铁或低碳钢；碳钢；2、动铁心，是整个机构中最主要的运动部件，一般采、动铁心，是整个机构中最主要的运动部件，一般采用电工纯铁或低碳钢结构；用电工纯铁或低碳钢结构；3、4为永久磁体，为机构提供保持时所需要的动力；为永久磁体，为机构提供保持时所需要的动力；5、6为分闸线圈和合闸线圈为分闸线圈和合闸线圈;7为驱动杆，是操动机构与断路器传动机构之间的连接为驱动杆，是操动机构与断路器传动机构之间的连接纽带。纽带。常见永磁操动机构的结构及特点常见永磁操动机构的结构及特点l当断路器处于合闸或分闸位置时，线圈中无电流通过，永久磁铁当断路器处于合闸或分闸

9、位置时，线圈中无电流通过，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上、下极限位利用动静铁心提供的低磁阻抗通道将动铁心保持在上、下极限位置，而不需要任何机械连锁。置，而不需要任何机械连锁。l当有动作信号时，合闸或分闸线圈中的电流产生磁动势，动、静当有动作信号时，合闸或分闸线圈中的电流产生磁动势，动、静铁心中的磁场由线圈产生的磁场与永磁体产生的磁场迭加合成，铁心中的磁场由线圈产生的磁场与永磁体产生的磁场迭加合成，动铁心连同固定在上面的驱动杆，在合成磁场力的作用下，在规动铁心连同固定在上面的驱动杆，在合成磁场力的作用下，在规定的时间内以规定的速度驱动开关本体完成分合闸动作。此机构定的时间

10、内以规定的速度驱动开关本体完成分合闸动作。此机构所以被称为两位式双稳态原理结构，是由于动铁心在行程终止的所以被称为两位式双稳态原理结构，是由于动铁心在行程终止的两个位置，不需要消耗任何能量即可保持。在传统的电磁机构，两个位置，不需要消耗任何能量即可保持。在传统的电磁机构，动铁心式通过弹簧的作用被保持在行程的一端，而在行程的另一动铁心式通过弹簧的作用被保持在行程的一端，而在行程的另一端，靠机械锁扣或电磁能量进行保持。端，靠机械锁扣或电磁能量进行保持。l由上述可知，永磁机构是通过将电磁铁与永久磁铁特殊接合，来由上述可知，永磁机构是通过将电磁铁与永久磁铁特殊接合，来实现传统断路器操动机构的全部功能：

11、由永久磁铁代替传统的脱实现传统断路器操动机构的全部功能：由永久磁铁代替传统的脱锁扣机构来实现极限位置的保持功能，由分合闸线圈来提供操作锁扣机构来实现极限位置的保持功能，由分合闸线圈来提供操作时所需要的能量。可以看出，由于工作原理的改变，整个机构的时所需要的能量。可以看出，由于工作原理的改变，整个机构的零部件总数大幅减少，使机构的整体可靠性得到大幅提高。零部件总数大幅减少，使机构的整体可靠性得到大幅提高。永磁操动机构的分类永磁操动机构的分类l永磁机构的合闸都采用电磁操动永磁机构的合闸都采用电磁操动l按照机构在分闸时的不同，永磁机构可以分为按照机构在分闸时的不同，永磁机构可以分为电磁操动（也即俗称

12、的双稳态）和弹簧操动电磁操动（也即俗称的双稳态）和弹簧操动（也即俗称的单稳态）两种形式。（也即俗称的单稳态）两种形式。l从线圈数目上分，分为双线圈式和单线圈式。从线圈数目上分，分为双线圈式和单线圈式。l从外形结构上分，分为方形结构和圆型结构。从外形结构上分，分为方形结构和圆型结构。双线圈式永磁操动机构双线圈式永磁操动机构l 双线圈式永磁机构的特点是采用永久磁铁使真空断路器分别保持双线圈式永磁机构的特点是采用永久磁铁使真空断路器分别保持在分闸和合闸的极限位置上，使用一个激磁线圈将机构的铁芯从在分闸和合闸的极限位置上，使用一个激磁线圈将机构的铁芯从分闸位置推动到合闸位置，使用另一激磁线圈将机构的铁

13、芯从合分闸位置推动到合闸位置，使用另一激磁线圈将机构的铁芯从合闸位置推动到分闸位置。闸位置推动到分闸位置。lABB公司的公司的VM1型开关的机构即采用此种结构。型开关的机构即采用此种结构。双线圈永磁机构的结构简图双线圈永磁机构的结构简图1、驱动杆、驱动杆 2、工作气隙、工作气隙I 3、合闸线圈、合闸线圈 4、永磁体、永磁体 5、动铁芯、动铁芯 6、静铁芯、静铁芯 7、分闸线圈、分闸线圈 8、工作气隙、工作气隙II双线圈式永磁操动机构双线圈式永磁操动机构l当断路器处于合闸位置时，如图当断路器处于合闸位置时，如图(a)所示，永久磁铁利用动、静铁所示，永久磁铁利用动、静铁芯及工作气隙芯及工作气隙I提

14、供的低磁阻抗通道将动铁芯保持在合闸位置。当提供的低磁阻抗通道将动铁芯保持在合闸位置。当机构接到分闸命令时，分闸线圈机构接到分闸命令时，分闸线圈7通电。分闸线圈在工作气隙通电。分闸线圈在工作气隙I产产生的磁感应强度的方向与永磁材料所产生的磁感应强度的方向相生的磁感应强度的方向与永磁材料所产生的磁感应强度的方向相反。当分闸线圈的电流达到某一值时，使动铁芯在工作气隙反。当分闸线圈的电流达到某一值时，使动铁芯在工作气隙II处处产生的向下的吸力大于在工作气隙产生的向下的吸力大于在工作气隙I处向上的吸力时，动铁芯开始处向上的吸力时，动铁芯开始向下运动，并且随着位移的增加，工作气隙向下运动，并且随着位移的增

15、加，工作气隙II的磁阻逐渐减小，的磁阻逐渐减小，磁感应强度越来越大，动铁芯向下呈加速运动。当动铁芯运动至磁感应强度越来越大，动铁芯向下呈加速运动。当动铁芯运动至超过运动行程一半以后，如图超过运动行程一半以后，如图 (b)所示，永磁体在工作气隙所示，永磁体在工作气隙II处产处产生的磁感应强度大于在工作气隙生的磁感应强度大于在工作气隙I处的磁感应强度，于是进一步加处的磁感应强度，于是进一步加速了动铁芯的运动速度，直到分闸到位，如图速了动铁芯的运动速度，直到分闸到位，如图 (c)所示。当切断所示。当切断分闸线圈中的电流后，动铁芯在永磁体的单独作用下将自动保持分闸线圈中的电流后，动铁芯在永磁体的单独作

16、用下将自动保持在分闸位置上。在分闸位置上。单线圈式永磁机构单线圈式永磁机构l 单线圈式永磁机构也是采用永久磁铁使真空断路器分别保持在分闸和合单线圈式永磁机构也是采用永久磁铁使真空断路器分别保持在分闸和合闸极限位置上，但分合闸共用一个激磁线圈。合闸的能量主要来自激磁闸极限位置上，但分合闸共用一个激磁线圈。合闸的能量主要来自激磁线圈，分闸的能量主要来自分闸弹簧。线圈，分闸的能量主要来自分闸弹簧。l例如，英国例如，英国Whipp & Bourne公司推出的公司推出的GVR柱上真空断路器就是采用柱上真空断路器就是采用这种结构。这种结构。单线圈永磁机构的结构简图单线圈永磁机构的结构简图1、工作气隙、工作

17、气隙I 2、分合闸线圈、分合闸线圈 3、动铁芯、动铁芯 4、永磁体、永磁体 5、工作气隙、工作气隙II 6、静铁芯、静铁芯 7、驱动杆、驱动杆单线圈式永磁机构工作原理单线圈式永磁机构工作原理 当断路器处于分闸状态，如图当断路器处于分闸状态，如图(a)所示，线圈中无电流通过，所示，线圈中无电流通过，在永磁体所产生的保持力的作用下，使断路器保持在分闸位置。在永磁体所产生的保持力的作用下，使断路器保持在分闸位置。当机构接到合闸命令时，激磁线圈当机构接到合闸命令时，激磁线圈2通入一正方向通入一正方向(分闸时的电流分闸时的电流方向与其相反为反方向方向与其相反为反方向)电流。线圈电流所产生的磁场起到两方面

18、电流。线圈电流所产生的磁场起到两方面的作用的作用: 1）一方面在工作气隙）一方面在工作气隙I处，使动铁芯的上端面产生一向上的处，使动铁芯的上端面产生一向上的吸力，以驱动断路器合闸吸力，以驱动断路器合闸; 2）另一方面在工作气隙）另一方面在工作气隙II处，产生与永久磁铁的磁感应强度处，产生与永久磁铁的磁感应强度方向相反的磁感应强度，起到削弱永久磁铁对动铁芯向下的保持方向相反的磁感应强度，起到削弱永久磁铁对动铁芯向下的保持力。力。 当动铁芯受到激磁线圈向上的力大于永磁体的保持力时，动当动铁芯受到激磁线圈向上的力大于永磁体的保持力时，动铁芯开始向上运动，驱动断路器进行合闸，同时，给分闸弹簧和铁芯开始

19、向上运动，驱动断路器进行合闸，同时，给分闸弹簧和触头弹簧储能，为分闸作好准备。断路器合闸到位后，如图触头弹簧储能，为分闸作好准备。断路器合闸到位后，如图( b )所示。线圈所示。线圈2断电后，此时不需任何能量和机械锁扣，靠永久磁断电后，此时不需任何能量和机械锁扣，靠永久磁铁的吸力使断路器保持在合闸位置。铁的吸力使断路器保持在合闸位置。永磁操动机构的分类永磁操动机构的分类 以上两类可称为双稳态永磁机构，即动铁以上两类可称为双稳态永磁机构，即动铁芯在行程终止的两个位置上不需要任何外界能芯在行程终止的两个位置上不需要任何外界能量或锁扣，仅由永磁力保持。量或锁扣，仅由永磁力保持。分离磁路式永磁机构分离

20、磁路式永磁机构 分离磁路式永磁机构就是把合闸、分闸和保持磁路分开，使用这种分离磁路式永磁机构就是把合闸、分闸和保持磁路分开，使用这种方法能优化磁路，永久磁铁只用于保持合闸位置。方法能优化磁路，永久磁铁只用于保持合闸位置。分离磁路式永磁机构的结构简图分离磁路式永磁机构的结构简图1、工作气隙、工作气隙I 2、合闸线圈、合闸线圈 3、静铁心、静铁心 4、动铁芯、动铁芯 5、分闸线圈、分闸线圈 6、永磁体、永磁体 7、工作气隙、工作气隙II 8、衔铁、衔铁分离磁路式永磁机构分离磁路式永磁机构l 图图 (a)为该机构的分闸位置示意图，当机构接到合闸为该机构的分闸位置示意图，当机构接到合闸命令时，合闸线圈

21、命令时，合闸线圈2通以电流。在此磁通回路中，不含通以电流。在此磁通回路中，不含有任何分磁路，绝大部分磁力线将穿过空气隙，空气有任何分磁路，绝大部分磁力线将穿过空气隙，空气隙的总长度较小，磁阻较低。合闸线圈中的电流逐渐隙的总长度较小，磁阻较低。合闸线圈中的电流逐渐增加，当增大到某一值时，动铁芯向上的力大于分闸增加，当增大到某一值时，动铁芯向上的力大于分闸弹簧的阻力和摩擦力时，动铁芯开始向上运动，驱动弹簧的阻力和摩擦力时，动铁芯开始向上运动，驱动断路器合闸，同时给分闸弹簧储能。断路器合闸，同时给分闸弹簧储能。l当合闸到位时，如图当合闸到位时，如图 ( b)所示，此时永久磁铁产生的所示，此时永久磁铁

22、产生的磁场磁路较短，磁阻较小，可获得相当大的合闸保持磁场磁路较短，磁阻较小，可获得相当大的合闸保持力。力。l因此，该结构可以用较小体积的永磁材料而产生较大因此，该结构可以用较小体积的永磁材料而产生较大的吸力，从而克服触头弹簧的反力，使断路器保持在的吸力，从而克服触头弹簧的反力，使断路器保持在合闸位置。合闸位置。l 双线圈式永磁机构其优点表现在双线圈式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。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，永久磁铁只需提供克服触头弹机构在合闸

23、位置时，永久磁铁只需提供克服触头弹簧的力，而不包括分闸弹簧的力。簧的力，而不包括分闸弹簧的力。 它需要的改进之处是在断路器的分闸过程中，因断路它需要的改进之处是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，永久气隙越来越小，激磁电流所产生的力越来越大，永久磁铁对分闸速度由原来的阻碍作用转变为推动作用，磁铁对分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，导致行程终止时运

24、动进一步加快断路器的分闸速度，导致行程终止时运动速度过高，形成很大的冲击。速度过高，形成很大的冲击。三种永磁机构优缺点比较三种永磁机构优缺点比较三种永磁机构优缺点比较三种永磁机构优缺点比较l单线圈式永磁机构优点在于单线圈式永磁机构优点在于: 1)分闸时是靠分闸弹簧和触头弹簧释放的能量动作，分闸时是靠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闸特性。致，因此，可以通过调整分闸弹簧来调整分闸特性。 2)分、合闸共用一个操作线圈，结构较简单，体积较分、合闸共用一个操作线圈，结构较

25、简单，体积较小，更适合户外封闭式箱体内安装。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需要改进之处主要表现为: 1)该结构下永磁会受到反向磁场的作用，如果永磁材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。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。一些学者对此加入分磁环进行改进。 2)断路器在合闸位置时，反力为触头弹簧与分闸弹簧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。的力之和，所需的合闸保持力较大。三种永磁机构优缺点比较三种永磁机构优缺点比较l 分离磁路式永磁机构的

26、优点在于分离磁路式永磁机构的优点在于: 1)两个激磁线圈和永磁体有各自的磁路，有利两个激磁线圈和永磁体有各自的磁路，有利于分别对各个磁路进行结构优化。于分别对各个磁路进行结构优化。 2)由于永磁体采用独立的磁路，并且导磁回路由于永磁体采用独立的磁路，并且导磁回路较短，因此该机构能用较少的永磁材料提供较较短，因此该机构能用较少的永磁材料提供较大的合闸保持力。大的合闸保持力。 需要改进之处为需要改进之处为:该式永磁机构的结构较复杂，该式永磁机构的结构较复杂，要求加工精度较高，加工和装配难度较大。要求加工精度较高，加工和装配难度较大。永磁操动结构研究所涉及的主要问题永磁操动结构研究所涉及的主要问题永

27、磁操动机构静态特性分析永磁操动机构静态特性分析1）永磁体模型的建立，由于机构中存在永磁体，磁场计算首先要建）永磁体模型的建立，由于机构中存在永磁体，磁场计算首先要建立永磁体的数学模型。立永磁体的数学模型。2）电磁吸力的数值计算）电磁吸力的数值计算 在永磁机构磁场中，作用在动铁心上的在永磁机构磁场中，作用在动铁心上的电磁吸力电磁吸力F可以通过计算包围动铁心的任意表面可以通过计算包围动铁心的任意表面S上的应力上的应力p的面的面积分得到，积分得到，3）涡流影响分析，永磁操动机构的静态特性的涡流对机构动作的时）涡流影响分析，永磁操动机构的静态特性的涡流对机构动作的时间和运动速度有很大影响。涡流能引起能

28、量损耗间和运动速度有很大影响。涡流能引起能量损耗,使得线圈产生的使得线圈产生的电磁吸力减小电磁吸力减小,永磁吸力的减小速率滞后于没有涡流时。永磁吸力的减小速率滞后于没有涡流时。4）可利用）可利用ANSYS软件进行，具体包括二维建模和三维建模软件进行，具体包括二维建模和三维建模 永磁操动机构依赖于机构中磁场的变化来实现分合闸动作及保持功能，永磁操动机构依赖于机构中磁场的变化来实现分合闸动作及保持功能，因此对机构中电磁场变化的研究对合理设计永磁机构，进行结构优化具因此对机构中电磁场变化的研究对合理设计永磁机构，进行结构优化具有重要的意义有重要的意义。永磁操动机构静态特性分析（二维）永磁操动机构静态

29、特性分析（二维）l永磁机构二维静态磁场磁感应强度永磁机构二维静态磁场磁感应强度B的矢量分布如图所示。从图中可以看出，在的矢量分布如图所示。从图中可以看出，在合闸位置时，大部分磁力线通过衔铁和静铁芯形成的低磁阻抗路径，因此衔铁受合闸位置时，大部分磁力线通过衔铁和静铁芯形成的低磁阻抗路径，因此衔铁受到较大的电磁吸力，在此吸力的作用下，克服分闸弹簧和触头弹簧的作用力，使到较大的电磁吸力，在此吸力的作用下，克服分闸弹簧和触头弹簧的作用力，使机构保持在合闸位置。随着开距的增大，衔铁中的磁感应强度降低很快。与合闸机构保持在合闸位置。随着开距的增大，衔铁中的磁感应强度降低很快。与合闸位置时相比，经过工作气隙

30、的磁力线减少很多，大部分磁力线通过了辅助气隙。位置时相比，经过工作气隙的磁力线减少很多，大部分磁力线通过了辅助气隙。因此，转动轴受到永磁体的吸力大大减少，在分闸弹簧的作用下，断路器处于分因此，转动轴受到永磁体的吸力大大减少，在分闸弹簧的作用下，断路器处于分闸位置，此时的保持力由分闸弹簧提供。闸位置，此时的保持力由分闸弹簧提供。d=10mmd=6mmd=4mmd=0mm（闭合）（闭合）永磁操动机构静态特性分析（三维）永磁操动机构静态特性分析（三维）(a)总体的磁感应强度矢量分布图总体的磁感应强度矢量分布图 (b)衔铁中的磁感应强度矢量分布图衔铁中的磁感应强度矢量分布图（上图为闭合情况，下图为（上

31、图为闭合情况，下图为d=10mm情况）情况）永磁操动机构静态特性分析（三维）永磁操动机构静态特性分析（三维）l永磁体单独作用时，对三维模型进行计算，其机构整体的磁感应强度矢永磁体单独作用时，对三维模型进行计算，其机构整体的磁感应强度矢量分布和衔铁中的磁感应强度矢量分布图结果如图所示（闭合和量分布和衔铁中的磁感应强度矢量分布图结果如图所示（闭合和d=10mm时）。从三维结果图中可以清楚的看出在不同开距下，永磁操时）。从三维结果图中可以清楚的看出在不同开距下，永磁操动机构中的整体磁感应强度和衔铁中的磁感应强度的变化情况。随着开动机构中的整体磁感应强度和衔铁中的磁感应强度的变化情况。随着开距的增加，

32、衔铁中的磁感应强度越来越小，也就是说衔铁的受力越来越距的增加，衔铁中的磁感应强度越来越小，也就是说衔铁的受力越来越小。由此，可进一步分析出永磁操动机构吸反力特性曲线，如下图所示小。由此，可进一步分析出永磁操动机构吸反力特性曲线，如下图所示图图 机构的吸反力特性图机构的吸反力特性图1、机构所受的反力、机构所受的反力 2、合闸过程中衔铁所受的电磁力、合闸过程中衔铁所受的电磁力永磁机构的动态特性永磁机构的动态特性l永磁机构动态特性是由电磁和机械综合的过渡过程决定的，或者说是由永磁机构动态特性是由电磁和机械综合的过渡过程决定的，或者说是由电磁吸力和负载反力配合过程决定的。电磁吸力和负载反力配合过程决定

33、的。l 关注永磁机构的动态过程的目的在于关注永磁机构的动态过程的目的在于:一是可以计算机构的动作时间，一是可以计算机构的动作时间，进而计算开关触头的动作时间及触头的运动速度进而计算开关触头的动作时间及触头的运动速度;二是确定动作过程中吸二是确定动作过程中吸力与反力的合理配合，使之既保证动作的可靠性，又能改善机械碰撞，力与反力的合理配合，使之既保证动作的可靠性，又能改善机械碰撞，提高电气和机械寿命。提高电气和机械寿命。l对于断路器而言，为了保证有效熄弧及不引起重燃，触头的动作速度应对于断路器而言，为了保证有效熄弧及不引起重燃，触头的动作速度应适当快些，这就要求在规定的行程下机构动铁心要有较高的运

34、动速度。适当快些，这就要求在规定的行程下机构动铁心要有较高的运动速度。这将引起碰撞能量的增加，从而对电气和机械寿命的提高不利。这将引起碰撞能量的增加，从而对电气和机械寿命的提高不利。l由此可见，加快动作与减轻碰撞两个技术要求是有矛盾的，必须在研究由此可见，加快动作与减轻碰撞两个技术要求是有矛盾的，必须在研究动态过程中统筹考虑。同时由于永磁机构行程较大，动静铁心之间的气动态过程中统筹考虑。同时由于永磁机构行程较大，动静铁心之间的气隙较大，在线圈通电时漏磁在总磁通中占有很大比例，忽略漏磁的影响隙较大，在线圈通电时漏磁在总磁通中占有很大比例，忽略漏磁的影响将会造成较大的计算误差。进一步精确计算与分析

35、永磁机构动态特性对将会造成较大的计算误差。进一步精确计算与分析永磁机构动态特性对合理设计机构并进行机构与开关本体间特性配合具有重要理论和现实意合理设计机构并进行机构与开关本体间特性配合具有重要理论和现实意义。义。l采用方法：对采用方法：对ANSYS软件进行二次开发，利用软件进行二次开发，利用C语言和语言和APDL语言编制语言编制动态特性计算程序。动态特性计算程序。永磁机构的智能控制永磁机构的智能控制l能通过智能操作单元对电网参数进行采集和处理，对自身状态进能通过智能操作单元对电网参数进行采集和处理，对自身状态进行监测和判断，然后根据预先确定的程序动作。并可根据需要调行监测和判断，然后根据预先确

36、定的程序动作。并可根据需要调整断路器的操动机构的运动参数，从而获得合适的分合闸速度和整断路器的操动机构的运动参数，从而获得合适的分合闸速度和最佳分合闸时间。永磁机构的控制系统接受光电信号，并通过逻最佳分合闸时间。永磁机构的控制系统接受光电信号，并通过逻辑判断最终给出指令控制操动机构动作，其性能的好坏直接关系辑判断最终给出指令控制操动机构动作，其性能的好坏直接关系到整个断路器的性能。它可采用电子控制，以实现真空断路器的到整个断路器的性能。它可采用电子控制，以实现真空断路器的所有功能，同时还可具有智能化功能，可融合在线检测技术来最所有功能，同时还可具有智能化功能，可融合在线检测技术来最大限度地体现

37、永磁机构的优越性。大限度地体现永磁机构的优越性。永磁机构的智能控制（例）永磁机构的智能控制（例）断路器智能控制工作原理断路器智能控制工作原理永磁机构的智能控制（例）永磁机构的智能控制（例） 图中为断路器智能控制的工作原理图，由数据采集、智能识别和执图中为断路器智能控制的工作原理图，由数据采集、智能识别和执行机构行机构(调节装置调节装置)三个基本模块构成。三个基本模块构成。l智能识别控制模块智能识别控制模块:它是智能控制单元的核心，由微控制器构成微机控制它是智能控制单元的核心，由微控制器构成微机控制系统，能根据操作前所采集到的电网信息和主控制室发出的操作信号，系统，能根据操作前所采集到的电网信息

38、和主控制室发出的操作信号，自动识别当次操作时断路器所处的电网工作状态。显示断路器是否具备自动识别当次操作时断路器所处的电网工作状态。显示断路器是否具备可以操动的条件、断路器的合分闸状态、断路器动作执行情况，给出系可以操动的条件、断路器的合分闸状态、断路器动作执行情况，给出系统电压、操作电压的信息，以及断路器操动机构故障报警信号，供运行统电压、操作电压的信息，以及断路器操动机构故障报警信号，供运行人员了解断路器的工作状态。并根据事先程序，决定对执行机构发出调人员了解断路器的工作状态。并根据事先程序，决定对执行机构发出调节信息，从而使断路器发出相应的动作。节信息，从而使断路器发出相应的动作。l数据

39、采集模块数据采集模块:它由小型电压、电流转换装置和高速多通道模它由小型电压、电流转换装置和高速多通道模/数转换器数转换器组成，随时接收断路器的合闸命令、分闸命令、失压跳闸信号、过流跳组成，随时接收断路器的合闸命令、分闸命令、失压跳闸信号、过流跳闸信号，接收传感器提供的断路器合分状态信号、断路器位置信号，接闸信号，接收传感器提供的断路器合分状态信号、断路器位置信号，接收系统电压、断路器的操动电源信号以及复位信号等。并对这些信号进收系统电压、断路器的操动电源信号以及复位信号等。并对这些信号进行整形、处理，把数据由模拟量转换为数字量，供智能识别模块进行处行整形、处理，把数据由模拟量转换为数字量，供智

40、能识别模块进行处理分析，使之满足智能控制模块的要求。理分析，使之满足智能控制模块的要求。l执行机构执行机构(调节装置调节装置):它由能接收定量控制信息的部件和驱动执行器组成，它由能接收定量控制信息的部件和驱动执行器组成，作用是用来控制合闸与分闸线圈的励磁。作用是用来控制合闸与分闸线圈的励磁。永磁机构控制器设计永磁机构控制器设计 智能断路器的工作过程如下智能断路器的工作过程如下:由微控制器为核心的智能控制单元时刻由微控制器为核心的智能控制单元时刻采集电网的状态数据，智能识别模块根据所采集的数据对电网的状态进采集电网的状态数据，智能识别模块根据所采集的数据对电网的状态进行快速识别，判断电网和断路器

41、所处的状态，并随时根据识别结果控制行快速识别，判断电网和断路器所处的状态，并随时根据识别结果控制调节装置动作。若采用同步操作技术，则要通过调节装置来改变操动机调节装置动作。若采用同步操作技术，则要通过调节装置来改变操动机构参数，使断路器获得与当前系统工作状态相适应的运动特性。另外，构参数，使断路器获得与当前系统工作状态相适应的运动特性。另外，故障开断时要求断路器分合闸的时间尽可能短，不能因智能操作所增加故障开断时要求断路器分合闸的时间尽可能短，不能因智能操作所增加的控制和调节装置而人为使断路器的分合闸时间延长。这可以从硬件结的控制和调节装置而人为使断路器的分合闸时间延长。这可以从硬件结构和软件

42、编程上着手，使因增加控制和调节装置而延长的时间限制在可构和软件编程上着手，使因增加控制和调节装置而延长的时间限制在可接受的和可忽略的程度。接受的和可忽略的程度。 作为永磁机构重要组成部分的控制器，在设计中有四个主要问题需要作为永磁机构重要组成部分的控制器，在设计中有四个主要问题需要解决解决 1）永磁机构的电源方案设计；）永磁机构的电源方案设计； 2）控制器测控单元的设计与分、合闸状态的检测；）控制器测控单元的设计与分、合闸状态的检测； 3）分、合闸线圈操作单元；）分、合闸线圈操作单元； 4）控制器的电磁兼容性。）控制器的电磁兼容性。永磁机构的电源方案设计永磁机构的电源方案设计l给永磁机构的分、

43、合闸线圈通电，从而产生电磁吸力驱动铁心运给永磁机构的分、合闸线圈通电，从而产生电磁吸力驱动铁心运动，必须达到一定的励磁安匝数，这样才能满足真空断路器的分、动，必须达到一定的励磁安匝数，这样才能满足真空断路器的分、合闸速度要求。合闸速度要求。l要想在较短的时间内获得较大的脉动电流，目前有两种方案可供要想在较短的时间内获得较大的脉动电流，目前有两种方案可供选择。其一是采用电容器；第二是采用蓄电池。选择。其一是采用电容器；第二是采用蓄电池。l由于电容器的充电时间较短，可采用常规电源对其充电。因不必由于电容器的充电时间较短，可采用常规电源对其充电。因不必考虑充电过量的危险，不需对充电电流和充电时间进行

44、监视。电考虑充电过量的危险，不需对充电电流和充电时间进行监视。电容器的充、放电周期几乎是无限的，不易受损。另外，电容器体容器的充、放电周期几乎是无限的，不易受损。另外，电容器体积较小，可以并联使用，而不会产生并联电池之间的偏置电流那积较小，可以并联使用，而不会产生并联电池之间的偏置电流那样的侧流效应问题。因此，户内永磁机构中的电源设计最经济的样的侧流效应问题。因此，户内永磁机构中的电源设计最经济的方法是采用电容器。方法是采用电容器。l对于户外柱上真空断路器，由于现场电源不易解决，一般采用蓄对于户外柱上真空断路器，由于现场电源不易解决，一般采用蓄电池等其它方式。电池等其它方式。永磁机构的电源方案

45、设计永磁机构的电源方案设计l储能电容器用于储存能量，当合分闸时，它向合闸线圈或分闸线圈提供储能电容器用于储存能量，当合分闸时，它向合闸线圈或分闸线圈提供高达高达2600W的脉冲电能，使断路器完成合分闸操作。每次放电后，它能的脉冲电能，使断路器完成合分闸操作。每次放电后，它能在在10s内被重新充电。晶体管和晶闸管等电力半导体用于分合闸电流的内被重新充电。晶体管和晶闸管等电力半导体用于分合闸电流的控制。当分合闸线圈突然失电时，由于分合闸线圈属电感性元件，电流控制。当分合闸线圈突然失电时，由于分合闸线圈属电感性元件，电流不能突变，会产生过电压，这时采用续流二极管可以很好地解决这一问不能突变，会产生过

46、电压，这时采用续流二极管可以很好地解决这一问题。题。l作为给电容器充电的电源，必须考虑电容器的耐压，考虑实际分、合闸作为给电容器充电的电源，必须考虑电容器的耐压，考虑实际分、合闸操作时控制器所需的电源电压。户内永磁机构电源多为操作时控制器所需的电源电压。户内永磁机构电源多为DC100V左右，左右，必须保证为电容器充电的电源输出电压为必须保证为电容器充电的电源输出电压为DC100V。开关电源在设计电。开关电源在设计电源方案时考虑了电源行业标准，除体积小、效率高、稳压范围宽、稳压源方案时考虑了电源行业标准，除体积小、效率高、稳压范围宽、稳压精度高、纹波小等优点，在动态负载特性和电磁兼容性两方面更具

47、有特精度高、纹波小等优点，在动态负载特性和电磁兼容性两方面更具有特色和优势。色和优势。l控制器由可编程元件控制器由可编程元件FPGA组成，可以说组成，可以说FPGA是整个控制部分的灵魂。是整个控制部分的灵魂。通过设定的预置程序，我们实现储能电容充电恒压，过充电截压保护，通过设定的预置程序，我们实现储能电容充电恒压，过充电截压保护，就地合分闸和远方合分闸，合分闸遥信输出，与电力系统自动综合保护就地合分闸和远方合分闸，合分闸遥信输出，与电力系统自动综合保护联合实施各种保护合闸和重合闸操作等功能。因此，户内永磁机构的电联合实施各种保护合闸和重合闸操作等功能。因此，户内永磁机构的电源最经济、最安全、最

48、可靠的方法是采用开关电源为电容器充电，而后源最经济、最安全、最可靠的方法是采用开关电源为电容器充电，而后采用电容器放电的方式。采用电容器放电的方式。控制器测控单元的设计与分、合闸状控制器测控单元的设计与分、合闸状态的检测态的检测l中压断路器智能化测控单元通过检测母线电压、回路电流、功率、功率因数、有功、中压断路器智能化测控单元通过检测母线电压、回路电流、功率、功率因数、有功、无功电度、电网频率，完成过载、短路、相不平衡、漏电、过压、欠压、电机启动无功电度、电网频率，完成过载、短路、相不平衡、漏电、过压、欠压、电机启动等保护，提供过载和单相接地报警，可对断路器进行就地和远方控制。等保护，提供过载

49、和单相接地报警，可对断路器进行就地和远方控制。测控单元硬件结构框图测控单元硬件结构框图测控单元硬件组成：如右图所示，包括：测控单元硬件组成：如右图所示，包括：1、微处理器工作系统，对采集到的信息进行分析、微处理器工作系统，对采集到的信息进行分析处理，并和上位机通讯，实现信息交换。对主处理，并和上位机通讯，实现信息交换。对主控单元的基本要求是运行可靠、抗干扰能力强控单元的基本要求是运行可靠、抗干扰能力强和具有数据掉电保护功能。和具有数据掉电保护功能。 2、模拟量输入部分：它是将各种模拟量进行预处、模拟量输入部分：它是将各种模拟量进行预处理，使之成为能被理，使之成为能被A/D转换器接受的信号，完转

50、换器接受的信号，完成对断路器状态的检测和各种故障信号的实时成对断路器状态的检测和各种故障信号的实时采集。采集。3、人机接口单元：该单元负责完成向系统输入保、人机接口单元：该单元负责完成向系统输入保护设定值、分合闸命令等，并通过显示屏反映护设定值、分合闸命令等，并通过显示屏反映系统运行状态。系统运行状态。4、LCD信息显示部分和通信单元。信息显示部分和通信单元。控制器测控单元的设计与分、合控制器测控单元的设计与分、合闸状态的检测闸状态的检测测控单元的软件设计测控单元的软件设计l对实时性和可靠性的要求比较高。对实时性和可靠性的要求比较高。l为了更好地实现测控单元的各种功能，测控单元的软为了更好地实

51、现测控单元的各种功能，测控单元的软件必须采用多任务不同优先级控制的设计思想。件必须采用多任务不同优先级控制的设计思想。l该设计思想的核心是将测量、保护、显示等子功能划该设计思想的核心是将测量、保护、显示等子功能划分成优先级不同的任务，并按任务优先级的不同来决分成优先级不同的任务，并按任务优先级的不同来决定执行任务的次序。定执行任务的次序。l根据单元的功能可以划分以下几个任务：（根据单元的功能可以划分以下几个任务：（1）A/D采采样；（样；（2）串行口通讯；（）串行口通讯；（3）保护；（）保护；（4）计量；（）计量；（5）通讯数据准备；（通讯数据准备；（6）键盘响应；（）键盘响应；（7）液晶显示

52、；（）液晶显示；（8）开关量读入等，在前的任务优先级高。开关量读入等，在前的任务优先级高。控制器测控单元的设计与分、合控制器测控单元的设计与分、合闸状态的检测闸状态的检测断路器分、合闸状态的检测断路器分、合闸状态的检测l永磁机构断路器必须保证可靠地处于分、合闸位置，决不允许出现中间永磁机构断路器必须保证可靠地处于分、合闸位置，决不允许出现中间状态等故障位置，一旦出现故障位置，应及时报警。同时，永磁机构在状态等故障位置，一旦出现故障位置，应及时报警。同时，永磁机构在铁心运动到分、合闸位置后，为避免热损耗及电源损耗，应及时断电。铁心运动到分、合闸位置后，为避免热损耗及电源损耗，应及时断电。这就需要

53、对断路器的分、合闸状态进行检测。这就需要对断路器的分、合闸状态进行检测。l如果用传统的有触点辅助开关，则由于污染、触头氧化，经常会使触头如果用传统的有触点辅助开关，则由于污染、触头氧化，经常会使触头接触不良，甚至失效。因此，应使用电子开关和非接触式传感器来取代接触不良，甚至失效。因此，应使用电子开关和非接触式传感器来取代传统的辅助开关。传统的辅助开关。l当接受到来自手动、自动控制模块的分、合闸命令时，送至当接受到来自手动、自动控制模块的分、合闸命令时，送至CPU，则逻，则逻辑控制器会根据分、合闸位置采样模块发出的高、地电平，自动检测断辑控制器会根据分、合闸位置采样模块发出的高、地电平，自动检测断路器所处位置，以决定是否执行分、合闸指令。若分、合闸指令同时收路器所处位置，以决定是否执行分、合闸指令。若分、合闸指令同时收到，则到，则CPU会通过逻辑控制器及时闭锁合闸命令而响应分闸指令；若电会通过逻辑控制器及时闭锁合闸命令而响应分闸指令；若电网一次侧电源监测回路监测到过电流或过电压、欠电压信号，网一次侧电源监测回路监测到过电流或过电压、欠