三穩態永磁操動機構原理與應用

閔 偉，黃志軍，李建兵，史政凱，郭國領

(天津平高智能電氣有限公司，天津300300)

0 引 言

三工位隔離－接地開關［1－3］、液壓閥、自動轉換開關電器(ATSE)［4－5］等設備都有三個工作位置，需要相應的三工位操動機構［6］來操動。現有三工位隔離－接地開關和液壓閥的三工位操動機構主要采用電磁鐵與彈簧操動機構，通過機械和電氣的互鎖裝置的方式實現三個工作位置的切換。現有的三工位ATSE 內部則通常配有兩套操動機構，也是通過機械和電氣的互鎖裝置實現雙電源的可靠轉換。上述這些基于彈簧操動機構［7］的三工位操動機構都存在結構復雜、體積大、可靠性不高的問題。

與帶互鎖裝置的彈簧操動機構相比，永磁操動機構［8］的運動部件少，結構簡單;采用永磁力作為保持力，無需機械脫扣和鎖扣裝置，零件總數大大減少，提高了系統可靠性。此外，采用永磁操動機構的斷路器還能夠實現電壓過零時合閘、電流過零時分閘的選相合、分閘操作，為斷路器的智能化奠定了基礎。因此，永磁操動機構成為目前學術界和工業界的研究熱點［9－21］。

但是現有的永磁操動機構只有兩個穩態的工作位置，無法直接用于操動三工位開關。為了解決這一問題，沈陽工業大學提出了一種三穩態差動式永磁操動機構［22］。該機構通過在現有雙穩態永磁操動機構的兩端加裝彈簧來實現第三個穩態位置，結構簡單，可控性好，但是該機構其它兩個位置的保持力需要額外克服彈簧的拉力，這將增加永磁材料的用量，提高了成本。中國西電電氣股份有限公司則提出了一種三工位雙穩態永磁機構［23］。這種三工位雙穩態永磁機構將兩個雙穩態永磁機構疊加起來，實現了三個工作位置的切換，但這種永磁操動機構需要兩組永磁體，成本高，結構也比較復雜。

為了簡化三工位隔離－接地開關、自動轉換開關電器、液壓閥等設備的結構，提高其可靠性，本文將永磁開關磁通直線電機［24－26］的齒槽結構與現有永磁操動機構相結合，提出了一種三穩態永磁操動機構，并分析了其工作原理，通過有限元仿真，計算其靜態磁場分布。該三穩態永磁無須彈簧或凸輪等其他機械結構，僅僅通過磁路的閉合就能將動鐵心穩定在三個位置上，無需脫扣、鎖扣裝置即可實現三工位隔離－接地開關、自動轉換開關電器、液壓閥等設備在其三個工作位置的切換，并實現最終位置的保持功能，而且所需永磁材料的量與現有的雙穩態永磁操動機構相同，降低了成本。

1 三穩態永磁操動機構的基本結構

本文提出的三穩態永磁操動機構的基本結構如圖1 所示。這種三穩態永磁操動機構的外形為圓柱形，圖1 給出了過圓柱中軸線的剖面圖。

圖1 三穩態永磁操動機構的結構

如圖1 所示，三穩態永磁操動機構主要由靜鐵心、動鐵心、上驅動線圈、中驅動線圈、永磁體、下驅動線圈、和驅動桿組成。動鐵心設置在該機構的中央位置。驅動桿與動鐵心固定連接，永磁體與靜鐵心固定連接。永磁體為環形，其充磁方向為從環的中心指向環外。靜鐵心和動鐵心上設有與永磁開關磁通直線電機類似的齒槽結構，通過這種齒槽結構進行導磁通路的切換，使動鐵心在a、b、c 三個不同位置能與永磁體、靜鐵心構成穩定的磁路，從而將動鐵心穩定在這三個位置上，實現操動機構的三個穩態工作位置。

在圖1 中，動鐵心處于位置b。此時，動鐵心向上移動可以到達位置a，向下移動可以到達位置c。

2 三穩態永磁操動機構的工作原理

本文采用有限元分析，計算了圖1 的三穩態永磁操動機構的磁場分布。下面結合永磁操動機構不同工作狀態的磁場分布圖，介紹該機構的具體工作原理。

不妨定義圖1 中線圈左半邊電流流出紙面或者線圈右半邊電流流入紙面時的電流方向為電流正方向。當動鐵心在圖1 所示的位置b 且所有線圈均不通電時，該機構由永磁體產生的磁場的分布圖如圖2 所示。顯然，此時動鐵心處于穩態位置，即動鐵心受到外界擾動而稍微偏離該位置時，動鐵心所受的磁力會驅動其回到該穩態位置。

圖2 動鐵心在位置b 且線圈中無電流的磁場分布

在穩態位置b 時，給下驅動線圈通入正向電流，其他線圈不通電，動鐵心便受到向下的磁力，帶動驅動桿開始向穩態位置c 運動，此時三穩態永磁操動機構的磁場分布示意圖如圖3 所示。

圖3 動鐵心在位置b 且線圈通入正向電流的磁場分布

在圖3 所示情況下，動鐵心帶動驅動桿運動到位置c，切斷所有線圈的電流，動鐵心就在永磁體提供的磁場力的作用下吸合在靜鐵心的下端，從而穩定在位置c 上，此時該機構的磁場分布示意圖如圖4 所示。顯然此位置是一個穩定的位置，而且永磁體的吸合力將提供較強的開關合閘所需的保持力。

圖4 動鐵心在位置c 且線圈中無電流的磁場分布

永磁操動機構的動鐵心在位置c 時，如果在下驅動線圈和中驅動線圈中分別通入負方向電流而上驅動線圈不通電，機構的磁場分別將如圖5 所示。此時動鐵心將在磁場力作用下從位置c 向位置b 運動，從而回到位置b。

當動鐵心和驅動桿穩定在位置b 時，向上驅動線圈通入負向電流，其他線圈不通電，動鐵心將在磁場力作用下開始從位置b 向位置a 運動，此時該機構的磁場分布示意圖將如圖6 所示。隨后，動鐵心帶動驅動桿運動到位置a，切斷所有線圈的電流，動鐵心就在永磁體提供的磁場力的作用下吸合在靜鐵心的上端，從而穩定在位置a 上，此時該機構的磁場分布示意圖如圖7 所示，顯然此位置是一個穩定的位置，而且永磁體的吸合力將提供的開關合閘所需的保持力。

圖6 動鐵心在位置b 且下驅動線圈通負向電流的磁場分布

圖7 動鐵心在位置a 且上驅動線圈無電流時的磁場分布

當動鐵心在位置a 時，如果在上驅動線圈和中驅動線圈中分別通入正向電流，機構的磁場分別將如圖8 所示，此時動鐵心將在磁場力作用下從位置a 向位置b 運動，從而回到位置b。至此，該機構完成了一個完整的工作循環。

圖8 動鐵心在a 位置且上驅動線圈和中驅動線圈通入正向電流時的磁場分布

3 動鐵心中間位置受力分析

與現有的雙穩態永磁操動機構相比，三穩態永磁操動機構的主要優勢是動鐵心具有第三個穩態位置b。下面將分析三穩態永磁操動機構所有線圈都不通電時，動鐵心在該位置附近的受力情況。

本文研究的三穩態永磁操動機構的參數模型如圖9 所示。各個參數的值列在表1 中。動鐵心與永磁體之間的氣隙設為1 mm。

圖9 三穩態永磁操動機構參數模型示意圖

表1 三穩態永磁操動機構參數

本文采用有限元法計算了永磁操動機構線圈中無電流時，其靜鐵心在如圖9 所示穩態位置附近所受的靜態磁場力。不妨設動鐵心的位置矢量mz向上為正，向下為負;動鐵心所受磁場力Fz向上為正，向下為負。此時，動鐵心偏離穩態位置(mz=0)所受磁場力的計算結果如圖10 所示。由圖10 可知，當動鐵心向上偏離穩態位置時會受到向下的磁場力;當動鐵心向下偏離穩態位置時會受到向上的磁場力;在穩態位置附近，動鐵心所受磁場力接近于零。因此，動鐵心受到外界擾動而稍微偏離該穩態位置時，動鐵心所受的磁場力會驅動其回到該穩態位置，與上述的定性分析吻合。

圖10 靜鐵心在穩態位置附近所受的磁場力

4 典型應用

為了減小三工位開關的體積，在現有兩工位真空滅弧室的基礎上，工業界出現了三工位真空滅弧室［27－28］。三穩態永磁操動機構操動這種三工位真空滅弧室的示意圖如圖11 所示。由圖11 可知，采用本文給出的三穩態永磁操動機構將極大地簡化三工位開關的結構，提高其可靠性。

圖11 三穩態永磁操動機構典型應用

5 結 語

為解決現有三工位操動機構結構復雜、可靠性不高的問題，本文提出了一種三穩態永磁操動機構，可以用于操動三工位隔離－接地開關、自動轉換開關電器、液壓閥等設備。這種三穩態永磁操動機構具有運動部件少、所用永磁材料少、結構簡單的特點，采用永磁力作為保持力，無需機械脫扣和鎖扣裝置，零件總數大大減少。

本文給出了這種三穩態永磁操動機構的基本結構，結合該機構的磁場分布圖分析了其工作原理，采用有限元法，定量計算了該操動機構的動鐵心在中間穩態位置附近所受的磁場力，證明了當動鐵心受到外界擾動而稍微偏離該穩態位置時，動鐵心所受的磁場力會驅動其回到該穩態位置。最后，本文給出了這種三穩態永磁操動機構的典型應用。

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