基于雙穩態永磁操作機構的不同結構的電磁吸力分析

李衛國　趙智忠

摘 要：為了保證斷路器長期的動作可靠性，也為了滿足低壓真空斷路器滅弧室的性能要求，本文提出四種常見的不同結構形式的雙穩態永磁操動機構，通過對雙穩態永磁操作機構原理的分析以及利用真空滅弧室參數的要求進行理論計算最終得出操作機構的一些參數，最后利用軟件ansoft對永磁體實體模型的磁場進行有限元分析，通過對比不同大小電流下的電磁吸力從而進行優化設計并最終確定一種結構，并且說明這種結構的合理性、可行性。

關鍵詞：低壓真空斷路器；雙穩態永磁操作機構；真空滅弧室參數；實體模型；有限元分析

中圖分類號：TM153 文獻標識碼：A

1 引言

低壓斷路器廣泛應用于低壓配電路中，它不僅擔負著反復地接通與斷開低壓配電電路，而且當電路發生過載、短路等故障時可以立刻動作，斷開電路。

近年來，隨著技術的發展一些基于真空滅弧室的低壓斷路器相繼出現，但其操動機構基本上是傳統的彈簧或電磁操動機構。由于在低壓電器中80%的故障都是機械故障。而彈簧操動機構則是靠機械傳動，零部件數量多，傳動結構復雜，發生故障的概率很高，所以減少機械部件成為減少故障問題的主要方法。

永磁操動機構作為一種新型真空斷路器的操作機構，零部件少，運動部件只有一個動鐵心，所以大大降低了故障源，幾乎不存在可靠性的問題、免維護，而且它的出力特性與反力特性配合良好，已經普遍應用于中、高壓領域。本文設計一種配合低壓真空滅弧室的雙穩態永磁操動機構。對幾種不同結構的雙穩態永磁操動機構的電磁吸力特性進行分析。

2 設計模型

2.1 四種不同的結構設計

對電壓等級不同的真空斷路器，由于所帶負載、傳動機構的不同，動鐵心受永磁體的力也不相同，機構的分、合閘動作的時間（分合閘時間）、速度（分合閘速度）也不相同，因此永磁操動機構的結構形式、性能參數也不相同。所以，不同的斷路器，根據情況的不同需配備不同結構形式的永磁操動機構。在設計結構前，首先應該對結構、參數和能耗進行分析計算，使其均達到目標要求。由此本文提出了結構形式不同的四種雙穩態永磁操作機構：（a）永磁體緊靠動鐵心，（b）永磁體緊靠動鐵心，但由于在氣隙下面加了極靴，因此整個動鐵心的長度減小，但是動鐵心的行程與（a）保持相同，（c）永磁體緊靠靜鐵心，（d）永磁體占滿整個磁軛部分。

2.2 雙穩態永磁操動機構工作原理

雖然結構各不相同，但工作原理卻一致，以（a）為例說明。

假設開始時斷路器位于合閘的狀態，那么動鐵心處于操動機構的頂部。所以機構上端空氣隙小磁阻小，下端空氣隙大磁阻大，因此由永磁體所產生的磁力線絕大部分都通過上部磁路，將動鐵心吸合在合閘位置。

當對斷路器進行分閘操作時，只需在分閘線圈中通過大小適當的電流，而這一電流產生的磁力線和靜鐵心上部的磁力線方向完全相反，起到抵消的作用。但是分閘線圈在中部產生的磁力線方向與永磁體在中部產生的磁力線方向卻一致。因此動鐵心受到的向上的電磁吸力逐漸減小，當分閘線圈中的電流增大到一定程度時，動鐵心所受到的電磁吸力之和大于動鐵心上的負載，此時動鐵心將會向下運動。

當動鐵心開始向下運動時，其機構頂端與靜鐵心的上面的磁極之間的空氣隙會越來越大，進而使上面的磁阻逐步增大，而下面的磁阻則會慢慢變小。并且向下運動的過程中伴有電流的增大，使動鐵心受的向下的合力增大，進而使得整個動鐵芯加速向下運動。當動鐵芯到達底部會被永磁體所吸合，此時即使斷開分閘線圈中的電流，動鐵心依舊會維持在機構的底部即分閘狀態。

合閘過程與分閘過程完全相似；這里不再敘述。

3 理論分析及計算

以上的公式說明任何磁場都可當作由分布電流產生，根據經驗永磁體有以下兩種電流模擬的方法：

（1）永磁體整個區域內部充滿電流的模型（體電流模型）。

（2）永磁體外部邊界上存在的電流的模型（面電流模型）。

4 仿真及優化設計

永磁操動機構的分、合閘操作以及位置維持依賴于機構內部的磁場變化來實現，所以對機構中的磁場變化進行研究具有重要意義。根據經驗和實際理論計算出的尺寸進行實體建模并做如下仿真。

（1）未通電情況下，永磁體單獨作用的磁通分布可以說明其工作原理。由于下面的磁路的空氣隙使磁阻很大，所以此時磁通幾乎都通過上面的磁路。

（2）當接收到分閘命令后，分閘線圈中開始通電，線圈產生的磁場使動鐵心下面的磁場變強。隨著電流的不斷增強，動鐵心受線圈產生向下的吸力變大，此力與永磁體產生的電磁吸力相反。使動鐵心受到的向上電磁吸力越來越小。

（3）通過對不同電流等級的磁力線分布獲得不同結構下的電磁力之和，通過分析結果進而做出優化選擇。由于優化是又一個深入的課題，再次就不加以論述。

結論

根據以上實驗數據，可以得出：

（1）當分、合閘線圈中通入的電流為零時，動鐵心受到的吸力與其體積成正比。

（2）（a）結構線圈作用在動鐵心上的力是最先克服永磁吸力向下運動的，而（b）、（c）、（d）結構的線圈需要通入很大的電流才能使動鐵心開始動作。

由此可知，在設計永磁機構時，選擇方向的不同，會使設計的結構也不同。如果從節能方面考慮，（a）結構更加合適，原因是和另外三種結構相比（a）中線圈通入的電流很小時動鐵芯就開始動作；若從結構小型化來設計，（d）更好，因為在操作設備體積相同的時候，（d）結構提供的永磁吸力是最大的。盡管（c）結構耗能大，但是也有它自己的優點，比如如果通入的電流很大時它所產生的永磁吸力也很大，所以（c）結構更適合電壓相對較高的真空斷路器。

綜合考慮低壓真空斷路器滅弧室的性能要求（動作快，精度高），所以在設計操動機構時，（a）更合理、可行。

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