增強型三線圈電磁斥力機構的運動特性分析

趙智忠， 關孟鑫， 陳海， 劉陽

(1．河北工業大學省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室， 天津 300401； 2．河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室， 天津 300401； 3. 河北省現代電工裝備可靠性與智能化國際聯合研究中心， 天津 300401)

隨著張北±500 kV柔性直流輸電示范工程的建成投運以及大規模分布式清潔能源的并網發電推動了中國直流輸電網絡的進一步發展。對于高壓直流輸電網絡，其固有特點為故障電流的上升速度極快且峰值高，因此高壓直流斷路器必須具有剛分速度大，分斷時間短和分斷容量大的優點[1-5]。電磁斥力機構作為高壓直流斷路器實現快速分斷的關鍵操動機構之一，已成為中外的研究熱點[6-10]。

電磁斥力機構主要分為兩類[11-14]：雙線圈式和線盤式。對于兩種斥力機構，現有文獻研究表明：機構2 ms內行程一般均小于15 mm。文獻[15]對電磁斥力機構的模型進行了簡化，研制了40.5 kV開關樣機驗證，實現了2 ms內13 mm行程，并得出參數匹配規律。但其未對雙線圈式斥力機構進行研究。文獻[16]采用有限元方法分析了雙線圈模型的不同參數對開關運動特性的影響規律，結果顯示2 ms內可完成3 mm行程。文獻[17]設計出小型客車用500 V/350 A等級下的電磁斥力機構，實現了 2 ms內10 mm行程。文獻[18] 針對低壓領域，設計了雙線圈渦流斥力機構并提出一種基于粒子群多參數綜合優化算法的電器快速動作機構優化設計方案，最終實現1.6 ms內10 mm行程。文獻[19] 提出一種定量化設計電磁斥力機構的方法，最終實現2 ms內12 mm行程，但未對機構的運動特性進行研究分析。文獻[20] 運用場路耦合方法建立電磁斥力機構模型，并采用神經網絡算法進行優化設計，最終實現2 ms內11.5 mm行程。但其運動特性還有進一步優化空間。文獻[21]在40.5 kV機械開關樣機中開展結構參數優化運動特性對比試驗，實現2 ms內13.5 mm行程。但其缺少電路參數的研究分析。

至于三線圈模型，是在雙線圈模型上改進而來。文獻[22]在雙線圈模型基礎上進行改進，建立了三線圈電磁斥力機構的有限元模型，采用粒子群優化算法對快速機械開關的線圈型電磁斥力機構進行優化設計，最終實現2 ms內13.6 mm行程。不僅提高了斥力機構的運動速度，同時實現雙向電磁斥力驅動。

文獻[23]引入鯨魚算法對斷路器觸頭的數學模型進行優化，實現了斷路器小型化的目標，但沒有對斷路器分合閘性能進行優化改進。文獻[24]提出一種固態斷路器拓撲結構，其在經濟性方面有所改善，但未對斥力機構的可靠性和運動特性進行分析。文獻[25]分析了混合式斷路器在地震情況下的機械強度和動力學特性，驗證了其滿足抗震要求，但沒有驗證斥力機構的開斷性能是否滿足要求。

因此，為進一步研究斷路器的開斷性能、改善機構的運動特性、縮短機構的行程時間、提高剛分速度，進一步提高電磁斥力機構所適應的電壓等級，現提出一種增強型三線圈電磁斥力機構模型，在三線圈模型的基礎上進一步改進：研究在分閘過程中如何合理利用合閘線圈。在分閘過程中，控制合閘線圈通電，并使電流方向與運動線圈電流方向相同，以此增加電磁吸力作為驅動力，進一步提高斥力機構的斥力峰值，達到縮短行程時間的目的。利用有限元分析軟件建立二維對稱模型，仿真計算不同線圈結構參數、驅動電路參數和合閘線圈介入時刻對電磁斥力機構的運動特性影響，得出各參數的影響規律。

1 增強型三線圈電磁斥力機構工作原理

圖1所示為增強型三線圈電磁斥力機構結構示意圖。主要由動靜觸頭、真空滅弧室、機械連桿、分閘線圈、運動線圈、合閘線圈、緩沖保持裝置等組成。其中分閘線圈繞制方向為逆時針，運動線圈繞制方向為順時針，合閘線圈繞制方向為順時針，即運動線圈與分閘線圈繞制方向相反，與合閘線圈繞制方向相同。表1所示為斥力機構的相關參數。其中，3個線圈的結構參數與驅動電路參數均相同。圖2所示為分閘線圈的驅動電路。

圖1 三線圈電磁斥力機構結構示意圖Fig.1 Structural diagram of three coil electromagnetic repulsion mechanism

表1 斥力機構相關參數Table 1 Relevant parameters of repulsion mechanism

C1為驅動電容；D1為續流二極管；SW1為壓控開關；R1為線路等 效電阻；L1為線路等效電感；Lwing_opening為分閘線圈圖2 分閘線圈驅動電路Fig.2 Opening coil driving circuit

其中D1作用為延長電容的放電時間，以此來提高機構運動速度。合閘線圈與運動線圈的驅動電路與其類似，僅僅替換繞組。

增強型三線圈電磁斥力機構的工作原理為：當分閘時，SW1、SW2、SW3同時打開，三線圈的驅動電路同時放電。分閘線圈與運動線圈通入的電流方向相反，根據楞次定律與電磁感應定律可知，運動線圈會受到方向垂直向下的電磁斥力。同理，合閘線圈與運動線圈通入的電流方向相同，則運動線圈受到方向垂直向下的電磁吸力。運動線圈運動從而帶動連桿以及動觸頭運動達到分閘的效果。對比現有雙線圈電磁斥力機構模型，運動線圈疊加了一個電磁吸力的作用，從而提高了剛分速度。

2 增強型三線圈的仿真模型與數學分析

2.1 仿真模型

本文提出的增強型三線圈電磁斥力機構，具有軸對稱的特點，據此在ANSYS中建立二維瞬態場軸對稱模型，并分析了不同參數對斥力機構的運動特性影響。表2為仿真模型相關參數，圖3為仿真模型圖。

圖3 二維仿真模型Fig.3 Two dimensional simulation model

表2 材料物性參數Table 2 Material physical parameters

2.2 數學分析

斥力機構的運動過程涉及運動學方程、瞬態電磁場方程以及線圈外部驅動電路方程進行耦合求解，為分析其運動特性，逐一列寫分析相關方程。

2.2.1 電磁場數學模型

電磁斥力機構滿足麥克斯韋電磁方程組，其中相關的方程[26]為

(1)

媒質的本構關系式為

(2)

2.2.2 運動學數學模型

在ANSYS有限元分析軟件中，利用虛功法計算電磁力相比直接用洛倫磁力代替電磁力更為精準。電磁斥力機構滿足運動學的相關方程為[6]。

(3)

式(3)中：G為機構運動部分的重力；Fa為空氣阻力；a為機構的運動加速度；V為運動線圈體積；m為機構運動部分質量；w為線圈總儲能電容的能量；s為機構位移；c空氣阻力系數；ρ為空氣密度；s0為運動線圈迎風面積；v0為機構運動速度；F1為分閘線圈對運動線圈的電磁斥力；F2為合閘線圈對運動線圈的電磁吸力。

2.2.3 電路數學模型

三線圈電磁斥力機構等效電路模型如圖4所示。

圖4 三線圈斥力機構等效電路模型Fig.4 Equivalent circuit model of three coil repulsion mechanism

當預充電電容放電后，3個線圈之間相互耦合，以此產生電磁力驅動斥力機構運動。

根據等效電路模型列出相關方程[22]為

(4)

式(4)中：ia為分閘線圈電流；ib為運動線圈電流；ic為合閘線圈電流；L1為分閘線圈電路中的雜散電感；L2為運動線圈電路中的雜散電感；L3為合閘線圈電路中的雜散電感；Ra為分閘線圈的電阻；Rb為運動線圈的電阻；Rc為合閘線圈的電阻；uc1為電容C1的電壓；uc2為電容C2的電壓；uc3為電容C3的電壓；La為分閘線圈的自感；Lb為運動線圈的自感；Lc為合閘線圈的自感；M1為分閘線圈與運動線圈的互感；M2為合閘線圈與運動線圈的互感；M3為分閘線圈與和合閘線圈的互感；F為運動線圈所受電磁力。

3 不同參數對斥力機構運動特性的影響

利用ANSYS軟件，針對三線圈電磁斥力機構的電參數、結構參數和分閘電流投入時間，進行了仿真試驗，分析了不同參數對斥力機構運動特性的影響。同時，對比分析增強型三線圈電磁斥力機構和雙線圈電磁斥力機構的運動性能，其結果顯示同等條件下，三線圈運動特性更優并且剛分速度更高，可在2 ms內完成25 mm行程。

3.1 驅動電路電容的容值對運動特性的影響

3.1.1 運動線圈電容的容值對運動特性的影響

分析圖5和圖6可知：增大運動線圈容值，能夠提升斥力機構平均運動速度，縮短總行程時間，斥力峰值與電流峰值也隨之增加，斥力機構的運動性能得到提升，但對于雙線圈來講性能提升存在極值，選取8 mF或者7 mF更具有經濟性。

圖5 取不同運動線圈電容容值時三線圈模型的各參數曲線Fig.5 Parameter curves of three coil model when taking different capacitance values of moving coils

圖6 取不同運動線圈電容容值時雙線圈模型的各參數曲線Fig.6 Parameter curves of double coil model when taking different capacitance values of moving coils

對比分析兩種模型，電容容值每增加1 mF，三線圈模型的速度增加幅度和行程時間縮短幅度均高于雙線圈模型。對于三線圈模型，運動線圈的上方與分閘線圈電磁耦合產生電磁斥力，下方與合閘線圈電磁耦合產生電磁吸力，電磁場能量得到更充分的利用，而雙線圈模型中僅有運動線圈與分閘線圈耦合。因此對于三線圈模型，改變其電容容值對運動性能提升效果相比雙線圈更為顯著，運動線圈電容能量的利用效率也高。

3.1.2 分閘線圈電容的容值對運動特性的影響

分析圖7和圖8可知：增大分閘線圈電容容值，可以增大線圈電流峰值從而增大電磁斥力峰值與作用時間，縮短總行程時間，提升斥力機構的運動性能。對比兩種模型，增強型三線圈電磁斥力機構的運動性能更佳，且改變分閘線圈電容容值對兩種模型的性能提升均存在極值，綜合考慮經濟性，一般應選擇8 mF或者7 mF。

同時，在同參數同模型條件下，提升運動線圈容值比提升分閘線圈容值對斥力機構的性能提升更佳，其行程時間可縮短2%～5%。

3.1.3 合閘線圈電容的容值對運動特性的影響

由于雙線圈模型中僅有一個固定線圈和一個運動線圈，因此雙線圈模型沒有此“合閘線圈”，所以僅分析三線圈模型。

分析表3和圖9可知：增加合閘線圈電容不能提升機構的運動性能，縮短行程時間，但卻由于渦流效應影響運動線圈中的電流方向，從而產生反向斥力，進而達到一定的緩沖效果。因此，對于選擇改變電容容值來提高斥力機構的運動性能，改變運動線圈電容容值是最佳選擇，且存在極值，可根據經濟性原則選擇合適容值。

表3 取不同合閘線圈電容容值時三線圈模型的 各參數結果Table 3 Parameter results of three coil model when taking different capacitance values of closing coils

3.2 驅動電路電容電壓對運動特性的影響

3.2.1 運動線圈電容的電壓對運動特性的影響

分析圖10和圖11可知：增大運動線圈的電容電壓Uc，運動線圈中的電流峰值也隨之提升，可以有效提高斥力機構的速度峰值和斥力峰值，縮短總行程時間，進而提升機構運動性能，優化機構的運動特性，提升機構的剛分速度。

圖7 取不同分閘線圈電容容值時三線圈模型的各參數曲線Fig.7 Parameter curves of three coil model when taking different capacitance values of opening coils

圖8 取不同分閘線圈電容容值時雙線圈模型的各參數曲線Fig.8 Parameter curves of double coil model when taking different capacitance values of opening coils

圖9 取不同合閘線圈電容容值時三線圈模型的 各參數曲線Fig.9 Parameter curves of three coil model when taking different capacitance values of closing coils

隨著電容電壓提高，電容體積會逐漸增大。電流峰值提升也會增大線圈的發熱量，對線圈通流能力提出更高要求。綜合考慮電容體積、經濟性原則以及線圈通流能力，在工程中應選擇合適的電容電壓以滿足要求。

對比分析兩種模型，在相同電容電壓參數條件下，三線圈模型的總行程時間比雙線圈模型的總行程時間縮短5%～10%。

3.2.2 分閘線圈電容的電壓對運動特性的影響

分析圖12、圖13及表4可知：增大分閘線圈的電容電壓，可以有效提高斥力機構的運動性能，縮短行程時間。對比兩種模型，同電壓參數下，三線圈模型的行程時間縮短5%～8%。同模型同參數條件下，改變運動線圈電容電壓比改變分閘線圈電容電壓行程時間縮短約5%。

圖10 取不同運動線圈電容電壓時三線圈模型 各參數曲線Fig.10 Parameter curves of three coil model when taking different voltage values of moving coils

3.2.3 合閘線圈電容的電壓對運動特性的影響

對于雙線圈模型，不存在合閘線圈，因此僅僅討論三線圈模型。分析表5和圖14可知：增大合閘線圈電容電壓幾乎不影響行程時間和運動特性，且由于渦流效應產生一定的緩沖效果。因此，選擇改變運動線圈的電壓是改變驅動電路電容電壓的最佳選擇。同時，三線圈模型相比雙線圈模型的機構運動性能提升效果更為顯著。

圖11 取不同運動線圈電容電壓時雙線圈模型 各參數曲線Fig.11 Parameter curves of double coil model when taking different voltage values of moving coils

圖12 取不同分閘線圈電容電壓時三線圈模型各參數曲線Fig.12 Parameter curves of three coil model when taking different voltage values of opening coils

表4 取不同分閘線圈電容電壓時兩種模型各參數結果Table 4 Parameter results of the two models when taking different voltage values of opening coils

圖13 取不同分閘線圈電容電壓時雙線圈模型 各參數曲線Fig.13 Parameter curves of double coil model when taking different voltage values of opening coils

表5 取不同合閘線圈電容電壓時三線圈模型各參數結果Table 5 Parameter results of three coil model when taking different voltage values of closing coils

3.3 合閘線圈不同放電時刻對運動特性的影響

分析表6和圖15可知：為延長運動線圈電流放電時間，防止運動線圈電流過早由于渦流效應影響而反向，運動線圈電容選取10 mF。對于三線圈模型，延后合閘線圈的放電時刻，會增加行程時間，減小末端速度，不利于改善機構的運動性能，因此選擇合閘線圈從初始0時刻放電效果最佳。

圖14 取不同合閘電容電壓時三線圈模型各參數曲線Fig.14 Parameter curves of three coil model when taking different voltage values of closing coils

表6 合閘線圈不同放電時刻下三線圈模型各參數結果Table 6 Parameter results of three coil model under different discharge times of closing coil

3.4 線圈結構參數對運動特性的影響

3.4.1 線圈匝數對運動特性的影響

分析表7、圖16和圖17可知：增加匝數可以提高機構運動速度，縮短行程時間，改善運動性能，但同時考慮質量的增加會產生減速效果，匝數為29～31時，二者存在較好的平衡。因此，在工程應用中應選擇合適的匝數，使得斥力機構達到良好的運動性能。

圖15 合閘線圈不同放電時刻下三線圈模型各參數曲線Fig.15 Parameter curves of three coil model under different discharge times of closing coil

表7 取不同線圈匝數時兩種模型的各參數結果Table 7 Parameter results of the two models with different coil turns

圖16 取不同線圈匝數時雙線圈模型的參數曲線Fig.16 Parameter curves of double coil model with different coil turns

圖17 取不同線圈匝數時三線圈模型的各參數曲線Fig.17 Parameter curves of three coil model with different coil turns

3.4.2 線圈截面寬度對運動特性的影響

分析表8、圖18和圖19可知：增加線寬可以增加電流峰值和通流能力，從而使得機構獲得更好的運動性能，同時需要考慮質量的增加所引起的負面效果，考慮應力與機械強度問題，質量不可過小或過大。因此，在工程應用中需要考慮選擇合適的線寬。同時，三線圈模型相比雙線圈模型機構運動性能更優。

表8 取不同線圈截面寬度時兩種模型的各參數結果Table 8 Parameter results of the two models with different coil section widths

圖18 取不同線圈截面寬度時雙線圈模型的 參數曲線Fig.18 Parameter curves of double coil model with different coil section widths

3.4.3 線圈截面高度對運動特性的影響

分析表9、圖20和圖21可知：增加線高可以減小線圈的電阻從而增加通流能力，繼而增大電流峰值。但同時會減弱兩線圈之間的電磁耦合，斥力峰值逐漸減小，線高過高也會造成電流過大引起絕緣問題。為使得機構獲得最佳的運動性能，在應用實踐中應選擇適當線高，從而使得機構獲得最佳運動性能。同時，三線圈模型相比雙線圈模型機構運動性能更佳。

圖19 取不同線圈截面寬度時三線圈模型的各參數曲線Fig.19 Parameter curves of three coil model with different coil section widths

表9 取不同線圈截面高度時兩種模型的各參數結果Table 9 Parameter results of the two models with different coil section heights

3.4.4 線圈截面間隙對運動特性的影響

分析表10和圖22可知：減小線圈間隙可以縮短行程時間改善機構的運動特性，但由于制造工藝限制以及考慮每匝線圈之間絕緣問題，間隙不可過小，實際工程應用應綜合考慮，從而達到最佳的效果。

圖20 取不同線圈截面高度時三線圈模型的 各參數曲線Fig.20 Parameter curves of three coil model with different coil section heights

表10 取不同線圈間隙時兩種模型的各參數結果Table 10 Parameter results of the two models with different coil clearances

圖21 取不同線圈截面高度時雙線圈模型的 各參數曲線Fig.21 Parameter curves of double coil model with different coil section heights

4 結論

(1) 增加驅動電路的電容容值和電壓，可以縮短總行程時間，提升斥力機構運動的剛分速度，3個線圈中選擇增加運動線圈容值和電壓效果最佳，可以最大化利用電容的能量。同時，考慮經濟性原則、電容體積、線圈通流能力和絕緣問題，不可以無限增大容值，應選擇合適的電容容值和電壓。

(2)延緩合閘線圈介入時刻，會削弱斥力機構的運動性能，延長總行程時間。因此，合閘線圈選擇從0時刻開始放電為最佳。

圖22 取不同線圈間隙時不同線圈模型的參數曲線Fig.22 Parameter curves of different coil model with different coil clearances

(3)改變線圈匝數和寬度時，機構的總行程時間存在最小值，減小線圈截面高度和間隙，耦合效果增加，運動特性更優?？紤]線圈的絕緣問題和斥力機構的結構強度，以及間隙過小會導致電阻過大，發熱嚴重，應用中應結合實際選擇合適的結構參數。

(4)三線圈模型對比雙線圈模型，在同等參數下具有更高的剛分速度和更優的運動特性。在對三線圈電磁斥力機構進行參數設計時，應綜合考慮機構的機械強度、線圈通流能力以及經濟性，從而實現最優設計。

(5)未來應考慮在此模型基礎上進行溫度、應力和結構強度耦合分析，提升模型的準確性和精確性，同時結合緩沖裝置研制樣機進行試驗驗證。