閔 偉，黃志軍，李建兵，史政凱，郭國(guó)領(lǐng)

(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(guān)［1－3］、液壓閥、自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器(ATSE)［4－5］等設(shè)備都有三個(gè)工作位置，需要相應(yīng)的三工位操動(dòng)機(jī)構(gòu)［6］來操動(dòng)?，F(xiàn)有三工位隔離－接地開關(guān)和液壓閥的三工位操動(dòng)機(jī)構(gòu)主要采用電磁鐵與彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過機(jī)械和電氣的互鎖裝置的方式實(shí)現(xiàn)三個(gè)工作位置的切換?，F(xiàn)有的三工位ATSE 內(nèi)部則通常配有兩套操動(dòng)機(jī)構(gòu)，也是通過機(jī)械和電氣的互鎖裝置實(shí)現(xiàn)雙電源的可靠轉(zhuǎn)換。上述這些基于彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)［7］的三工位操動(dòng)機(jī)構(gòu)都存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、可靠性不高的問題。

與帶互鎖裝置的彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)［8］的運(yùn)動(dòng)部件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;采用永磁力作為保持力，無需機(jī)械脫扣和鎖扣裝置，零件總數(shù)大大減少，提高了系統(tǒng)可靠性。此外，采用永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的斷路器還能夠?qū)崿F(xiàn)電壓過零時(shí)合閘、電流過零時(shí)分閘的選相合、分閘操作，為斷路器的智能化奠定了基礎(chǔ)。因此，永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)成為目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)［9－21］。

但是現(xiàn)有的永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)只有兩個(gè)穩(wěn)態(tài)的工作位置，無法直接用于操動(dòng)三工位開關(guān)。為了解決這一問題，沈陽工業(yè)大學(xué)提出了一種三穩(wěn)態(tài)差動(dòng)式永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)［22］。該機(jī)構(gòu)通過在現(xiàn)有雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的兩端加裝彈簧來實(shí)現(xiàn)第三個(gè)穩(wěn)態(tài)位置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可控性好，但是該機(jī)構(gòu)其它兩個(gè)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(guó)西電電氣股份有限公司則提出了一種三工位雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)［23］。這種三工位雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)將兩個(gè)雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)疊加起來，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)工作位置的切換，但這種永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)需要兩組永磁體，成本高，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。

為了簡(jiǎn)化三工位隔離－接地開關(guān)、自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器、液壓閥等設(shè)備的結(jié)構(gòu)，提高其可靠性，本文將永磁開關(guān)磁通直線電機(jī)［24－26］的齒槽結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)相結(jié)合，提出了一種三穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，并分析了其工作原理，通過有限元仿真，計(jì)算其靜態(tài)磁場(chǎng)分布。該三穩(wěn)態(tài)永磁無須彈簧或凸輪等其他機(jī)械結(jié)構(gòu)，僅僅通過磁路的閉合就能將動(dòng)鐵心穩(wěn)定在三個(gè)位置上，無需脫扣、鎖扣裝置即可實(shí)現(xiàn)三工位隔離－接地開關(guān)、自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器、液壓閥等設(shè)備在其三個(gè)工作位置的切換，并實(shí)現(xiàn)最終位置的保持功能，而且所需永磁材料的量與現(xiàn)有的雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)相同，降低了成本。

1 三穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)

本文提出的三穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。這種三穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)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(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，三穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由靜鐵心、動(dòng)鐵心、上驅(qū)動(dòng)線圈、中驅(qū)動(dòng)線圈、永磁體、下驅(qū)動(dòng)線圈、和驅(qū)動(dòng)桿組成。動(dòng)鐵心設(shè)置在該機(jī)構(gòu)的中央位置。驅(qū)動(dòng)桿與動(dòng)鐵心固定連接，永磁體與靜鐵心固定連接。永磁體為環(huán)形，其充磁方向?yàn)閺沫h(huán)的中心指向環(huán)外。靜鐵心和動(dòng)鐵心上設(shè)有與永磁開關(guān)磁通直線電機(jī)類似的齒槽結(jié)構(gòu)，通過這種齒槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行導(dǎo)磁通路的切換，使動(dòng)鐵心在a、b、c 三個(gè)不同位置能與永磁體、靜鐵心構(gòu)成穩(wěn)定的磁路，從而將動(dòng)鐵心穩(wěn)定在這三個(gè)位置上，實(shí)現(xiàn)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的三個(gè)穩(wěn)態(tài)工作位置。

在圖1 中，動(dòng)鐵心處于位置b。此時(shí)，動(dòng)鐵心向上移動(dòng)可以到達(dá)位置a，向下移動(dòng)可以到達(dá)位置c。

2 三穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理

本文采用有限元分析，計(jì)算了圖1 的三穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)分布。下面結(jié)合永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)不同工作狀態(tài)的磁場(chǎng)分布圖，介紹該機(jī)構(gòu)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(shí)的電流方向?yàn)殡娏髡较颉．?dāng)動(dòng)鐵心在圖1 所示的位置b 且所有線圈均不通電時(shí)，該機(jī)構(gòu)由永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)的分布圖如圖2 所示。顯然，此時(shí)動(dòng)鐵心處于穩(wěn)態(tài)位置，即動(dòng)鐵心受到外界擾動(dòng)而稍微偏離該位置時(shí)，動(dòng)鐵心所受的磁力會(huì)驅(qū)動(dòng)其回到該穩(wěn)態(tài)位置。

圖2 動(dòng)鐵心在位置b 且線圈中無電流的磁場(chǎng)分布

在穩(wěn)態(tài)位置b 時(shí)，給下驅(qū)動(dòng)線圈通入正向電流，其他線圈不通電，動(dòng)鐵心便受到向下的磁力，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿開始向穩(wěn)態(tài)位置c 運(yùn)動(dòng)，此時(shí)三穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)分布示意圖如圖3 所示。

圖3 動(dòng)鐵心在位置b 且線圈通入正向電流的磁場(chǎng)分布

在圖3 所示情況下，動(dòng)鐵心帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)到位置c，切斷所有線圈的電流，動(dòng)鐵心就在永磁體提供的磁場(chǎng)力的作用下吸合在靜鐵心的下端，從而穩(wěn)定在位置c 上，此時(shí)該機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)分布示意圖如圖4 所示。顯然此位置是一個(gè)穩(wěn)定的位置，而且永磁體的吸合力將提供較強(qiáng)的開關(guān)合閘所需的保持力。

圖4 動(dòng)鐵心在位置c 且線圈中無電流的磁場(chǎng)分布

永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)鐵心在位置c 時(shí)，如果在下驅(qū)動(dòng)線圈和中驅(qū)動(dòng)線圈中分別通入負(fù)方向電流而上驅(qū)動(dòng)線圈不通電，機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)分別將如圖5 所示。此時(shí)動(dòng)鐵心將在磁場(chǎng)力作用下從位置c 向位置b 運(yùn)動(dòng)，從而回到位置b。

當(dāng)動(dòng)鐵心和驅(qū)動(dòng)桿穩(wěn)定在位置b 時(shí)，向上驅(qū)動(dòng)線圈通入負(fù)向電流，其他線圈不通電，動(dòng)鐵心將在磁場(chǎng)力作用下開始從位置b 向位置a 運(yùn)動(dòng)，此時(shí)該機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)分布示意圖將如圖6 所示。隨后，動(dòng)鐵心帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)到位置a，切斷所有線圈的電流，動(dòng)鐵心就在永磁體提供的磁場(chǎng)力的作用下吸合在靜鐵心的上端，從而穩(wěn)定在位置a 上，此時(shí)該機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)分布示意圖如圖7 所示，顯然此位置是一個(gè)穩(wěn)定的位置，而且永磁體的吸合力將提供的開關(guān)合閘所需的保持力。

圖6 動(dòng)鐵心在位置b 且下驅(qū)動(dòng)線圈通負(fù)向電流的磁場(chǎng)分布

圖7 動(dòng)鐵心在位置a 且上驅(qū)動(dòng)線圈無電流時(shí)的磁場(chǎng)分布

當(dāng)動(dòng)鐵心在位置a 時(shí)，如果在上驅(qū)動(dòng)線圈和中驅(qū)動(dòng)線圈中分別通入正向電流，機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)分別將如圖8 所示，此時(shí)動(dòng)鐵心將在磁場(chǎng)力作用下從位置a 向位置b 運(yùn)動(dòng)，從而回到位置b。至此，該機(jī)構(gòu)完成了一個(gè)完整的工作循環(huán)。

圖8 動(dòng)鐵心在a 位置且上驅(qū)動(dòng)線圈和中驅(qū)動(dòng)線圈通入正向電流時(shí)的磁場(chǎng)分布

3 動(dòng)鐵心中間位置受力分析

與現(xiàn)有的雙穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，三穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要優(yōu)勢(shì)是動(dòng)鐵心具有第三個(gè)穩(wěn)態(tài)位置b。下面將分析三穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)所有線圈都不通電時(shí)，動(dòng)鐵心在該位置附近的受力情況。

本文研究的三穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)模型如圖9 所示。各個(gè)參數(shù)的值列在表1 中。動(dòng)鐵心與永磁體之間的氣隙設(shè)為1 mm。

圖9 三穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)模型示意圖

表1 三穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)

本文采用有限元法計(jì)算了永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)線圈中無電流時(shí)，其靜鐵心在如圖9 所示穩(wěn)態(tài)位置附近所受的靜態(tài)磁場(chǎng)力。不妨設(shè)動(dòng)鐵心的位置矢量mz向上為正，向下為負(fù);動(dòng)鐵心所受磁場(chǎng)力Fz向上為正，向下為負(fù)。此時(shí)，動(dòng)鐵心偏離穩(wěn)態(tài)位置(mz=0)所受磁場(chǎng)力的計(jì)算結(jié)果如圖10 所示。由圖10 可知，當(dāng)動(dòng)鐵心向上偏離穩(wěn)態(tài)位置時(shí)會(huì)受到向下的磁場(chǎng)力;當(dāng)動(dòng)鐵心向下偏離穩(wěn)態(tài)位置時(shí)會(huì)受到向上的磁場(chǎng)力;在穩(wěn)態(tài)位置附近，動(dòng)鐵心所受磁場(chǎng)力接近于零。因此，動(dòng)鐵心受到外界擾動(dòng)而稍微偏離該穩(wěn)態(tài)位置時(shí)，動(dòng)鐵心所受的磁場(chǎng)力會(huì)驅(qū)動(dòng)其回到該穩(wěn)態(tài)位置，與上述的定性分析吻合。

圖10 靜鐵心在穩(wěn)態(tài)位置附近所受的磁場(chǎng)力

4 典型應(yīng)用

為了減小三工位開關(guān)的體積，在現(xiàn)有兩工位真空滅弧室的基礎(chǔ)上，工業(yè)界出現(xiàn)了三工位真空滅弧室［27－28］。三穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)操動(dòng)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(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)將極大地簡(jiǎn)化三工位開關(guān)的結(jié)構(gòu)，提高其可靠性。

圖11 三穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)典型應(yīng)用

5 結(jié) 語

為解決現(xiàn)有三工位操動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性不高的問題，本文提出了一種三穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以用于操動(dòng)三工位隔離－接地開關(guān)、自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器、液壓閥等設(shè)備。這種三穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)部件少、所用永磁材料少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，采用永磁力作為保持力，無需機(jī)械脫扣和鎖扣裝置，零件總數(shù)大大減少。

本文給出了這種三穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)，結(jié)合該機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)分布圖分析了其工作原理，采用有限元法，定量計(jì)算了該操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)鐵心在中間穩(wěn)態(tài)位置附近所受的磁場(chǎng)力，證明了當(dāng)動(dòng)鐵心受到外界擾動(dòng)而稍微偏離該穩(wěn)態(tài)位置時(shí)，動(dòng)鐵心所受的磁場(chǎng)力會(huì)驅(qū)動(dòng)其回到該穩(wěn)態(tài)位置。最后，本文給出了這種三穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的典型應(yīng)用。

［1］ 張建民，王煥，許海超，等.一種三工位開關(guān)柜及其母線連接結(jié)構(gòu):中國(guó)，CN102723672A［P］.2012－10－10.

［2］ 黎福根，陳爛明. 一種固體絕緣三工位隔離/接地開關(guān):中國(guó)，CN202153495U［P］.2012－02－29.

［3］ 羅小冬，周旺星. 直通型三工位隔離接地開關(guān):中國(guó)，CN－202142461U［P］.2012－02－08.

［4］ 蔡志遠(yuǎn)，陳朝輝，王新偉. 自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器的發(fā)展與應(yīng)用［J］.低壓電器，2011，(22):11－15.

［5］ 李月軍，劉國(guó)軍，王成多. 智能型自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器的原理及應(yīng)用［J］.電工電氣，2011(10):34－37.

［6］ 馬德安，辛重文. 一種三工位電動(dòng)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu):中國(guó)，CN－102646541A［P］.2012－08－22.

［7］ 苑舜 編著.高壓斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［8］ 林萃. 永磁機(jī)構(gòu)與真空斷路器［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［9］ 沈齊，劉雯，陳亞東.永磁式操動(dòng)機(jī)構(gòu)真空斷路器在企業(yè)的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)［J］.冶金動(dòng)力，2012，(6):1－6.

［10］ 周慶強(qiáng). 戶內(nèi)高壓真空斷路器的永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu):中國(guó)，CN202473739U［P］.2012－10－03.

［11］ 于力，苑舜. 雙穩(wěn)態(tài)非對(duì)稱永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu):中國(guó)，CN－202473642U［P］.2012－10－03.

［12］ 蘇偉揚(yáng)，康雪濤，劉朝清. 雙分閘速度永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu):中國(guó)，CN202373516U［P］.2012－08－08.

［13］ 喬大明. 一種外置分閘簧單穩(wěn)態(tài)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu):中國(guó)，CN202423114U［P］.2012－09－05.

［14］ 吳世寶.真空斷路器永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究［D］. 沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué)，2012.

［15］ 呂賀強(qiáng).永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器同步關(guān)合控制的研究［D］. 北京:北京交通大學(xué)，2011.

［16］ 劉向東.24kV 永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué)，2010.

［17］ 丁紅.真空斷路器永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)同步控制器的研究［D］. 長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2010.

［18］ 田陽.高壓斷路器永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究［D］.沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué)，2010.

［19］ 夏克鵬.開關(guān)電器中永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析［D］. 沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué)，2010.

［20］ 徐家賀.大容量真空斷路器永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究［D］.沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué)，2009.

［21］ 劉大鵬.永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)智能控制系統(tǒng)研制［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2007.

［22］ 蔡志遠(yuǎn)，徐卜一，馬少華，等.三穩(wěn)態(tài)差動(dòng)式永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu):中國(guó)，CN102064600 A［P］.2011－05－18.

［23］ 駱虎，游一民，魏泉，等. 三工位雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu):中國(guó)，CN102610407 A［P］. 2012－07－25.

［24］ ZHU Z Q ，CHEN J T . Advanced flux－switching permanent magnet brushless machines［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2010，46(6):1447－1453.

［25］ 費(fèi)偉中，沈建新.新型永磁開關(guān)磁鏈電機(jī)［J］. 微特電機(jī)，2006(8):1－3.

［26］ 閔偉，陳金濤，諸自強(qiáng)，等. 永磁開關(guān)磁通直線電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.微特電機(jī)，2011(6):4－8.

［27］ 謝國(guó)良，冉隆科，劉永飛，等.隔離接地用三工位真空滅弧室:中國(guó)，CN201773758U［P］. 2011－03－23.

［28］ 張毅，易平.一種固體開關(guān)用雙室三工位真空滅弧室:中國(guó)，CN102231345A［P］. 2011－11－02.