李衛(wèi)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(wěn)態(tài)永磁操動機構，通過對雙穩(wěn)態(tài)永磁操作機構原理的分析以及利用真空滅弧室參數(shù)的要求進行理論計算最終得出操作機構的一些參數(shù)，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(yōu)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(wěn)態(tài)永磁操作機構；真空滅弧室參數(shù)；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(fā)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(fā)展一些基于真空滅弧室的低壓斷路器相繼出現(xiàn)，但其操動機構基本上是傳統(tǒng)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(shù)量多，傳動結構復雜，發(fā)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(jīng)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(wěn)態(tài)永磁操動機構。對幾種不同結構的雙穩(wěn)態(tài)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(shù)也不相同。所以，不同的斷路器，根據(jù)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(shù)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(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)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(tài)，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(chǎn)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?shù)碾娏?，而這一電流產(chǎn)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(chǎn)生的磁力線方向與永磁體在中部產(chǎn)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(tài)。

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(chǎn)生，根據(jù)經(jīng)驗永磁體有以下兩種電流模擬的方法：

（1）永磁體整個區(qū)域內(nèi)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(yōu)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(nèi)部的磁場變化來實現(xiàn)，所以對機構中的磁場變化進行研究具有重要意義。根據(jù)經(jīng)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(chǎn)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(chǎn)生向下的吸力變大，此力與永磁體產(chǎn)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(yōu)化選擇。由于優(yōu)化是又一個深入的課題，再次就不加以論述。

結論

根據(jù)以上實驗數(shù)據(jù)，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(jié)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(yōu)點，比如如果通入的電流很大時它所產(chǎn)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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