双线圈并行驱动的永磁高速操作机构

魏新劳　万润楠

摘要：操作机构是断路器的核心部分，而断路器的优劣直接影响电力系统的安全运行。因为电力系统对断路器分合闸要求的不断提高，为了获得更快更好的分合闸操作，提出了一种新型双线圈并行驱动的永磁高速操作机构。分别对单驱动线圈操作机构和双驱动线圈操作机构的工作原理进行了阐述，应用Ansoft软件，建立了单驱动线圈操作机构和双驱动线圈操作机构的二维仿真模型，并对仿真结果进行了对比分析。实际设计制作了单驱动线圈操作机构和双驱动线圈操作机构的实验样机进行实验研究，仿真和实验结果均表明，双驱动线圈的永磁高速操作机构和单驱动线圈的永磁操作机构相比，具有更快更好的动作性能，从而达到了对单驱动线圈的永磁高速操作机构的一种优化。

关键词：电磁弹射；永磁操作机构；Ansoft Maxwell仿真

中图分类号：TM153.3 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2017）0l-0001-07

0 引言

随着电力工业的不断发展，电力系统的发电容量和装机容量不断增长，这使得电力系统的短路容量迅速增加，这就对断路器提出了更高的技术要求。当系统内发生故障时，快速合理地断开应该断开的断路器，尽量避免故障扩大化，对于保障电力系统的可靠性和稳定性都至关重要。

断路器的开关性能主要体现在触头的分合闸动作上，而分合闸动作又是通过操作机构来完成的，所以操作机构的触头分合速度和工作的可靠性直接决定了断路器的整体性能。

目前，在电力系统中实际使用的断路器操作系统主要包括：手动操动机构、电磁操动机构、电动机操动机构、弹簧操动机构、气动操动机构、液压操动机构和永磁操作机构。

永磁操作机构诞生于1997年。20世纪初，由ABB在英国和美国的工程师联合开发了一种新型VM1型真空断路器，采用了仅有7个活动元件组成的磁力驱动装置代替由数百个零件组成的传统机构。其分合闸位置均靠永久磁铁磁能保持。永磁操作机构通过将电磁机构与永久磁铁的特殊结合来实现传统断路器操作机构的功能，其动作部件及传动件数少，容易实现动作控制，动作时间的分散性少。

传统的电磁操作机构是利用通电螺线管线圈将电能转换成机械能来进行合闸操作，合闸时由一只或者一组弹簧吸收一部分机械能并转换成为弹簧的弹性势能，分闸时由弹簧释放合闸时储存的势能来提供动力源。为保持分合闸状态，此操作机构中还设有专门的机械锁扣装置，这大大增加了断路器的复杂性、降低了断路器的可靠性。随着研究的深入，研究人员在传统的电磁操作机构的基础上尝试在机构中用永磁体来替代机构的锁扣与脱扣装置去实现断路器分合闸状态的保持，这种装置就是永磁操作机构。

永磁操作机构具有以下优势：运动零部件减少，内部结构简化，机械的可靠性能大幅度地被提高；对分合闸位置的保持采用的是永久磁铁的磁力，避免了传统操作机构产生的失误，可以更加便捷地实现免维护运作；相比较传统的操作机构，永磁机构具有更优质的可操控性能，分、合闸线圈产生的电磁场可直接驱动抛体；永磁操作机构的输出特性很好的匹配了断路器的机械特性，使得断路器能有实现较好的速度特性，为用于电力系统的断路器的智能控制奠定了基础。但是，到目前为止，永磁操作机构的分、合闸时间仍然比较长，事实上，现在的永磁操作机构在分、合闸时间上并没有比传统的电磁操作机构改进多少。

研制快速开关的关键技术就是开关转换时间为毫秒级的快速操作机构。使用电磁发射技术作为动力的快速斥力机构可以满足这种快速动作的要求。

随着脉冲功率技术和电磁发射技术的快速发展，目前其在快速操作机构上的应用越来越被重视。以电磁弹射为驱动力的快速操作机构比传统的操作机构具有触头运动速度更快，准备周期更短等优点。所以利用电磁发射技术作为驱动方式的快速操作机构具有明显的优势。

本文把电磁弹射的原理应用于操作机构，提出了一种双段并行驱动的永磁高速操作机构。通过Ansofi软件进行电磁仿真，仿真结果证明了这种方案的可行性和优势，在此基础上设计了单、双驱动线圈永磁操作机构的样机，对样机的实际测试结果也证明了双驱动线圈永磁操作机构确实具有比单驱动线圈永磁操作机构更好的特性。

1 永磁高速操作机构的工作原理

1.1 单驱动线圈操作机构工作原理

操作机构的核心是驱动力的产生及其变化规律。对于高速操作機构而言，其需要的驱动力主要应该具有快速变化和大幅值两个方面。考虑到电磁弹射所产生的电磁弹射力恰好具有幅值高和变化速度快的特点，所以，有许多研究人员都在尝试利用电磁弹射力作为驱动力研制快速操作机构。本文中的电磁高速机构就是基于线圈型的电磁弹射进行研究的。

最基本的线圈弹射装置是由两个线圈（合闸线圈和分闸线圈）和一个以软磁材料为受力部件的运动体，一般加以脉冲或者交变电流产生的磁场，从而驱动软磁材料受力部件，进而实现机构需要的动作（如图1）。由于它是在利用合（分）闸线圈和被加速物体之间的磁耦合机制工作，因此线圈型电磁发射器的本质可以理解为直线电机。

当受力部件位于驱动线圈右侧时（图一中位置1），由电磁感应定律知：受力部件受到的电磁力向左，从而推动受力部件向左加速运动。当受力部件运动到驱动线圈的中间位置时，受力为零，速度也达到最大。若受力部件继续运动，通过合闸线圈的中心横截面以后（图一中位置2），则受力部件受到向右的吸力，从而变成减速力。如果此时切断线圈中的电流使受力部件不受减速力，就可以达到向左加速运动的目的。对于单线圈运动驱动操作机构，合闸动作的终止位置为分闸动作的初始位置，受力部件的运动距离恰好等于操作机构的开距，从而完成分合闸。

1.2 双驱动线圈操作机构的提出

图1中的受力部件上所受的力是每匝线圈对受力部件作用力的总合，根据电磁学基本原理可知，尽管位于线圈不同部位的线匝所通过的电流是完全相同的，但是，不同部位线匝中的电流在受力部件处产生的磁场是不同的，线圈内侧线匝中的电流在受力部件上产生的磁场要大于线圈外侧线匝中的电流在受力部件上产生的磁场，也就是说，线圈内侧线匝中的电流作用在受力部件上的磁场力要大于线圈外侧线匝中的电流作用在受力部件上的磁场力。或者，换句话说，就受力部件的受力效率而言，线圈内侧线匝的作用力效率要高于线圈外侧线匝的作用力效率。基于上面的分析，本文作者提出一种多段式驱动线圈的方案：就是将原来的一个合闸（分闸）线圈拆分成多个线圈，而保持拆分后的多段线圈的总匝数与拆分前单个线圈的匝数相同，让拆分后的多个驱动线圈尽可能与受力部件（软磁体）靠近以提高驱动线圈的整体驱动力。

本文将分（合）闸线圈分成两个较薄的线圈（但线圈总匝数不变）（如图3）。其中中阴影部分为受力部件（软磁材料），非阴影部分为非磁性材料。图3（a）为操动机构处于分闸状态时的位置。当要求合闸时，对两个合闸线圈加激励，受力部件将向左运动，完成合闸动作，在确定的行程处停止。合闸过程终止后，操动机构处于合闸状态，各部件位置如图3（b）所示。当要求分闸时，对两个分闸线圈加激励，受力部件将向右动作，完成分闸动作，并在确定的行程处停止。完成分闸动作后的系统各部件位置如图3（a）所示。

1.3 双驱动线圈操作机构的具体结构

图4为双驱动线圈操作机构结构图。该机构由短路铜环、软磁材料、绝缘材料、永磁保持机构、分（合）闸线圈、支架等组成。

图4所示的位置对应于开关处于完全开断状态，此时，如果对合闸线圈通电，驱动杆将向左运动，此时短路铜环1和短路铜环2中也将产生感应电流，根据楞次定律，短路铜环将向背离磁场的方向运动，即短路铜环1和短路铜环2也向左运动。当驱动杆到达要求位置（此位置与灭弧室中动、静触头完全闭合对应），永磁保持机构开始发挥作用，起到位置保持和给触头施加压紧力作用。此时的双驱动线圈操作机构各部件位置如图5所示。

在图5位置，如果对分闸线圈通电，驱动杆将向右运动。此时短路铜环4和短路铜环5中也将产生感应电流，根据楞次定律，短路铜环将向背离磁场的方向运动，即短路铜环4和短路铜环5也向右运动。当驱动杆到达要求分闸位置时，永磁保持机构再一次开始发挥作用，起到位置保持作用。此时的双驱动线圈操作机构各部件位置将如图4所示。

2 永磁高速操作机构仿真分析

为了对改进的永磁高速操作机构的可行性进行验证，本文用大型电磁场仿真计算软件Ansoft进行对比模型仿真分析。双驱动线圈操作机构模型与单驱动线圈操作机构模型相比，只将单驱动线圈操作机构的分（合）闸线圈变成两个匝数是原来匝数一半的线圈，模型具体参数如下。

2.1 Ansoft仿真模型及其外电路

由于本文所研究操作机构本身是一个旋转轴对称体，因此，对其电磁场的分析采用RZ坐标系。并且选择z轴与机构的实际对称轴线完全重合。选定坐标系后，还要选择求解器，Ansoft中有六种求解器：静磁场求解器，涡流场求解器，瞬态磁场求解器，静电场求解器，交流场求解器，直流场求解器。由于本文主要研究的是驱动杆的受力及运动特性，故选择瞬态磁场求解器。分（合）闸线圈和驱动杆进行简化后模型，如图6。仿真模型尺寸按照表1中的模型参数进行设置。其中，软磁材料采用steel-1008，分（合）闸线圈采用copper，非软磁材料由vac-cum代替。

模型中的Band区域是将线圈与受力运动部件隔离开来，表示驱动杆运动而线圈静止不动。将分（合）闸线圈定义为coil，设定好匝数，并将其添加到绕组中。由于线圈的激励是由外部电路（充满电的电容器）所提供的，所以先将外部放电回路建立好，然后给线圈添加激励的时候选择导入设计好的外电路。外部电路图如图7。需要说明的是，在这个电路图中，电感线圈代表驱动线圈，其电感量等参数不能认为给定，而是由软件根据对驱动线圈的结构、材料等的参数的设置自己计算得到。

对于双驱动线圈模型操作机构的模型建立，与单驱动线圈操作机构模型相比，只是将原有的分（合）闸线圈变成两个线圈，但是总匝数不变。双驱动线圈操作机构模型如图8，外部电路图如图9。其中，软磁材料采用steel_1008，分（合）闸线圈采用copper，非软磁材料由vaccum代替。

在实际的操作机构中，驱动杆都会带动一部分负载，在模型中，在驱动杆上加1kN负载反作用力。

2.2 仿真结果

2.2.1 单驱动线圈操作机构模型仿真结果

单驱动线圈操作机构模型在由图7所示的外电路作用下，得到如下仿真结果。

在通电瞬问，软磁材料受到电磁力作用，推动整个驱动杆移动，随着驱动杆位置改变，软磁材料所受的力越来越大。驱动杆的运动速度也越来越大，位移也越来越大。当达到满行程时，驱动杆停止运动，速度为零。

2.2.2 双驱动线圈操作机构模型仿真结果

双驱动线圈操作机构模型在由图9所示的外電路作用下，得到如下仿真结果。

在通电瞬间，驱动杆中两段软磁材料均受到电磁力作用，推动驱动杆移动，随着驱动杆位置改变，软磁材料受到的力越来越大。驱动杆的运动速度也越来越大，位移也越来越大。当达到满行程时，驱动杆停止运动，速度为零。

3 样机实验

根据以上尺寸设计计算和Ansoft软件的仿真分析，为了验证该新型操作机构尺寸计算及仿真的正确性，分别制作了双线圈驱动操作机构模型和单线圈驱动操作机构样机在不同放电电容量下进行实验。图18为操作机构样机实验整体结构框图，图19为操作机构样机实验驱动与控制电路。用MS55K高速摄影机拍摄单线圈驱动高速操作机构在不同充电电容两下的分合闸动作过程。然后根据拍摄图像的具体数据计算操作机构的满行程动作时间。

2.2.3 仿真结果分析

由以上两个模型的仿真结果可以得到如下表4所示的仿真结果对比。

由仿真结果对比如表4可以看出：双驱动线圈模型满行程时间从7ms缩短为5ms，实现了更快速的关合闸。同时双驱动线圈达到的最大速度为10.7 m/s，受力部件最大受力可达6.75 kN。而单线圈模型达到最大速度为7.3 m/s，受力部件最大受力为3.7 kN。

实验得到的在不同驱动电容量情况下的操作机构满行程时间如表5所示。

样机的实测满行程时间比仿真的满行程时间小，主要的原因是在样机实验时，由于实验条件限制，没有施加1kN的负载反作用力。

由以上仿真结果和实验结果可见，双线圈并行驱动永磁高速操作机构与单线圈驱动永磁高速操作机构相比，具有更快速更有力的分合闸动作，从而达到了一种优化。

4 结论

本文提出了一种新型多段并行驱动的永磁高速操作机构。设计了这种永磁高速操作机构具体结构，利用Ansoft仿真软件对其模型进行了电磁仿真，并实际制作了这种操作机构的实验样机，进行了实验研究。仿真和实验结果表明：这种操作机构可以在更短的时间内达到快速分合闸的要求，是对原有的电磁操作机构的一种优化。

（编辑：关毅）