双线圈并行驱动的永磁高速操作机构

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1、双线圈并行驱动的永磁高速操作机构摘要：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

2、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。中国8/vie　　关键词：电磁弹射；永磁操作机构；AnsoftMax153.3文献标志码：A：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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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�C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

8、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