永磁開關(guān)資料

論文賞析：永磁機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析與研究優(yōu)者，獨(dú)享則失，望與諸君賞之1引言永磁機(jī)構(gòu)零部件少、可靠性高、加工容易、結(jié)構(gòu)簡單，與真空斷路器配合良好，可以實(shí)現(xiàn)免維護(hù)運(yùn)行。但其不利因素則是直流電源與控制單元所帶來的成本及可靠性問題， 影響了永磁機(jī)構(gòu)的發(fā)展與推廣。2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的主要目的是縮小永磁機(jī)構(gòu)的體積，降低磁路磁阻，滿足應(yīng)用功能和壽命要求。

2.1基本結(jié)構(gòu)根據(jù)永磁機(jī)構(gòu)的工作特點(diǎn)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，大體可分為雙線圈雙穩(wěn)態(tài)、單線圈單穩(wěn)態(tài)和雙線圈單穩(wěn)態(tài)（分離磁路）三種。雙穩(wěn)態(tài)和單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)在不同的場合各具優(yōu)勢，應(yīng)在滿足技術(shù)要求的前提下，作出合理的選擇。從外形結(jié)構(gòu)看，可以分為方形和圓形結(jié)構(gòu)。由于方形結(jié)構(gòu)體積偏大、耗材多、加工工藝復(fù)雜，所以永磁機(jī)構(gòu)一般采用圓形結(jié)構(gòu)，在對空間具有特殊要求的場合，也可以采用方形結(jié)構(gòu)。2.2永磁體和線圈布置永磁體是永磁機(jī)構(gòu)的核心元件。基于可靠性的考慮，現(xiàn)有的永磁機(jī)構(gòu)一般安裝在靜鐵心上。根據(jù)保持力、能耗和體積要求，永磁體可以具有不同尺寸、結(jié)構(gòu)和布置方式。對圓形結(jié)構(gòu)，可以由多塊鑲嵌布滿全周，或周向部分布置，做成兩個(gè)或多個(gè)并聯(lián)扇形結(jié)構(gòu)，其余扇形空間用非金屬塊填充,形成一個(gè)I塊填充,形成一個(gè)I形套。同時(shí)應(yīng)根據(jù)減小能耗和體積的不同需求，改變永磁體的安裝位置和大小。線圈是實(shí)現(xiàn)配永磁機(jī)構(gòu)斷路器可靠開合的關(guān)鍵元件。線圈的匝數(shù)、線徑和布置方式都將影響永磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能。如果線圈的截面積一定，改變線圈的線徑與匝數(shù)，就可以改變開關(guān)的速度特性。對于兩個(gè)控制線圈，可以根據(jù)始動(dòng)安匝數(shù)和輸出機(jī)械功的需要選擇不同的線圈布置形式。2.3改進(jìn)設(shè)計(jì)為保護(hù)永磁體,□□2.3改進(jìn)設(shè)計(jì)為保護(hù)永磁體,□□在永磁體與動(dòng)鐵心之間增添用軟磁材料構(gòu)成的極靴連接動(dòng)鐵心，再通過端蓋、外磁軛形成封閉磁路。在動(dòng)鐵心與靜鐵心之間設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)姆枪ぷ鳉庀?可以改善開關(guān)與機(jī)構(gòu)的匹配特性，減小合閘時(shí)的起動(dòng)電流。在合閘端和分閘端的主氣隙中加非磁性墊片，與動(dòng)鐵心和永磁體間的間隙共同構(gòu)成各自的防剩磁間隙，以防動(dòng)鐵心被剩磁“粘住”。目前永磁機(jī)構(gòu)幾乎全部用于中壓真空斷路器領(lǐng)域，但是發(fā)展長行程高壓永磁機(jī)構(gòu)有著十分重要的意義，專家們一致認(rèn)為理論上是可行的，且已有一些單位進(jìn)行了卓有成效的試驗(yàn)研究。通過分

析動(dòng)鐵心行程與機(jī)構(gòu)特性之間的關(guān)系,□□行程增加□□（或動(dòng)鐵心變短時(shí)）,機(jī)構(gòu)的靜態(tài)保持力將增加,□□析動(dòng)鐵心行程與機(jī)構(gòu)特性之間的關(guān)系,□□行程增加□□（或動(dòng)鐵心變短時(shí)）,機(jī)構(gòu)的靜態(tài)保持力將增加,□□但線圈的安匝數(shù)也幾乎成相同比例增加。為此，在基本不增加磁系統(tǒng)體積和安匝數(shù)的前提下，通過□□在分閘線圈工作氣隙區(qū)域內(nèi)設(shè)置磁分路，使動(dòng)鐵心的電磁吸力特性趨于平坦，且長行程的動(dòng)鐵心在合分閘時(shí)均能獲得所需的動(dòng)能。為提高永磁機(jī)構(gòu)，特別是長行程永磁機(jī)構(gòu)的分閘能力，筆者設(shè)計(jì)了一種新型的自動(dòng)裝置。該裝置由兩個(gè)短路環(huán)組成，安裝在動(dòng)鐵心的分閘端,可以在動(dòng)鐵心起動(dòng)前大大地削弱合閘永磁保持力。配上這種裝置的永磁機(jī)構(gòu)能快速地分閘，且只需較小的分閘電流。2.4傳動(dòng)及安裝方式永磁機(jī)構(gòu)與真空開關(guān)之間的傳動(dòng)有直動(dòng)式、單連桿傳動(dòng)和多桿轉(zhuǎn)動(dòng)等三種方式。直動(dòng)式的傳動(dòng)方式有利于減小整個(gè)真空斷路器的體積，減少傳動(dòng)環(huán)節(jié)，提高傳動(dòng)可靠性。作為直動(dòng)式傳動(dòng)的典型，某公司的ISM系列真空斷路器的所有開關(guān)零件為軸向?qū)ΨQ裝配，運(yùn)動(dòng)部件全部為直線運(yùn)動(dòng)，且其真空滅弧室為透明外殼，內(nèi)部工作情況一目了然。

單連桿傳動(dòng)方式的好處是設(shè)計(jì)時(shí)可以選擇不同的傳動(dòng)比，以適應(yīng)不同的力學(xué)特性和行程要求，但是永磁機(jī)構(gòu)的輸出力矩為定值時(shí)，受力與行程恰恰是矛盾的。因此對于大開矩的高壓真空斷路器，既要求保持力大，又要求動(dòng)鐵心行程長，就變得十分困難。為此，一些斷路器借鑒了彈簧機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，采用了多桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式，起到了省力的作用。但是，連桿傳動(dòng)的可靠性不如直動(dòng)式的高，且斷路器體積大。永磁機(jī)構(gòu)的安裝主要有立式和臥式兩種，但前者是主要的安裝方式。3特性分析及其數(shù)學(xué)方法永磁機(jī)構(gòu)的特性包括靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。永磁機(jī)構(gòu)的靜態(tài)特性是指線圈激磁電流

為零時(shí)，由永磁體產(chǎn)生的力學(xué)特性和磁場分布，是永磁機(jī)構(gòu)各元件（包括永磁體）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性是指激磁電流不為零，即在永磁機(jī)構(gòu)執(zhí)行開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過程中，與永磁體共同形成的力學(xué)特性、運(yùn)動(dòng)特性、磁場分布特性和電流電壓變化特性,以及相互關(guān)系，它是永磁機(jī)構(gòu)機(jī)械系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)、特別是電源與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和性能評(píng)判依據(jù)。由于動(dòng)態(tài)特性是與時(shí)間相關(guān)的、機(jī)電磁耦合的，且包含永磁場，分析起來要復(fù)雜得多。不過，如果不考慮渦流的影響，常常基于特定的時(shí)間或者基于特定的動(dòng)鐵心位置，將動(dòng)態(tài)問題轉(zhuǎn)化為恒定磁場問題，運(yùn)用靜態(tài)分析的方法進(jìn)行逐點(diǎn)分析。優(yōu)化的理論依據(jù),也是動(dòng)態(tài)特性分析的基礎(chǔ)。優(yōu)化的理論依據(jù),也是動(dòng)態(tài)特性分析的基礎(chǔ)。特性分析的理論基礎(chǔ)包括電路平衡方程、達(dá)朗貝爾運(yùn)動(dòng)方程和麥克斯韋方程組。 分析可以采用場量分析法和磁路分析法。3.1靜態(tài)特性永磁機(jī)構(gòu)具有對稱性。對于方形永磁機(jī)構(gòu)來說,忽略端面效應(yīng)時(shí)可以采用平面場進(jìn)行計(jì)算。對于圓形永磁機(jī)構(gòu)來說，由麥克斯韋方程組推導(dǎo)出二維非線性軸對稱方程，并利用有限元方界條件。得到磁場分布后，作用在動(dòng)鐵心上的電磁吸力可以通過包圍動(dòng)鐵心的任意表面上的應(yīng)力的面積積分得到。動(dòng)鐵心的表面存在一層氣隙單元,在選擇積分表面時(shí)，為提高計(jì)算準(zhǔn)確度，積分路徑法進(jìn)行數(shù)值求解。邊界條件為第法進(jìn)行數(shù)值求解。邊界條件為第1類和第2類邊應(yīng)通過三角形元素的中心。3.2動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性的建立較為復(fù)雜，且在動(dòng)特性計(jì)算前，需要進(jìn)行質(zhì)量歸算和反力歸算。在動(dòng)特性的計(jì)算中，可以將動(dòng)鐵心的運(yùn)動(dòng)彳亍程分為若干個(gè)子步，與之對應(yīng)的各步磁通密度可以用迭代的方法求出，進(jìn)而求出出力特性，線圈電流等其他特性值?？梢詫⒋艌鰠^(qū)域分成若干個(gè)幾何塊，并設(shè)每塊內(nèi)磁通處處相等，忽略漏磁。線圈及永磁體磁路可用相應(yīng)的幾何子磁路的串并聯(lián)來等效代替，這樣簡單的直流磁路計(jì)算方法就可應(yīng)用到機(jī)構(gòu)的磁場計(jì)算中。也可將永磁材料的磁化曲線B=f(H)擴(kuò)展、轉(zhuǎn)化為永磁部件的磁化曲線w=f(IN),將永磁磁路計(jì)算轉(zhuǎn)化為一個(gè)普通的電磁鐵磁路計(jì)算，從而使永磁機(jī)構(gòu)的計(jì)算方法更合理、簡單?？紤]渦流的影響時(shí)，可以將求解區(qū)域分為渦流區(qū)和非渦流區(qū)兩部分，分別導(dǎo)出用矢量磁位和標(biāo)量磁位表示的渦流問題方程，并利用庫侖規(guī)范條件導(dǎo)出該渦流問題的邊界條件。在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的方程組中，等效激磁電流和電磁吸引力與磁鏈和動(dòng)鐵心位移有關(guān)，由于永磁體的存在，求解激磁電流十分困難，當(dāng)磁鏈和動(dòng)鐵心位移一定時(shí)，可以引入一個(gè)變量G，其中G=(W-W0)/i,貝MW=W0+iG,其中，W0為動(dòng)鐵心位移確定且激磁電流為零時(shí)永磁體產(chǎn)生的磁鏈。這樣簡單地處理永磁體形成的磁鏈，使耗費(fèi)的計(jì)算時(shí)間減少，且計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果很相近。進(jìn)行有限元分析時(shí)，采用變形區(qū)單元平移技術(shù)和區(qū)域壓縮技術(shù)，可以更好地適應(yīng)動(dòng)鐵心的運(yùn)動(dòng)。后者已經(jīng)集成到三維應(yīng)用軟件FLUX里，并在某公司的電磁機(jī)構(gòu)上得到了成功應(yīng)用。4電源與控制技術(shù)從國內(nèi)外情況看，目前，永磁機(jī)構(gòu)的電源主要采用以下幾種方式：①采用電容器對分、合閘線圈放電的方式。②對于有條件的電站，可以直接使用站內(nèi)的直流電源。③直接使用高能量的鋰電池。對于上述3種方式，永磁機(jī)構(gòu)的分、合閘線圈電流的大小對電源的影響很大，而且如果電流較大，電壓較高，靠鋰電池供電就行不通，就要從電網(wǎng)取得能配真空斷路器的永磁機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下幾個(gè)條件：應(yīng)工作可靠且具有足夠的抗干擾能力；動(dòng)作迅速且延時(shí)短；工作電壓范圍寬，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。這些要求促進(jìn)了電力電子、光纖通訊、智能控制等技術(shù)在永磁機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)中的發(fā)展和應(yīng)用。永磁機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)可以通過光纖接口接受光電信號(hào)，并通過邏輯判斷控制機(jī)構(gòu)動(dòng)作和發(fā)出分合閘操作的命令。原先的觸點(diǎn)開關(guān)被電力電子開關(guān)所替代。還可具有智能化功能，融合在線檢測技術(shù)等來最大限度地體現(xiàn)永磁機(jī)構(gòu)的優(yōu)越性。國內(nèi)機(jī)構(gòu)開發(fā)的一種智能控制與電子驅(qū)動(dòng)裝置，采用CPLD完成智能控制，并采用由SCR和IGBT組成的電子開關(guān)通斷合分線圈電流。它不僅能完成斷路器的合分閘操作，改善了斷路器的分合閘運(yùn)動(dòng)特性，還具有過流、欠壓分閘、合分閘閉鎖以及操作系統(tǒng)的故障監(jiān)測、診斷與報(bào)警等功能。近幾年同步開關(guān)控制技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，這將大大推動(dòng)永磁機(jī)構(gòu)的研究和應(yīng)用。5計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)已經(jīng)成為永磁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要手段，包括永磁機(jī)構(gòu)的實(shí)體建模，特性分析與計(jì)算，運(yùn)動(dòng)過程的虛擬仿真，運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)控制與監(jiān)測以及相關(guān)軟件的應(yīng)用和開發(fā)等方面。由于永磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)方程組不能用嚴(yán)密的解析方法求解，應(yīng)用MATLAB語言的SIMULINK工具箱對動(dòng)態(tài)過程方程組進(jìn)行仿真，不僅可以獲得動(dòng)態(tài)過程的時(shí)域解，而且可以方便地修正儲(chǔ)能電容器和激磁線圈的電氣參數(shù)。采用ANSYS編程語言APDL實(shí)現(xiàn)耦合場的計(jì)算，對線圈電流、動(dòng)鐵心位移和動(dòng)鐵心受力進(jìn)彳亍分析，并可以計(jì)算不同電導(dǎo)率時(shí)渦流效應(yīng)的影響。還可用ANSYS軟件對極化磁系統(tǒng)交流穩(wěn)磁過程進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，得到滿足工程要求的永磁回復(fù)線起始點(diǎn)。有限元分析軟件ANSYS能夠在大量的CPU時(shí)間和存儲(chǔ)開銷的基礎(chǔ)上,提供對電磁機(jī)構(gòu)場域時(shí)間和存儲(chǔ)開銷的基礎(chǔ)上,提供對電磁機(jī)構(gòu)場域的精確求解，但是求解前需要詳細(xì)地定義幾何結(jié)構(gòu)和邊界條件，而且要仿真電磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)行為和進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并非易事?；隈詈系臄?shù)學(xué)模和進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并非易事。基于耦合的數(shù)學(xué)模型和改進(jìn)的退火算法，開發(fā)出MAG.ACT軟件,無需進(jìn)行復(fù)雜的有限元建模就可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用英國VF公司的VectorFields軟件中的三維磁場分析模塊TOSCA對永磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)造，進(jìn)而在三維空間內(nèi)自動(dòng)剖分，可以得到用于電磁場分析的剖分圖。另外其他CAD/CAE軟件，如Pro/Engineer，ADAMS等對于永磁機(jī)構(gòu)的建模和動(dòng)力學(xué)分析都十分有用。軟件的自行開發(fā)著眼于永磁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的參數(shù)化、可視化和系列化。國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出永磁機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析軟件。軟件系統(tǒng)包括：友好的前處理人機(jī)界態(tài)耦合場計(jì)算模塊、AUTOCAD機(jī)械設(shè)計(jì)模塊、電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊、三維動(dòng)畫形式的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程、后處理曲線輸出、材料器件明細(xì)表和技術(shù)面、永磁機(jī)構(gòu)電磁場數(shù)值計(jì)算模塊、機(jī)械磁場動(dòng)

面、永磁機(jī)構(gòu)電磁場數(shù)值計(jì)算模塊、機(jī)械磁場動(dòng)文檔建立模塊等。將其用于真空斷路器和真空負(fù)荷開關(guān)永磁機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以縮短設(shè)計(jì)周期和提高產(chǎn)品性能。6材料技術(shù)永磁機(jī)構(gòu)的發(fā)展得益于高質(zhì)量、高穩(wěn)定性、長壽命、耐高溫及耐沖擊的釹鐵硼永磁材料的應(yīng)用。真空斷路器永磁機(jī)構(gòu)所選用的釹鐵硼材料，主要考慮以下方面特性：磁場強(qiáng)度（矯頑力）、剩磁、最大磁能積、退磁臨界溫度、溫度退磁率（溫度降低時(shí)磁性可恢復(fù)）、自然老化退磁率。由于釹鐵硼材料的祛磁曲線幾乎是一條直線，且它的回復(fù)曲線與祛磁曲線基本重合，因此不必?fù)?dān)心永磁體的退磁。由于動(dòng)鐵心和靜鐵心（外殼）的剩磁特別小，不會(huì)產(chǎn)生磁化問題。對于沒有預(yù)先充磁的永磁體，在永磁機(jī)構(gòu)裝配之后必須進(jìn)行充磁。采用電容器產(chǎn)生脈沖電流配之后必須進(jìn)行充磁。采用電容器產(chǎn)生脈沖電流進(jìn)行充磁，為保證充磁電路不發(fā)生振蕩，充磁之前對激磁線圈電感進(jìn)行測量。充磁后，可以用測力計(jì)測量電磁力，如果與設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果極為接近，說明充磁是成功的，永磁材料是正品，性能可靠。結(jié)束語永磁機(jī)構(gòu)的研究，應(yīng)從