【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 3）永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出特性能夠與高壓真空斷路器的開關(guān)機(jī)械特性很好地匹配，這就使得斷路器的分、合閘操作能夠達(dá)到良好的速度特性。 （ 4）永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng)方式非常簡(jiǎn)單，在分合閘線圈中通以直流勵(lì)磁電流，由勵(lì)磁產(chǎn)電流生的磁場(chǎng)直接驅(qū)動(dòng)著可動(dòng)鐵芯，而可動(dòng)鐵芯直接連于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主軸。采用這樣的結(jié)構(gòu)，動(dòng)作部件少，使得操動(dòng)機(jī)構(gòu)具有更好的可控性，為高壓真空斷路器實(shí)現(xiàn)智能化控制打下了基礎(chǔ)。 永磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 永磁機(jī)構(gòu) 分為單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)和雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)。圖 21 為雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理圖。 圖 21雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)剖面圖 profiles of permanent magic actuator 在上面的剖面圖中， 1 是靜鐵心 ,是操動(dòng)機(jī)構(gòu)的磁路通道 。2 為動(dòng)鐵心 ,是整個(gè)機(jī)構(gòu)中最主要的動(dòng)部件 。 4 是永久磁體 ,為機(jī)構(gòu)提供永磁保持時(shí)所需要的吸 9 力 。 6 為合閘線圈和分閘線圈 。7 是驅(qū)動(dòng)桿 ,連接著操動(dòng)機(jī)構(gòu)與斷路器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 當(dāng)真空斷路器處于合閘或分閘狀態(tài)時(shí)，分、合閘線圈中無(wú)勵(lì)磁電流，永久磁體利用永磁體的吸引力 將動(dòng)鐵心固定在上、下極限位置，而不需要傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)中復(fù)雜機(jī)械聯(lián)鎖裝置。當(dāng)接收到分閘或者合閘信號(hào)時(shí)，在分閘或合閘線圈中將通過(guò)直流勵(lì)磁電流，并產(chǎn)生勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)，動(dòng)、靜鐵心中的磁場(chǎng)是一個(gè)合成磁場(chǎng)，該合成磁場(chǎng)由分閘或合閘線圈勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永久磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加而成，可動(dòng)鐵芯在合成磁場(chǎng)的作用力下運(yùn)動(dòng)，并通傳動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)斷路器的動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)完成分閘或合閘操作。動(dòng)鐵心在行程終止的兩個(gè)極限位置時(shí)，不需要消耗任何能量即可保持，即能實(shí)現(xiàn)所謂的永磁保持。而對(duì)于傳統(tǒng)的電磁式操動(dòng)機(jī)構(gòu)，在可動(dòng)觸頭的行程一端，在彈簧的作用下使其保持，而 在行程的另一端，需要靠復(fù)雜的機(jī)械鎖扣裝置保持或利用電磁能量進(jìn)行保持。綜上所述，永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)是通過(guò)將電磁鐵與永久磁體特殊結(jié)合，來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的全部功能 :由永久磁體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的脫扣和鎖扣裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)鐵心在行程極限位置的保持功能，由通電勵(lì)磁的分、合閘線圈提供操作時(shí)所需的能量。 雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn) （ 1)機(jī)械壽命長(zhǎng)，可靠性高。由于永磁機(jī)構(gòu)采用的機(jī)械零部件數(shù)量較少，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)部件只有一個(gè)動(dòng)鐵心，所以永磁機(jī)構(gòu)的機(jī)械壽命特別長(zhǎng)，操作次數(shù)可以達(dá)到 10 萬(wàn)次甚至更高。由于沒有容易出現(xiàn)機(jī)械故障的機(jī)械鎖 扣裝置和其它高速運(yùn)動(dòng)部件，永磁機(jī)構(gòu)幾乎不會(huì)發(fā)生機(jī)械性故障。 （ 2)分、合閘操作時(shí)間短，而且時(shí)間分散性小，便于實(shí)現(xiàn)精確控制。永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng)部分機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅由通以勵(lì)磁電流的分、合閘線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永磁體的磁場(chǎng)共同作用下的合成磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)可動(dòng)鐵心，動(dòng)鐵心直接連接于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主軸，直接推動(dòng)高壓真空斷路器的主軸作分合、閘運(yùn)動(dòng)，這種傳動(dòng)方式簡(jiǎn)單且直接，中間環(huán)節(jié)少，故障率大大降低。也使得永磁機(jī)構(gòu)的分、 10 合閘時(shí)間比較短而且分散性小，運(yùn)行起來(lái)非常穩(wěn)定，甚至可將分合閘時(shí)間的分散性可以控制在 ? 1ms 之內(nèi)。 （ 3)永磁機(jī)構(gòu)可 以用儲(chǔ)能電容器或蓄電池做操作電源，也可采用小功率交流電源。這樣永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)就保持了電動(dòng)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)可以用小功率電源操作的優(yōu)點(diǎn)，而沒有它那樣復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)。可以用經(jīng)過(guò)整流的小功率交流電源對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電儲(chǔ)能，用門極關(guān)斷 (GTO)晶閘管控制它對(duì)分合閘線圈的放電，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并且節(jié)省了電能。 （ 4)永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)可以配備智能化的電子控制裝置，不但能夠適應(yīng)配電自動(dòng)化的要求而且可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓真空斷路器的智能控制?，F(xiàn)代化的電子控制系統(tǒng)不僅可以控制真空斷路器完成分、合閘控制，而且可以完成某些繼電保護(hù)、通信、遙控、在線檢測(cè)等功能。真空斷路器的智能控制器還可以通過(guò)計(jì)算確定精確發(fā)出分合閘信號(hào)的時(shí)間，為同步開合的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件。 結(jié)合上述優(yōu)點(diǎn)，在中高壓領(lǐng)域較常采用的是雙穩(wěn)態(tài)的永磁機(jī)構(gòu)。 雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的工作原理 圖 22 雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)工作原理 The principles of bistable PMA 雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的工作原理如圖 23 所示。其靜鐵心 1 的中部鑲有永久磁 11 體 4 和 5，兩個(gè)永磁體的同名磁極向著中心線。在永久磁體的下方和上方分別安裝有合閘線圈 6 和分閘線圈 3。動(dòng)鐵心 2 位于永久磁體和靜鐵心上下磁極之間。動(dòng)鐵心上的驅(qū)動(dòng)桿 9 穿過(guò)靜鐵心。此驅(qū)動(dòng)桿可直接用來(lái)驅(qū)動(dòng)斷路器作合閘或分閘運(yùn)動(dòng)。動(dòng)鐵心理論上有三個(gè)平衡狀態(tài) :其一為動(dòng)鐵心位于靜鐵心的最上方，動(dòng)鐵心的上端與靜鐵心的上磁極 8 接觸，見圖 22 中左上角分閘狀態(tài)圖。其二為動(dòng)鐵心位于靜鐵心的最下方，動(dòng)鐵心的下端與靜鐵心的下磁極 7 接觸，見圖 23 左下方合閘狀態(tài)圖。在分閘狀態(tài)，永磁體通過(guò)上部磁路的磁阻很小而通過(guò)下部磁路的磁阻因存在空氣間隙很大而很大。永磁體的磁通絕大部分會(huì)通過(guò)上部磁路，將動(dòng)鐵心牢固地吸引在靜鐵心的上磁極 8 上。在合閘狀態(tài)時(shí)，與分閘情況相反，永磁體通過(guò)下部磁路的磁阻很小，磁通集中在下部磁路，動(dòng)鐵心被吸在下磁極 7 上。第三個(gè)平衡狀態(tài)是對(duì)于上下結(jié)構(gòu)對(duì)稱的機(jī)構(gòu)而言的，動(dòng)鐵心位于靜鐵心的正中間，永磁體通過(guò)上部和下部空氣隙的磁阻相等，此時(shí)靜鐵心的上端和下端受靜鐵心的吸力完全相等，動(dòng)鐵心處于一種不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。但此時(shí)只要上下氣隙有微小變化，這種平衡 就被打破，過(guò)渡到上述第一種或第二種平衡。所以動(dòng)鐵心實(shí)際工作時(shí)只存在兩種平衡狀態(tài)，即分閘狀態(tài)和合閘狀態(tài)。正因?yàn)槿绱?，圖 22 所示的這種雙線圈永磁機(jī)構(gòu)稱作雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)。 當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)處于合閘狀態(tài)時(shí)，永磁體產(chǎn)生的磁力線的分布如圖 22合閘狀態(tài)圖中 I 所示 .此時(shí)要使其進(jìn)行分閘操作，只要在分閘線圈中通以直流電流為勵(lì)磁電流，該勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁力線方向和永磁體在靜鐵心下端的磁力線方向相反，見圖 23 分閘過(guò)程圖中的回線 m。分閘線圈中的勵(lì)磁電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)使動(dòng)鐵心受到的下方的吸引力減小，當(dāng)此電流增大到一定程度時(shí)，動(dòng)鐵心所 受的吸力之和小于動(dòng)鐵心上的機(jī)械負(fù)載 (如作用在動(dòng)鐵心上的觸頭壓力，其方向與永磁體的吸力相反 )，這時(shí)動(dòng)鐵心就開始向上運(yùn)動(dòng)。一旦動(dòng)鐵心向上運(yùn)動(dòng)，動(dòng)鐵心的下端與靜鐵心的下磁極之間就會(huì)出現(xiàn)空氣間隙，導(dǎo)致下端的磁阻增 12 大，上端的磁阻減小。靜鐵心下磁極對(duì)動(dòng)鐵心的吸引力減小，上磁極對(duì)動(dòng)鐵心的吸引力增大。動(dòng)鐵心受到的由下向上的合力增大，使動(dòng)鐵心加速向上運(yùn)動(dòng)。這一運(yùn)動(dòng)過(guò)程會(huì)持續(xù)到動(dòng)鐵心上端與靜鐵心的上磁極接觸，即分閘動(dòng)作完成。這時(shí)，動(dòng)鐵心和永磁體重新吸合，處于新的穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)即使切斷分閘線圈中的電流，動(dòng)鐵心也不能恢復(fù)到原來(lái)的狀 態(tài)。 合閘過(guò)程與分閘過(guò)程正好相反：合閘線圈中通過(guò)勵(lì)磁電流 (見圖 22 合閘過(guò)程圖 )并在上部間隙產(chǎn)生反向磁場(chǎng)，動(dòng)鐵心上受到的總的向下的吸引力減小，當(dāng)吸引力小于動(dòng)鐵心的機(jī)械負(fù)荷時(shí)動(dòng)鐵心開始向下運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到極限位置即合閘位置，動(dòng)鐵心重新與永磁體吸合 .切斷合閘線圈電流后，動(dòng)鐵心保持在合閘位置不變，合閘過(guò)程結(jié)束。 永久磁體在處于強(qiáng)烈的反向磁場(chǎng)中時(shí)，它自身的磁性能會(huì)降低，即永磁體的退磁。對(duì)于雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)中的永磁體，無(wú)論是在合閘過(guò)程中還是在分閘過(guò)程中，分合閘線圈電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在永磁體上總是和永久磁體自身磁場(chǎng)的方向相同的 。 雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的磁路 雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的磁路圖如圖 23所示 I N 1I N 2I N mR mR 1R 2 圖 23雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的磁路圖 Magic circuit of bistable PMA 這是一種典型雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)磁路，由磁動(dòng)勢(shì) INm 及磁阻 Rm 組成 ,由于常 13 用于永磁機(jī)構(gòu)的永磁材料的去磁曲線幾乎是一條直線 ,因此可將 INm 與 Rm 取為常數(shù) ,圖中 I 為通過(guò)分、合閘線圈勵(lì)磁電流 ,Nm 為線圈匝數(shù)。磁路中兩個(gè)控制線圈的安匝數(shù)設(shè)為 1IN 和 2IN ,兩個(gè)工作氣隙的磁阻 1R , 2R 均可表示為： 0R S??? （ 21） 式中 , 0? 為空氣的磁導(dǎo)率； S 為磁極的面積 ,δ為空氣間隙長(zhǎng)度 ,當(dāng)動(dòng)鐵心處于兩個(gè)極端位置時(shí) ,空氣隙的磁阻為 0R 及 SR 000R S??? （ 22） 0mR S? ??? （ 23） 式中 , 0? 為最小氣隙長(zhǎng)度 , m? 為最大氣隙長(zhǎng)度 , 0? m? 。 為了便于對(duì)磁路的分析和求解 ,若磁路為線性磁路 ,可采用疊加定理可將圖31 的磁路分解為圖 24三個(gè)磁路的疊加。 Φ m 1Φ m 2I N mR m R mR 1R 2I N 2R mR 1R 2+Φ 1 1Φ 1 2+I N 1 圖 24雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)磁路的疊加 Stacking of magic circuit on bistable PMA 在圖 32 的三個(gè)磁路中 ,每個(gè)磁路的總電阻分別為 14 1 2 1 212mmZm R R R R R RR RR??? ? （ 24） 1 2 1 21 2mmZ mR R R R R RR RR??? ? （ 25） 1 2 1 221mmZmR R R R R RR RR??? ? （ 26） 由 ? =IN/R 及分流后得 21 MM IN R? ? ? （ 27） 12 MM IN R? ? ? （ 28） 1211 ()MIN R R? ?? ? （ 29） 112 MINR? ? ? （ 210） 221 MIN R? ? ? （ 211） 2122 ()MIN R R? ?? ? （ 212） 式中， 1 2 1 2MMR R R R R R? ? ? ? 當(dāng)動(dòng)鐵心處于上部極限位置即斷路器合閘時(shí) ,動(dòng)鐵心的上端與靜鐵心的上磁極接觸 .此時(shí)要使斷路器實(shí)現(xiàn)分閘，即使動(dòng)鐵心向下運(yùn)動(dòng)，就要使分閘線圈中通過(guò)勵(lì)磁電流。在通電的瞬間， 1IN =0, 2IN = 32 可得出上下氣隙的磁通為 1 21 1m? ? ???； 2 22 2m? ? ??? （ 213） 15 將式 (27)、式 (28)、式 (211)、式 (212)代入得 1 1 []MmINR IN R?? ??? （ 214） 2 0 01 [ ( ) ]MmIN R R IN R? ? ? ?? （ 215） (2)當(dāng)動(dòng)鐵心處于下端極限位置，真空斷路器出于分閘狀態(tài)，可動(dòng)鐵芯下端與靜鐵芯下磁極接觸，要使可動(dòng)鐵心向上運(yùn)動(dòng)進(jìn)行合閘，應(yīng)在合閘線圈中通過(guò)電流產(chǎn)生勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。在通電的瞬間 , 1IN =IN, 2IN = 32 可得出上下氣隙的磁通為 1 11 1m? ? ???； 2 12 2m? ? ??? （ 216） 將式 (27)～式 (210)代入上式得 1 1 [ ( ) ]mmIN R R IN R??? ? ? ?? (217) 201 []mmINR IN R? ??? (218) (3)當(dāng)可動(dòng)鐵心位 于靜鐵心的中部時(shí) ,永久磁體通過(guò)上部和下部氣隙的磁阻大小相等 ,此時(shí)動(dòng)鐵心的上端和下端受靜鐵心的磁吸引力大小相等 ,動(dòng)鐵心處于一種不穩(wěn)定的平衡態(tài)。動(dòng)鐵心無(wú)論在合閘還是分閘過(guò)程中都要經(jīng)過(guò)這種不平衡狀態(tài) ,但是只要上下氣隙稍有變化 ,就會(huì)破壞這種不穩(wěn)定的平衡狀態(tài) ,過(guò)渡到上述兩種狀態(tài)。另外電流的微小變化也可以很輕易地破壞這種不穩(wěn)定的平衡 ,因此，對(duì)此狀態(tài)下的磁路進(jìn)行分析并無(wú)太大的現(xiàn)實(shí)意義。 永磁機(jī)構(gòu)的始動(dòng)安匝 當(dāng)真空斷路器處于合閘狀態(tài) , 永磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)鐵心與靜鐵心上部吸合 ,要實(shí)現(xiàn)對(duì)真空斷路器的分閘操作 ,要在分閘線圈中通過(guò)直流勵(lì)磁電流 ,增大上部氣隙磁 16 阻削弱其磁通 ,從而使動(dòng)鐵心受到的向上的合力 F1 減??；與此同時(shí) ,下部氣隙磁阻減小磁通增加 ,動(dòng)鐵心受到的向下的合力 F2 增大。當(dāng)線圈中的勵(lì)磁電流增大到一定的值時(shí) ,動(dòng)鐵心所受到的向下的合力等于動(dòng)鐵心上的機(jī)械負(fù)載 Fr,動(dòng)鐵心開始向下運(yùn)動(dòng)。若設(shè) Fr=0,則 F1=F2。因?yàn)槲?F 正比于 ? ,所以有： 12??? （ 219） 求 解得 IN 值 ,此 IN 值即為動(dòng)鐵心在上端和下端兩個(gè)極限位置下的始動(dòng)安匝SIN 。 當(dāng)動(dòng)鐵