高压断路器脉冲功率型永磁直线电机操动机构.pdf

一种高压断路器脉冲功率型永磁直线电机操动机构，属于输变电设备中关于高压断路器操动机构的技术领域，包括初级铁心、次级铁心、电机主轴和电枢绕组，初级铁心中设有两块对称的次级铁心，两块次级铁心之间设有隔磁材料，每块次级铁心一端接有一个电机主轴，次级铁心中嵌入电枢绕组；初级铁心和次级铁心端面之间设有隔磁材料，每块次级铁心侧面和初级铁心之间设有永磁体。本发明的优点：本发明的操动机构结构设计时充分考虑分合闸位置的特殊性，特别设计了隔磁材料，永磁块放置在静止的初级铁心之上，同时为了产生较大的电磁推力，起动时间小，能达到较高的动态特性要求，很好的配合断路器特性要求。

1、  一种高压断路器脉冲功率型永磁直线电机操动机构，包括初级铁心、次级铁心、电机主轴和电枢绕组，其特征是初级铁心中设有两块对称放置的次级铁心，两块次级铁心之间设有隔磁材料，每块次级铁心一端接有一个电机主轴，次级铁心中嵌入电枢绕组；初级铁心和次级铁心端面之间设有隔磁材料，每块次级铁心侧面和初级铁心之间设有永磁体，永磁体放置在初级铁心上。

2、  按照权利要求1所述的高压断路器脉冲功率型永磁直线电机操动机构，其特征在于所述的永磁体厚度在6～10mm范围之间。

3、  按照权利要求1所述的高压断路器脉冲功率型永磁直线电机操动机构，其特征在于所述的永磁体之间设有隔磁材料。

4、  按照权利要求1所述的高压断路器脉冲功率型永磁直线电机操动机构，其特征在于每块次级铁心上下侧面各设有一个永磁体。

5、  按照权利要求4所述的高压断路器脉冲功率型永磁直线电机操动机构，其特征在于次级铁心上侧面永磁体的磁感线沿垂直水平方向90°；次级铁心下侧面永磁体的磁感线沿垂直水平方向-90°。

高压断路器脉冲功率型永磁直线电机操动机构
技术领域
本发明属于输变电设备中关于高压断路器操动机构的技术领域，涉及到一种高压断路器脉冲功率型永磁直线电机操动机构。
背景技术
高压断路器是电力系统中极其重要的开关设备，其运行好坏直接关乎整个系统的稳定性、可靠性；而高压断路器操动机构又是其重要的组成部分，它不但要保证断路器长期的动作可靠性，而且要满足灭弧特性对操动机构的要求，因此高压断路器操动机构的设计是否合理对整个电网起着至关重要的作用。
电力系统不断向高电压、远距离、大容量方向发展，在提高经济性的同时，安全可靠的问题也突出起来；定量评定和改善电力系统的可靠性越来越受到人们的重视。因此有必要研制一种新型的操动机构来满足电力系统稳定可靠方向的要求。
传统操动机构主要包括弹簧操动机构、液压操动机构、液压弹簧操动机构等，这些操动机构由于存在零部件多、可控性较差、结构复杂等多方面的缺点，导致其在运行过程中出现故障的频率比较高，所以新型操动机构的研制与开发就显得尤为紧迫和重要。
发明内容
为了解决现有操动机构结构复杂、可控性差等缺陷和不足，本发明提供了一种高压断路器脉冲功率型永磁直线电机操动机构。
对于脉冲功率型直线电机来说，该类型的电机主要用于工作时间较短的场合，属于短时工作制，其供电采用大电容供电，电流呈现脉冲波形式，且变化较快，因此瞬间产生一个较大的电磁推力，其功率也是呈现该趋势，因此该类型电机特别适用于高压断路器的分合闸场合。
本发明采用的技术方案是：包括初级铁心、次级铁心、电机主轴和电枢绕组，初级铁心中设有两块对称的次级铁心，两块次级铁心之间设有隔磁材料，每块次级铁心一端接有一个电机主轴，次级铁心中嵌入电枢绕组；初级铁心和次级铁心端面之间设有隔磁材料，每块次级铁心侧面和初级铁心之间设有永磁体。所述的永磁体放置在初级铁心上，永磁体之间设有隔磁材料。
本发明的一种优选方式：每个次级铁心上下侧面各设有一个永磁体。次级铁心上侧面永磁体的磁感线沿垂直水平方向90°；次级铁心下侧面永磁体的磁感线沿垂直水平方向-90°。
所述的永磁体厚度在6～10mm范围之间。每块次级铁心上下侧面各设有一个永磁体。次级铁心上侧面永磁体都是为垂直90°方向(即由N极指向S的方向为90°，)；次级铁心下侧面永磁体均为-90°方向。永磁体厚度大约在6～10mm范围之间，宽度和长度与设计所要求的负载侧特性要求有关。
该操动机构的主轴和高压断路器的动触头通过传动机构连接为一个整体作为运动体系的动子部分。脉冲功率型永磁直线电机操动机构概括起来包括动子和静子两大部分；其中动子部分由两块开槽的对称铁心和一个中间绝缘部分组成；静子部分包括导磁部分、永磁块、分合闸保持力对应的绝缘；另外还有动子和静子铁心所连接部分——轴承。动子铁心开槽，里面镶嵌绕组；主磁场通过永磁体而建立，在动子铁心中的电枢绕组中通入直流电，这样通电导体在磁场中受到力的作用就驱动整个动子部分发生运动，从而通过连杆机构带动断路器动触头运动实现分合闸操作。
本发明实现过程：操动机构的主轴和高压断路器的动触头通过连杆连接，当操动机构侧上下运动时直接带动断路器的运动，所以时间上不存在滞后性。在分合闸位置，该操动机构在设计时特别添加了左右隔磁材料，目的是通过调节其厚度来满足其所需要的分合闸保持力，使之维持在分合闸位置；电源采用电容来供电，使电枢绕组内产生较大瞬态电流，由于永磁体的存在，两个磁场的相互作用根据安培定则而产生瞬间较大的电磁推力从而来实现分合闸操作。
本发明的优点：本发明的操动机构结构属于针对高压领域断路器的设计，所以在设计时充分考虑分合闸位置的特殊性，特别设计了隔磁材料，包括分闸隔磁材料(用于调整分闸保持力而添加)和合闸隔磁材料(用于调整合闸保持力而添加)，如附图2中所示，而且考虑到失磁危险的可能性，永磁块放置在静止的初级铁心之上，同时为了产生较大的电磁推力，电枢绕组中通入的为电容提供的直流电，并联支路数为4，目的是保证足够大的电流，其中三个槽中绕组串联组成一个支路，电阻为0.198Ω，把导体并联起来之后，电阻阻值变小，这样有利于减少电容供电电压，动态反应较快，从而使整个的设计建立在简单而且功能齐全之上。本发明克服了传统操动机构传动机构复杂、零部件多、动态响应较慢、占用空间大、且不可控等缺点，直接利用电流在磁场中受到的安培力作用来实现分合闸，工作原理简单可靠；机构上下两部分绕组的设计，增大了起动电磁推力，而且能在较短时间内产生非常的加速度，实现断路器的快速动作；在分合闸位置根据马氏公式直接利用永磁体产生的磁吸力来使断路器维持在分合闸位置，简化了机构；电机采用电容供电，瞬间功率大；动作高度可靠，运动行程大且可控；起动时间小，能达到较高的动态特性要求，很好的配合断路器特性要求。
由于具有以上的特点，使得脉冲功率型永磁直线电机操动机构除了工作可靠稳定外还能够提供较大的起动推力；而且减少了复杂的传动机构，使机构的质量大为减小，能量损耗小，提高了效率；同时也提高了整个装置的精度和可靠性，具有高响应和高精度的特点并且运动过程可控，满足当前电力系统中的智能化要求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明一种实施例中脉冲功率型永磁直线电机操动机构的示意图；
图3是本发明的磁通路径和电流走向图；
图4是本发明的绕组分配电路图；
图5是本发明一种实施例的等效电路图，
图6本发明一种实施例的位移随时间变化的仿真结果图
图7本发明一种实施例的速度随时间变化的仿真结果图；
图8本发明一种实施例的脉冲功率曲线图。
图中：1-静触头、2-动触头、3-连杆、4-脉冲功率型永磁直线电机5-电机主轴、6-合闸隔磁材料、7-初级铁心、8-电枢绕组、9-永磁体一、10-次级铁心、11-次级铁心隔磁材料、12-永磁体间隔磁材料、13-永磁体二、14-分闸隔磁材料、15-永磁体三、16-永磁体四、17-电流流通路径、18-磁通路径。
具体实施方式
结合附图对本发明做进一步描述：
图1为结构示意图，以126kV SF₆断路器为例进行设计，灭弧室要求脉冲功率型永磁直线电机操动机构提供分闸电磁推力为21000N，分闸速度为4.6m/s；而合闸时其电磁推力为15000N，合闸速度为1.4～1.7m/s；依据本型号SF₆断路器侧的要求，本发明设计了这种脉冲功率型永磁直线电机操动机构。
本发明SF6高压断路器脉冲功率型永磁直线电机操动机构，其中1为静触头，2为动触头，3为连杆，4为脉冲功率型永磁直线电机，电机所产生的电磁推力通过电机主轴和连杆与断路器的动触头连接一起实现断路器的分合闸操作。
本发明装置的结构：永磁直线电机采用扁平型结构，其沿中心线的剖面图如图2所示：5为电机主轴，通过它来和断路器连接在一起，脉冲功率型永磁直线电机操动机构的结构图如图2所示：整个装置采用扁平型结构，初级铁心7和次级铁心10以及永磁体构成整个磁通成一个闭合回路，初级铁心由硅钢片叠压成框形，初级铁心7的框形之中设有两块对称的次级铁心10，两块次级铁心10之间设有隔磁材料11，每块次级铁心10一端接有一个电机主轴5，次级铁心10中嵌入电枢绕组8；初级铁心7和次级铁心10端面之间设有隔磁材料，其中第一块次级铁心端面和初级铁心端面之间设有合闸隔磁材料6，第二块次级铁心端面和初级铁心端面之间设有分闸隔磁材料14。每块次级铁心侧面和初级铁心之间设有永磁体。所述的永磁体放置在初级铁心上。其中第一块次级铁心上侧面与初级铁心之间设有永磁体一9，下侧面与初级铁心之间设有永磁体四16；第二块次级铁心上侧面与初级铁心之间设有永磁体二13，下侧面与初级铁心之间设有永磁体三15；永磁体之间设有隔磁材料，即永磁体一和永磁体二之间设有永磁体间隔磁材料12。
本发明的磁通路径如附图3(垂直截面图)，当电枢绕组通电时，由于永磁体磁场的存在，根据安培定则，绕组受到水平方向脉冲电磁推力的作用，由于绕组镶嵌在次级铁心10的槽中，因此带动整个次级产生水平运动，这样电机主轴5通过连杆3和断路器动触头连接在一起实现断路器的分合闸操作。电流流通路径17，磁通路径18。当断路器到达合闸或者分闸位置时，电枢绕组电流为零，其保持力是通过永磁体对铁心的吸力而产生，通过计算找到合适的绝缘使之达到要求的吸力。
图4为绕组分配图，其中(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)为一个串联支路；(7)、(8)、(9)、(10)、(11)、(12)为一个串联支路；(13)、(14)、(15)、(16)、(17)、(18)为一个串联支路；(19)、(20)、(21)、(22)、(23)、(24)为一个串联支路。图5即为等效电路图，从图中可以看出，整个绕组回路被分成四个支路，这样有助于减小电阻和电感，在实现较好的动态特性前提下，电容电压较小，而且电流比较大。
图6是本发明一种实施例的位移随时间变化的仿真结果图，从图中可以看出，分闸过程在40ms内已经结束，满足设计要求；
图7为本发明一种实施例的速度特性曲线仿真结果图，从图中可以看出速度曲线比较理想，较合理的满足了断路器分合闸速度特性的要求；
图8为本发明一种实施例的脉冲功率曲线图，从图中可以看出，该脉冲功率有一个明显的上升到下降的变化过程。