一种新型永磁快速操作机构的设计与仿真

赵成宏

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064）

0 引言

永磁机构和电动斥力机构都是在传统的电磁机构基础上发展起来的新型机构，目前已在开关电器中得到应用。

永磁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目少，容易实现动作控制，动作时间的分散性小，但是由于线圈匝数多、铁芯磁导率大等因素引起机构输入电感较大，所需的励磁时间较长，在快速性方面不易实现。

电动斥力机构则是借助弱磁性物质在脉冲磁场中感应涡流，与线圈电流间相互排斥，从而带动机械触头短时间内快速运动，电动斥力机构分合闸线圈匝数较少，且金属盘的涡流具有瞬变去磁效应，因此机构等效输入电感较小，励磁时间短，斥力大，机构输出的速度快，但是由于斥力机构速度过快，一般只能用于分闸。

为了结合电动斥力与永磁操作各自优势，获得理想的刚分速度及出力特性，提高断路器的分断性能，本文提出了一种新型永磁快速操作机构设计方案，并利用Maxwell软件建立了永磁快速操作机构的参数化模型，并利用实验模型验证了仿真模型的正确性，分析了机构参数变化对永磁快速操作机构特性的影响。

1 新型永磁快速操作机构

永磁快速操作机构将永磁机构和电动斥力机构结合在一起，其半轴截面结构简图如图1所示，永磁快速操作机构包括永磁体、动铁芯、静铁芯、斥力盘、线圈、导杆、弹簧等，其中动铁芯与斥力盘固定在一起。该永磁快速操作机构的特点，是采用电磁吸力驱动合闸过程，采用电磁斥力驱动分闸过程。

注：1-导杆，2-套筒，3-弹簧，4-铝盘，5-端盖，6-调整螺母，7-缓冲弹簧，8-动铁芯，9-分闸线圈，10-法兰，11-合闸线圈，12-静铁芯，13-永磁体，14-底板。

2 永磁快速操作机构的仿真计算

本文基于成熟的电磁仿真平台 ANSOFT的Maxwell系列软件，搭建永磁快速机构的电磁模型（图2），仿真分析通过改变某些主要参数，得到各个主要参数对永磁快速操作机构性能的影响，从而实现永磁快速操作机构的优化设计。

2.1 不同电容对分闸的影响

在电容容量为3300 μF情况下，设置电容充电电压分别为1100 V，1180 V，1200 V，1250 V，1300 V，1400 V时，得到仿真结果如图3所示，由仿真结果可知：充电电压越高，越有利于提高刚分速度，不过也会导致分闸平均速度增大，不利于分闸后半段的缓冲设计。依据仿真结果，选择充电电压为1180 V时最为合适，此时机构在1 ms运动3.65 mm。

图4为两种方案放电电流、电动斥力、位移、速度的仿真曲线，由仿真曲线可知，增大电容容量会延迟线圈电流、电动斥力峰值到达时刻，不利于刚分速度的提高，同时分闸全程平均速度也更高，不利于分闸缓冲装置的设计。因此方案 b更适合断路器分闸机构的设计要求，即小容量、高充电电压的方案更有利于断路器分闸机构。

2.2 斥力盘及斥力线圈对合闸过程的影响

同研究快速永磁机构分闸过程一样，需要研究永磁和斥力相组合机构的紧凑化设计对合闸过程的影响，这里主要是指用于分闸操作的分闸斥力盘和斥力线圈对合闸模块的影响。建立不含斥力盘与线圈的模型，同完整的仿真模型进行比较。

对上述两种结构进行仿真对比，考察机构运动过程中，斥力线圈电流、电动吸力、位移、速度等动态特性的变化情况，反正结果如图5所示，由上述仿真结果可以看出，两种结构下仿真结果十分相近，可见，用于分闸的斥力线圈及斥力盘对合闸过程影响很小。

3 结语

本文提出一种新型永磁快速操作机构设计方案，将永磁机构和电动斥力机构紧凑的结合在一起，获得了电动斥力与永磁操作各自优势。利用Maxwell软件，搭建永磁快速机构的电磁模型，通过对电路、磁场和机械运动的耦合计算，实现了永磁快速操作机构动态仿真分析，研究了参数变化对永磁快速操作机构特性的影响。

[1]Yoshihiro Kawase,Hiroyuki Mori,Shokichi Ito.3-D element analysis of electrodynam-ics repulsion forces in stationary electric contacts taking into account asymmetric shape[J].IEEE Transactions on Magnetics,1997.

[2]Ito S,Takato Y,Kawase Y,e t al.Numerical analysis of electromagnetic forces in low voltage AC circuit breakers using 3-D finite element method taking into account eddy current.IEEE Transactions on Magnetics,1998,34(5):2597-2600．