永磁操动机构现状及发展

曹碧颖++周吉　陆宇

摘 要 随着科技的发展与进步，电力系统的稳定性、安全性被不断提出更高的要求，高可靠性的操动机构对电力系统的运行起着重要作用。永磁操动机构相比弹簧操动机构、电磁操动机构有着显著的优势，它的高可靠、免维护、智能化的特性使其应用广泛且拥有着很大的发展空间。

关键词 永磁操动机构；固态断路器；单稳态；双稳态

中图分类号：TM561 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）24-0022-02

随着未来智能电网技术的发展，基于电力电子技术的固态断路器将会逐渐取代传统机械式断路器。当电力系统出现故障时，传统开关过慢的关断速度不能有效地保护设备安全和维持良好的电能质量，同时会为客户带来巨大的经济损失。然而，高速动作的静态开关可以满足这种需求，能有效缩短分断时间，在市电或微电网遭遇故障时快速分离，实现孤岛运行，而故障排除后，当满足并网条件时，重合闸，并网运行，这也是微电网安全可靠运行的前提。

高速斥力开关也是静态开关最关键核心的部分，将集中操动机构进行简单比较，弹簧操动机构完全依靠凸轮机构与四杆联动机构进行机械传动来完成推动真空灭弧室的动作，其中，传动机构需要多个零件，零件材质、加工精度以及装配都对此机构有着直接影响，在制造工艺上有着相当严格的要求。经过长时间的运行，摩擦导致关键部件的磨损、锈蚀、润滑剂流失等都不能保证可靠的操作。电磁操动机构在运行时需使用昂贵的蓄电池来满足起合闸线圈的大功率损耗，操作时冲击大并且运动时间长，这些劣势使它较快被市场淘汰。然而，选用永磁操动机构，与电磁操动机构、弹簧操动机构相比，它利用永磁保持、电子控制，其结构简单、零件数目少，工作时，主要依靠动铁芯运动达到分、合闸极限位置，更避免使用到机械脱扣、锁扣装置。

1 永磁操动机构的结构及工作原理

永磁操动机构的运动部件只有动铁芯，这使得此操动机构的机械寿命长，机械可靠性高，目前永磁机构的形式主要有单稳态、双稳态永磁机构，其结构如下图所示。

双稳态永磁操动机构的剖面图如图1所示，双稳态永磁机构即双线圈永磁机构，当无需动作、保持在极限位置的状态时，线圈中不需要通电，动铁芯通过低磁阻通道所产生的磁场能量保持在分、合闸两个极限位置，为机构提供保持时所需的动力，而可以避免使用到任何机械脱口和锁扣装置。在操动机构接收到动作信号后，合闸或分闸线圈中的电流产生磁势，由分、合闸线圈与永磁体的耦合磁场驱动，受到了分、合闸线圈产生的磁场与永久磁铁本身的磁场合成产生的磁场力，完成开合任务。只要确定了其结构，则线圈参数就可决定它的分合闸特性。只与动铁芯无需消耗任何能量，即可在行程终止的两个位置就可保持在上、下两个极限位置。

而单稳态永磁操动机构中设有分闸弹簧，此机构剖面图如图2所示，并且采用了单线圈结构。此结构中，分、合闸动作是通过同一线圈来完成的，在线圈上通不同方向的电流来实现。

上部为动铁芯分闸位置，动铁芯与上部的静铁芯之间间隙较小，所以磁阻也较小，而动铁芯与下部的静铁芯之间间隙较大，相对应的磁阻也较大，故永久磁铁所形成的磁力线大部分集中在上部，从而产生很大的向上吸引力，将动铁芯紧紧地吸附在上面。若动铁芯向下运动，即合闸，底部气隙通过的磁力线减少，则磁阻也减少，动铁芯向下加速运动，至超过一半位置后，线圈中电流产生的磁势加上永磁体合成的力使动铁芯运动速度急剧加快，直至到达分闸位置。

2 永磁操动机构的现状

在20世纪80年代末，以欧洲的英国、德国为代表的开关公司，将永磁操动机构应用于中压开关中去。GEC公司于1989年与英国曼彻斯特大学合作，为其设计了一台永磁操动机构模型，经过六年后，由英国的Whipp&Bourne公司对此操动机构的结构进行了修改。ABB Calor Emag开关设备公司领先推出了他们最新研制的配有永磁操动机构的VM1型真空断路器，在汉诺威博览会上向大家展示出了此款独特的真空断路器的样品[2]。

ABB推出的VM1真空断路器中采用双稳态永磁操动机构，采用电容器作为充放电元件，可实现重合闸操作，机构结构图如图3所示。此结构由两个可产生磁场的分、合闸电力线圈14、11控制动铁芯13运动到上、下两个极限位置，开关的操作时通过激励分闸或合闸线圈直到其产生的驱动磁力超过永磁铁的磁力为止。动铁芯13可通过主轴8直接驱动真空灭弧室内的动触头，磨损小到可忽略不计，真正达到了无磨损部件、免维护的状态。

在ABB公司领先将采用永磁操动机构的真空断路器推向市场后，法国的阿尔斯通公司推出了一种选用到非对称磁力操动机构的中压断路器。永磁操动技术早已成为了国外多家公司的开发热点，国内的部分断路器生产厂家、科研院所也在对永磁操动机构技术进行研制。

海军工程大学对混合型限流断路器中的操动机构不断进行优化设计，将永磁操动机构运用于其中的高速机械触头机构，利用了电磁斥力机构的机械延迟时间短、初始运动速度高等优点，实现驱动机械触头的高速分闸。此设计中融入了永磁机构，使其单独驱动完成分、合闸动作，以减小动作过程对触头的冲击，提高触头的机械寿命，同时，也想触头提供了合闸状态下的触头压力以及在分闸状态下的锁扣力[3]。

北京北变微电网技术有限公司将永磁操动机构运用在其分布式光伏智能并网箱的专利中。此并网箱在接收到电流检测装置读取到的电流信息后，对电流信息进行处理和逻辑分析，并在判断出电流故障后输出控制指令，永磁操动机构快速进行分合闸动作，实现快速动作、快速保护出口、快速切除故障的目的。此快速永磁操动机构结构如图5所示。

如图所示，此机构采用永磁机构实现驱动合闸以及分、合闸保持，在快速分闸的同时减小过冲和反弹，从而保证快速开关的可靠合闸。输出轴6上固定连接有动铁芯，动铁芯位于分闸位置挡板7与合闸位置挡板11之间，输出轴的上部还设有分闸弹簧5，分闸弹簧上端与金属斥力板2压力接触，下端与分闸位置挡板7压力接触。此机构通过消磁线圈10可以在分闸或合闸动作是抵消永久磁铁对动铁芯的固定作用，通过分闸弹簧进一步增强了分闸时的驱动力，提高了此机构的分闸动作的

速度。

3 结束语

静态开关是实现智能电网无缝切换的必要组件，有力地保证微电网在并网或孤岛运行的情况下的正常运行，并且在并

网/孤岛模式间能平稳地过渡。稀土永磁材料被选用来制作为永久磁铁，这是由稀土金属和过度金属形成的合金，经一定的工艺制成的，钕铁硼稀土永磁材料的理论磁能积为64MGOe，饱和磁化强度为1.6T，不易受外界磁场的影响，有极强磁性并能持久保持。尽管永磁操动机构的优点显著，在合闸的可靠性、机构强度、斥力线圈参数等方面仍有待于提高，对此机构在实现工程化上进一步优化。

参考文献

[1]林莘.永磁操动机构与真空断路器[M].机械工业出版社，2002：55-78.

[2]杨明.真空断路器永磁操动机构研究[J].电力系统装备，2010（9）：76-79.

[3]徐国顺，江壮贤，庄劲武，等.新型高速触头驱动机构的分析与设计[J].海军工程大学学报，2012，24（6）：6-15.

[4]张月存，金浩，周红霞，等.真空断路器永磁操动机构的应用与发展[J].黑龙江电力，2006，2428（4）：254-263.endprint