永磁机构原理分析与磁路设计探讨

杨玉辉

摘 要：永磁机构近几年发展迅速，核心技术已日渐成熟，目前国内电力配网设备已经逐渐推广应用。该文从永磁机构的组成结构入手，总结归纳了永磁机构的原理和特性、计算分析及应用等，阐述永磁机构磁路静态設计的基本分析方法。

关键词：永磁机构 原理分析 磁路设计

中图分类号：TM561 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）04（c）-0062-01

永磁机构是采用磁铁的永久磁力保持断路器处于合、分闸位置，并用电磁力驱动实现断路器合分闸动作的操作机构。作为电力设备的重要元件，永磁机构的特性很大程度上决定着成套设备的稳定可靠性。这主要是由于永磁机构的结构简单，零部件少，核心运动部件唯一，而且无需机械脱、锁扣装置，故障源少。以下以单稳态永磁机构为例进行分析。

1 原理

永磁机构的结构组成中，合、分闸回路共用一个线圈，通过外围电路控制线圈电流的方向，合闸操作时通正向电流，分闸操作时通反向电流。通过变换的磁场改变合、分闸回路的磁力。

当动铁芯位于合闸位置时，永磁体的磁场主要作用于动铁芯的闭合端，永磁体与静铁芯、动铁芯及磁轭组成的闭合磁环路，产生足以克服来自于系统负载反力的永磁保持力，使动铁芯牢牢地与静铁芯“吸”在一起，从而使设备的负载触头保持接通状态。

当分闸线圈通电后，激磁线圈的外加磁场与永磁体的磁场相抵消，永磁保持力随激磁电流上升而下降，当激磁电流达到分闸触动值后，永磁保持力小于负载反力，在分闸弹簧的作用下，动铁芯从合闸位置运动到分闸位置，即图示磁轭的左端面，同时带动负载主轴（触头）执行分闸操作。此时的合闸磁路完全断开。

2 分析

磁路设计与运动力学分析的结合使得永磁机构按照既定要求的输出变得可能。由此可见，进行永磁机构设计的关键在于磁路设计。根据设备要求的输出力值，据此演算推导出永磁机构中各元件的参数，包括动、静铁芯的磁场强度、磁通密度，永磁体的磁通场强，以及线圈的参数，根据等效磁路设计合理的永磁机构尺寸。

在常规永磁机构的磁路中，磁场影响可分为3种情况：极化、磁化和传导。分别是通电后线圈的极化磁性，永磁体对动铁芯的磁化和合分闸磁路间的磁传导。

2.1 线圈分析

永磁机构线圈的合分闸力值大小很重要的参数就是始动安匝数，它的大小直接体现线圈的极化程度，进而影响合分闸速度。实际上，始动安匝数直接决定了线圈的体积，输出力越大，相应的线圈体积越大。安匝数的值等于激磁线圈匝数与激磁电流之积。永磁机构始动安匝数对永磁机构有以下影响：（1）分闸激磁线圈匝数越多，线圈的电感就越大，这不但影响机构的激磁时间和分闸时间，而且产生较大的感应电动势。（2）分闸电流既影响激磁线圈本身的温升又影响永磁机构控制回路。

线圈的形式采用在圆柱面上均匀地绕以漆包铜导线。在电磁力计算中，不考虑磁势及导磁材料磁阻的影响，忽略导磁材料的磁滞效应，假定材料均匀且各向同性。根据输出力值，依次求出线圈磁路的吸力，磁感强度等几个关键数据。直流螺线管电磁铁，稳态工作时的吸力及磁感应强度分别为：

=

从公式可以看出，要想提高电磁铁线圈吸力，在电压不可变的条件下，可以通过提高线圈匝数，减小线圈绕阻或者减小动铁芯行程等手段实现。在实际应用中，采用增加线圈匝数的方法较为现实。但同时，线圈匝数会直接影响线圈的整体尺寸，进而影响永磁机构的尺寸。所以，考虑如何在尽可能小的尺寸情况下满足使用要求就成为平衡点。

2.2 磁路分析

合分闸磁回路决定了机构在合分闸运动过程中的效率。由于机构是在电动条件下工作，磁路的间隙不恒定，随着工作位置而变动，磁路的磁通、磁阻也在相应而变，所以永磁体所受的退磁场为动态函数。我们把复杂磁回路结构进行简化，归结为若干典型磁路，用等效磁电路模型进行分析。

将整个磁路分为永磁体、动铁芯、气隙、静铁芯几部分，分别计算各部分的磁阻，依据磁路欧姆定律求出磁路的磁通φ。

另一方面，磁路中磁轭，用回路的基尔霍夫第二定律和磁能公式有

由上式可见，要提高环路的磁效率，应该使永磁体工作在最大磁能积所对应的点附近，即（BmHm）的数值要尽量接近所选材料的（BmHm）MAX点。

当选择合适的永磁体尺寸比时，可使磁体工作在最佳工作状态。其中为磁路的长度，此值决定了合分闸磁路的长度，也就是静铁芯与动铁芯、磁块构成磁回路的周长。

在实际设计应用中，在分闸工作气隙内，可以适当减少通过铁芯端面的磁通量，起到减小分闸始动安匝数、减少分闸过程中的永磁吸力、提高分闸速度的目的。由于分闸磁通量减少的影响，在合闸状态时，合闸保持力由原值减小至60%～70%左右。为提高合闸保持力，通过调整动铁芯与静铁芯的接触面积或气隙，就可以调整合闸保持力。

3 结语

从以上分析可以看出：线圈始动安匝数要依据电流值合理确定，综合考虑分闸起始安匝数与合闸保持力。永磁机构的设计依据是分、合闸位置的保持力和分、合闸速度的大小，而保持力是确定永磁体尺寸、动铁芯端面积及工作气隙的关键参数。运动过程的特性仿真是激磁线圈参数设计的保证，根据分析结果来完善产品参数可提高设计开发效率，缩短开发周期，克服只能通过加工样机才能验证结果的缺点。

在永磁机构设计开发的过程中，静态计算只能确定永磁机构在两个稳态位置的保持力大小，仅有助于动铁芯及永磁体尺寸的确定。而线圈参数的设计、机构各部件的相对安装位置及整个机构的优化设计则依赖于进一步的磁场动态分析计算。永磁磁路可以有不同的磁路结构方式实现，但磁路设计的分析方法是相通的。

永磁机构本身非常稳定可靠，但还有一些不足，最显著的缺陷是永磁体在高温下的退磁，储能电容器的质量问题，与之配套的驱动控制部分相对比较复杂，控制模块的稳定可靠性有待加强，其电子元器件存在老化失效或电流冲击失效问题。但是随着电力设备技术的发展，永磁机构必将走向成熟，具有更加广阔的发展和应用空间。

参考文献

[1] 林其壬，赵佑民.磁路设计原理[M].北京：机械工业出版社，1987.

[2] 胡友秋，程福臻，刘之景.电磁学[M].北京：高等教育出版社，2012.