基于双稳态永磁操作机构的不同结构的电磁吸力分析

李卫国　赵智忠

摘 要：为了保证断路器长期的动作可靠性，也为了满足低压真空断路器灭弧室的性能要求，本文提出四种常见的不同结构形式的双稳态永磁操动机构，通过对双稳态永磁操作机构原理的分析以及利用真空灭弧室参数的要求进行理论计算最终得出操作机构的一些参数，最后利用软件ansoft对永磁体实体模型的磁场进行有限元分析，通过对比不同大小电流下的电磁吸力从而进行优化设计并最终确定一种结构，并且说明这种结构的合理性、可行性。

关键词：低压真空断路器；双稳态永磁操作机构；真空灭弧室参数；实体模型；有限元分析

中图分类号：TM153 文献标识码：A

1 引言

低压断路器广泛应用于低压配电路中，它不仅担负着反复地接通与断开低压配电电路，而且当电路发生过载、短路等故障时可以立刻动作，断开电路。

近年来，随着技术的发展一些基于真空灭弧室的低压断路器相继出现，但其操动机构基本上是传统的弹簧或电磁操动机构。由于在低压电器中80%的故障都是机械故障。而弹簧操动机构则是靠机械传动，零部件数量多，传动结构复杂，发生故障的概率很高，所以减少机械部件成为减少故障问题的主要方法。

永磁操动机构作为一种新型真空断路器的操作机构，零部件少，运动部件只有一个动铁心，所以大大降低了故障源，几乎不存在可靠性的问题、免维护，而且它的出力特性与反力特性配合良好，已经普遍应用于中、高压领域。本文设计一种配合低压真空灭弧室的双稳态永磁操动机构。对几种不同结构的双稳态永磁操动机构的电磁吸力特性进行分析。

2 设计模型

2.1 四种不同的结构设计

对电压等级不同的真空断路器，由于所带负载、传动机构的不同，动铁心受永磁体的力也不相同，机构的分、合闸动作的时间（分合闸时间）、速度（分合闸速度）也不相同，因此永磁操动机构的结构形式、性能参数也不相同。所以，不同的断路器，根据情况的不同需配备不同结构形式的永磁操动机构。在设计结构前，首先应该对结构、参数和能耗进行分析计算，使其均达到目标要求。由此本文提出了结构形式不同的四种双稳态永磁操作机构：（a）永磁体紧靠动铁心，（b）永磁体紧靠动铁心，但由于在气隙下面加了极靴，因此整个动铁心的长度减小，但是动铁心的行程与（a）保持相同，（c）永磁体紧靠静铁心，（d）永磁体占满整个磁轭部分。

2.2 双稳态永磁操动机构工作原理

虽然结构各不相同，但工作原理却一致，以（a）为例说明。

假设开始时断路器位于合闸的状态，那么动铁心处于操动机构的顶部。所以机构上端空气隙小磁阻小，下端空气隙大磁阻大，因此由永磁体所产生的磁力线绝大部分都通过上部磁路，将动铁心吸合在合闸位置。

当对断路器进行分闸操作时，只需在分闸线圈中通过大小适当的电流，而这一电流产生的磁力线和静铁心上部的磁力线方向完全相反，起到抵消的作用。但是分闸线圈在中部产生的磁力线方向与永磁体在中部产生的磁力线方向却一致。因此动铁心受到的向上的电磁吸力逐渐减小，当分闸线圈中的电流增大到一定程度时，动铁心所受到的电磁吸力之和大于动铁心上的负载，此时动铁心将会向下运动。

当动铁心开始向下运动时，其机构顶端与静铁心的上面的磁极之间的空气隙会越来越大，进而使上面的磁阻逐步增大，而下面的磁阻则会慢慢变小。并且向下运动的过程中伴有电流的增大，使动铁心受的向下的合力增大，进而使得整个动铁芯加速向下运动。当动铁芯到达底部会被永磁体所吸合，此时即使断开分闸线圈中的电流，动铁心依旧会维持在机构的底部即分闸状态。

合闸过程与分闸过程完全相似；这里不再叙述。

3 理论分析及计算

以上的公式说明任何磁场都可当作由分布电流产生，根据经验永磁体有以下两种电流模拟的方法：

（1）永磁体整个区域内部充满电流的模型（体电流模型）。

（2）永磁体外部边界上存在的电流的模型（面电流模型）。

4 仿真及优化设计

永磁操动机构的分、合闸操作以及位置维持依赖于机构内部的磁场变化来实现，所以对机构中的磁场变化进行研究具有重要意义。根据经验和实际理论计算出的尺寸进行实体建模并做如下仿真。

（1）未通电情况下，永磁体单独作用的磁通分布可以说明其工作原理。由于下面的磁路的空气隙使磁阻很大，所以此时磁通几乎都通过上面的磁路。

（2）当接收到分闸命令后，分闸线圈中开始通电，线圈产生的磁场使动铁心下面的磁场变强。随着电流的不断增强，动铁心受线圈产生向下的吸力变大，此力与永磁体产生的电磁吸力相反。使动铁心受到的向上电磁吸力越来越小。

（3）通过对不同电流等级的磁力线分布获得不同结构下的电磁力之和，通过分析结果进而做出优化选择。由于优化是又一个深入的课题，再次就不加以论述。

结论

根据以上实验数据，可以得出：

（1）当分、合闸线圈中通入的电流为零时，动铁心受到的吸力与其体积成正比。

（2）（a）结构线圈作用在动铁心上的力是最先克服永磁吸力向下运动的，而（b）、（c）、（d）结构的线圈需要通入很大的电流才能使动铁心开始动作。

由此可知，在设计永磁机构时，选择方向的不同，会使设计的结构也不同。如果从节能方面考虑，（a）结构更加合适，原因是和另外三种结构相比（a）中线圈通入的电流很小时动铁芯就开始动作；若从结构小型化来设计，（d）更好，因为在操作设备体积相同的时候，（d）结构提供的永磁吸力是最大的。尽管（c）结构耗能大，但是也有它自己的优点，比如如果通入的电流很大时它所產生的永磁吸力也很大，所以（c）结构更适合电压相对较高的真空断路器。

综合考虑低压真空断路器灭弧室的性能要求（动作快，精度高），所以在设计操动机构时，（a）更合理、可行。

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