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1、方形永磁机构与圆形永磁机构的比较游一民1 ，陈德桂，孙志强1 ，王胜林3( 1 西安交通大学电气工程学院，西安7 1 0 0 4 9 ；2 西安高压电器研究所，西安7 1 0 0 7 7 ；3 陕西警官职业学院，西安7 1 0 0 4 8 ) 摘要 本文通过对方形机构与圆形机构动特性的计算，对两种永磁机构的性能进行了比较，在满足真空断路器的分，合闸速度特性的基础上，方形机构的铁心的质量永久磁铁的质量、机构的体积与总重量，都明显大于圆形机构而且在分、夸闸操作过程中，分合闸践圈的峰值电流消耗的能量大于圆形机构的电流和所消耗的能量。【A b s t r a c t 】t h ep a p e rd
2、e s c r i b e dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fc i r c u l a ra n ds q u a r ep e r m a n e n tm a g n e tm e c h a n i s m B a s e do ns a t i s f y i n g t h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f t h ev a c u a r nc i r c u i tb r e a k e r , t h e l l a s s e so f i r o nc
3、 o r e a n dp e r m a n e n t m a g n e t , t o g e t h e r w i t ht h ev o l u m ea n dt h et o t a lm a s so ft h em e c h a n i s mo ft h ec i r c u l a rs t r u c t u r e ，a r ea l lo b v i o u s l yl e s st h a tt h o s eo ft h es q u a r eo n eF u r t h e r m o r e ，c o m p a r e dw i t ht h e
4、s q u a r es t r u c t u r e , c o n s u m p t i o ne n e r g ya n dt h ep e a kv a l u eo ft h eo p e r a t i o nc u r r e r t to ft h ec i r c u l a rs i r n c t u r ea r ea l ll e s s 近年来，一种用于中压真空断路器的永磁保持、电子控制的电磁操动机构( 简称永磁机构) 在户内、户外中压断路器领域对传统的弹簧机构提出了挑战，引起了开关行业的关注。它的原理、结构特点、性能以及与其相配的免维护真空断路器的开发研制已
5、成为电器制造企业和运行部门的热点。从国内及国外的永磁机构的产品可以看出，永磁机构的形状大致有两种，一种为圆形，另一种为方形。A B BC a l o rE m a g 开关设备公司研制出了V M l 型真空断路器所配的永磁机构为方型【l 】。英国的W h i p p & B o u r n e 公司生产的G V R 柱上真空断路器上的永磁机构，其形状为圆形，如图l 所示。图1G V R 柱上真空断路器近几年国内生产的永磁机构也有圆形和方形两种，例如西安高压电器研究所设计的Z W 3 3 型户外柱上真空断路器的永磁机构为方形，Z W 3 3 A 型户外柱上真空断路器的永磁机构为园形，南京自动化研
6、究所生产的Z W 型户外柱上真空断路器的永磁机构也为圆形。那么，到底是圆形的机构更优还是方型的机构更优。或者是在什么情况下用哪种机构。可以通过对机构及断路器进行静态和动态特性进行分析，得出一个优选的方案。电磁机构的动态方程，在电路上必须遵循电压平衡方程，在运动上必须遵循达朗贝尔运动方程，在磁场上2 6 5 - - 必须遵循麦克斯韦方程这些方程问存在相互的联系，构成了描述动态过程的微分方程组【2 】。如图2 所示为一种双线 翻式永磁机构，当机构的线圈通过电容器进行放电时( 电容器上的电压为U 时) ，线圈电流由零开始逐渐增加，若线圈电阻为R ，忽略铁心中涡流对线圈回路可写出电路微分方程和机构动作
7、方程如下：幽2 升天技承慨午L 构酮动作掠理圜警= u c - i R向d 出u e( 电容器放电)d uE r l 一巧厶上2 一( 确厶2 + 现如2 ) u一= - - - 二二- - - - - - - - - - - - - - - - - 一d t，+ 确厶2 + m 2 r 2u ：_ d x( 1 ) 出。妒= 石( f ，工)C = 厶( f ，x )F r = 兀( x )初始条件为yI 目= 0 ，”I = O ，x I 耐= 0式中，f 为线圈电流，v 为通过线圈的磁链，u 为直流电源电压，c 为电容器的电容值U C 为电容器上的电压，R 为回路电阻，ql 动铁心的阻尼
8、系数n 2 为灭弧室的阻尼系数；J 为拐臂的转动惯量；u 为铁心运动速度；x 为铁心行程；m l 和m 2 分别为灭弧室动触头和机构动铁心的质量，L 2 为灭弧室动触头距转动轴的距离L 1 为永磁机构距转动轴的距离，见图3 1 。F c 为机构的输出力，包括线圈电流产生的电磁力，永久磁铁产生的永久磁力，在机构及永久磁铁一定的情况下，它是电流和行程x 的函数，F c - - 2 ( i z ) ，t t J = f l ( i ，x ) ，如果给定一个动铁心的位置和电流的大小，采用有限元非线性磁场的计算方法可以计算出不同工作气隙下和不同线圈电流下的磁场分布及静态吸力特性 3 】。F f 为反作用
9、力，是行程工的函数，F f = f ( x ) ，对于真空开关而言它由触头弹簧、分闸弹簧、灭弧室的自闭力，灭弧室在分闸状态下的反力以及摩擦阻力组成。该微分方程组可直接用数值法求解，将时间变量t 离散化用四阶R u n g e K u t t a 法求解，编制了永磁机构的动特性的计算软件。软件采用可视化仿真技术，前处理部分采用人机对话的形式输入真空断路器的负载特性和传动装置几何参数，计算方法采用有限元与机械、电路瞬态方程耦合算法，后处理不但可输出开关行程、速度、2 6 6 线圈电流和电磁吸力随时问的变化曲线，并且可以三维动画形式表示机构运动过程。软件通过了试验验i 正 4 1 。使用该软件对方形
10、机构与圆形机构动特性进行了计算。为了更好地比较两种机构的动特性以及机构的体积，对丁方形机构与圆形机构，假设两种机构的含、分闸保持力相同，分、合闸线圈的窗口截面积分别相等，传动比相同( 以传动比为l ：1 5 7 为例) ，机构动铁心的行程相同。表l 示出了永磁机构分闸时，方形机构与圆形机构的特性比较。表2 示出了永磁机构合闸时。方形机构与圆形机构的特性比较。表1 方形机构与圆开蔓机构的分闸特性形状dVRfU l *0 2 R”J k g, , d k g产品尺寸m l k g1 34 3 21 6 31 8 _ 3 10 6 6，7 3D x 日1 43 7 51 2 12 1 8 50 7
11、2，8 0 圆1 53 3 60 9 42 5 1 407 6) 8 61 6 705 1 1 21 2 8 4 形巾1 4 0 x 1 3 2 1 62 8 60 7 13 0 7 60 8 2) 9 41 72 5 2D 5 63 6 3 508 71 0 01 34 3 22 0 91 9 2 10 6 50 7 l【x x 朋1 43 7 51 5 62 3 0 50 7D 7 8( ) 方 1 53 3 6l ，2 22 6 7 2D 7 50 8 53 2 8口6 1 4 22 0 2 3 形1 6 lx1 7 9x1 62 8 60 9 13 3 1 60 8 20 9 3 9
12、3 ( 1 5 3 ) 1 72 5 20 7 13 9 8 10 8 81 0注：扣线圈的线径；_ 一线圈的匝数：卜线圈的直流电阻；卜线圈在分合闸时的峰值电流Dx 卜圆形永磁机构的直径X 高度；D l * 一真空灭弧室在刚分6 r a m 时的平均分闸速度；Lx H x M ( | v ) 一方形永磁机构的睦度x 高度X 磁额厚度( | v 为线圈的厚度) ；m 。一为动铁心的质量。m 2 _ i 永久磁铁的质量；“ r 永磁机构产品的总质量；0 2 * 真空灭弧室全程的平均分闸速度表2 方形机构与圆形机构的合闸特性形状dR，口l e”I k gw 2 ，堍产品尺寸m k g1 34 3 2
13、1 6 31 8 8 60 5 lD x 片 圆 1 43 7 51 2 l2 3 2 4D 5 51 6 7D 5 1 1 21 2 8 4 形中1 4 0 x 1 3 21 53 3 60 9 42 7 5D 5 81 34 3 22 0 92 0 6 lD 4 5L x H X M ( ) 方1 43 7 51 5 62 4 9 7D 5 l3 2 80 6 1 4 21 6 lx1 7 9x2 0 2 3 形1 53 3 6l _ 2 22 9 2 3E 3 5 48 3 ( 1 5 3 )注；p l 一真空灭弧室全程的平均合闸速度；其余同表5 4图3 为永磁机构分闸时，分闸线圈的峰值
14、电流与平均分闸速度的关系。图4 为永磁机构合闸时，合闸线圈的峰值电流与平均合闸速度的关系。从图3 与图4 可以看出，如果要使断路器达到相同的分、合闸速度，方形机构需要的分、合闸线圈的电流较圆形机构的电流大。也可以说，对于两种机构而言相同的分、合闸电流，配圆形机构的断路器所获得的分、合闸速度略有增加。从这一点看，圆形机构优于方形机构。2 6 7 鼍 占 划 艘 星 d z岔 童 i 能 趟 星 隶0 90 8 50 ，80 7 5O 70 6 50 61 82 32 83 33 84 3电流I A图3 分闸线圈峰值电流与F 均分闸速度的关系一圆形机构的曲线；_ 一方形机构的曲线0 60 5 50
15、 5O 4 50 41 82 32 83 3 电流I A图4合闸线圈峰值电流与平均合闸速度的关系一圆形机构的曲线；一方形机构的曲线从表l 与表2 可以看出，在机构的合闸，分闸保持力相同，其分、合闸线圈的窗口截面积分别相等，传动比相同，机构动铁心的行程相同，非工作气隙相同的情况下，圆形机构的动铁心的质量为1 6 7 k g 。永久磁铁的质量为O 5 1 1 2k g 机构的总重量为1 2 8 4 蚝。而方形机构的动铁心的质量为3 2 8 k g ，永久磁铁的质量为0 6 1 4 2 虹，机构的总重量为2 0 2 3k g 。可见，无论机构铁心的重量还是机构的体积与总重量，方形机构都明显大于圆形机构。同时动铁心的质量大，在分、合闸操作过程中消耗的能量就大。永久磁铁的质量大，就会增加产品的成本。因此，单从机构本身出发，圆形机构优于方形机构。但是圆形机构也有不利的因素，即它占用的体积不灵活。例如，在有些产品的设计中，机构所占用的空间在某个方向的尺寸上是有一定限制的例如A B B 公司的V M I 真空断路器的机构箱的深度就只有大约1 6 0 m m ，机构的宽度就必须小于1 6 0 m m 。如果用圆形机构。为了克服真空灭弧室的合闸保持力，机构的直径就会大于1 6 0 r a m 因此就不宜实现。而对于方形机构，结构就比较灵活，它可以在保证长度小于1 6 0 r a m 的情况下
