永磁开关资料

永磁开关资料论文赏析：永磁机构的设计分析与研究优者，独享则失，望与诸君赏之！1引言永磁机构零部件少、可靠性高、加工容 易、结构简单，与真空断路器配合良好，可 以实现免维护运行。但其不利因素则是直流 电源与控制单元所带来的成本及可靠性问 题，影响了永磁机构的发展与推广。2机械结构设计与优化机械结构设计与优化的主要目的是缩小 永磁机构的体积，降低磁路磁阻，满足应用 功能和寿命要求。2. 1基本结构根据永磁机构的工作特点和内部结构，大体可分为双线圈双稳态、单线圈单稳态和双线圈单稳态（分离磁路）三种。双稳态和单 稳态永磁机构在不同的场合各具优势，应在满足技术要求的前提下，作出合理的选择。从外形结构看，可以分为方形和圆形结 构。由于方形结构体积偏大、耗材多、加工 工艺复杂，所以永磁机构一般采用圆形结 构，在对空间具有特殊要求的场合，也可以 采用方形结构。2. 2永磁体和线圈布置永磁体是永磁机构的核心元件。基于可靠性的考虑，现有的永磁机构一般安装在静铁心上。根据保持力、能 耗和体积要求，永磁体可以具有不同尺寸、 结构和布置方式。对圆形结构，可以由多块 镶嵌布满全周，或周向部分布置，做成两个 或多个并联扇形结构，其余扇形空间用非金 属块填充，形成一个圆形套。同时应根据减 小能耗和体积的不同需求， 改变永磁体的安 装位置和大小。线圈是实现配永磁机构断路器可靠开合 的关键元件。线圈的匝数、线径和布置方式 都将影响永磁机构的动态性能。如果线圈的 截面积一定，改变线圈的线径与匝数，就可 以改变开关的速度特性。对于两个控制线 圈，可以根据始动安匝数和输出机械功的需 要选择不同的线圈布置形式。2. 3改进设计为保护永磁体，在永磁体与动铁心之间 增添用软磁材料构成的极靴连接动铁心，再通过端盖、外磁轲形成封闭磁路。在动铁心与静铁心之间设计适当的非工 作气隙，可以改善开关与机构的匹配特性， 减小合闸时的起动电流。 在合闸端和分闸端 的主气隙中加非磁性垫片，与动铁心和永磁 体间的间隙共同构成各自的防剩磁间隙，以防动铁心被剩磁 粘住”。目前永磁机构几乎全部用于中压真空断 路器领域，但是发展长行程高压永磁机构有 着十分重要的意义，专家们一致认为理论上是可行的，且已有一些单位进行了卓有成效 的试验研究。通过分析动铁心行程与机构特 性之间的关系，行程增加（或动铁心变短时）, 机构的静态保持力将增加，但线圈的安匝数 也几乎成相同比例增加。为此，在基本不增 加磁系统体积和安匝数的前提下，通过在分 闸线圈工作气隙区域内设置磁分路，使动铁心的电磁吸力特性趋于平坦， 且长行程的动 铁心在合分闸时均能获得所需的动能。为提高永磁机构，特别是长行程永磁机 构的分闸能力，笔者设计了一种新型的自动 装置。该装置由两个短路环组成，安装在动 铁心的分闸端，可以在动铁心起动前大大地 削弱合闸永磁保持力。配上这种装置的永磁 机构能快速地分闸，且只需较小的分闸电 流。2. 4传动及安装方式永磁机构与真空开关之间的传动有直动 式、单连杆传动和多杆转动等三种方式。直 动式的传动方式有利于减小整个真空断路 器的体积，减少传动环节，提高传动可靠性。作为直动式传动的典型，某公司的I SM系列真空断路器的所有开关零件为轴向对称 装配，运动部件全部为直线运动，且其真空 灭弧室为透明外壳，内部工作情况一目了 然。单连杆传动方式的好处是设计时可以选 择不同的传动比，以适应不同的力学特性和 行程要求，但是永磁机构的输出力矩为定值 时，受力与行程恰恰是矛盾的。因此对于大 开矩的高压真空断路器，既要求保持力大， 又要求动铁心行程长，就变得十分困难。为 此，一些断路器借鉴了弹簧机构的特点，采 用了多杆机构传动方式，起到了省力的作 用。但是，连杆传动的可靠性不如直动式的 高，且断路器体积大。永磁机构的安装主要有立式和卧式两 种，但前者是主要的安装方式。3特性分析及其数学方法永磁机构的特性包括静态特性和动态特 性。永磁机构的静态特性是指线圈激磁电流 为零时，由永磁体产生的力学特性和磁场分 布，是永磁机构各元件（包括永磁体）机械结构设计和优化的理论依据， 也是动态特性分 析的基础。永磁机构的动态特性是指激磁电 流不为零，即在永磁机构执行开关状态转换 的过程中，与永磁体共同形成的力学特性、 运动特性、磁场分布特性和电流电压变化特 性，以及相互关系，它是永磁机构机械系统、 电磁系统、特别是电源与控制系统的设计基 础和性能评判依据。由于动态特性是与时间 相关的、机电磁耦合的，且包含永磁场，分 析起来要复杂得多。不过，如果不考虑涡流 的影响，常常基于特定的时间或者基于特定 的动铁心位置，将动态问题转化为恒定磁场 问题，运用静态分析的方法进行逐点分析。特性分析的理论基础包括电路平衡方 程、达朗贝尔运动方程和麦克斯韦方程组。 分析可以采用场量分析法和磁路分析法。3. 1静态特性永磁机构具有对称性。对于方形永磁机 构来说，忽略端面效应时可以采用平面场进 行计算。对于圆形永磁机构来说，由麦克斯 韦方程组推导出二维非线性轴对称方程，并 利用有限元方法进行数值求解。边界条件为 第1类和第2类边界条件。得到磁场分布后， 作用在动铁心上的电磁吸力可以通过包围 动铁心的任意表面上的应力的面积积分得 到。动铁心的表面存在一层气隙单元，在选 择积分表面时，为提高计算准确度，积分路 径应通过三角形元素的中心。3. 2动态特性动态特性的建立较为复杂，且在动特性 计算前，需要进行质量归算和反力归算。在动特性的计算中，可以将动铁心的运 动行程分为若干个子步，与之对应的各步磁 通密度可以用迭代的方法求出，进而求出出 力特性，线圈电流等其他特性值。可以将磁 场区域分成若干个几何块，并设每块内磁通 处处相等，忽略漏磁。线圈及永磁体磁路可 用相应的几何子磁路的串并联来等效代替， 这样简单的直流磁路计算方法就可应用到 机构的磁场计算中。也可将永磁材料的磁化 曲线B=f (H)扩展、转化为永磁部件的磁 化曲线W=f (I N),将永磁磁路计算转化为一个普通的电磁铁磁路计算，从而使永磁 机构的计算方法更合理、简单。考虑涡流的 影响时，可以将求解区域分为涡流区和非涡 流区两部分，分别导出用矢量磁位和标量磁 位表示的涡流问题方程， 并利用库仑规范条 件导出该涡流问题的边界条件。在动态系统的方程组中，等效激磁电流 和电磁吸引力与磁链和动铁心位移有关，由于永磁体的存在，求解激磁电流十分困难，当磁链和动铁心位移一定时，可以引入一个 变量 G,其中 G = (W0)/ i,则 W= WO + iG,其中，0为动铁心位移确定且激磁电 流为零时永磁体产生的磁链。这样简单地处 理永磁体形成的磁链，使耗费的计算时间减 少，且计算结果与实测结果很相近。进行有限元分析时，采用变形区单元平 移技术和区域压缩技术， 可以更好地适应动 铁心的运动。后者已经集成到三维应用软件 FLUX里，并在某公司的电磁机构上得到了 成功应用。4电源与控制技术从国内外情况看，目前，永磁机构的电 源主要采用以下几种方式： 采用电容器对 分、合闸线圈放电的方式。对于有条件的 电站，可以直接使用站内的直流电源。直 接使用高能量的锂电池。对于上述 3种方 式，永磁机构的分、合闸线圈电流的大小对 电源的影响很大，而且如果电流较大，电压 较高，靠锂电池供电就行不通，就要从电网 取得能量。配真空断路器的永磁机构控制系统应该 满足以下几个条件：应工作可靠且具有足够 的抗干扰能力；动作迅速且延时短；工作电 压范围宽，环境适应性强。这些要求促进了 电力电子、光纤通讯、智能控制等技术在永 磁机构控制系统中的发展和应用。永磁机构的控制系统可以通过光纤接口 接受光电信号，并通过逻辑判断控制机构动 作和发出分合闸操作的命令。原先的触点开 关被电力电子开关所替代。 还可具有智能化 功能，融合在线检测技术等来最大限度地体 现永磁机构的优越性。 国内机构开发的一种智能控制与电子驱动装置，采用CPLD完成 智能控制，并采用由SCR和I GBT组成的 电子开关通断合分线圈电流。它不仅能完成 断路器的合分闸操作，改善了断路器的分合 闸运动特性，还具有过流、欠压分闸、合分 闸闭锁以及操作系统的故障监测、诊断与报警等功能。近几年同步开关控制技术正在蓬勃发 展，这将大大推动永磁机构的研究和应用。5计算机辅助技术计算机辅助技术已经成为永磁机构设计 的一个重要手段，包括永磁机构的实体建 模，特性分析与计算，运动过程的虚拟仿真， 运行状况的实时控制与监测以及相关软件 的应用和开发等方面。由于永磁机构的动态方程组不能用严密 的解析方法求解，应用 MATLAB语言的SI MULI NK工具箱对动态过程方程组进行仿 真，不仅可以获得动态过程的时域解，而且可以方便地修正储能电容器和激磁线圈的 电气参数。采用ANSYS编程语言APDL实现耦合 场的计算，对线圈电流、动铁心位移和动铁 心受力进行分析，并可以计算不同电导率时 涡流效应的影响。还可用ANSYS软件对极 化磁系统交流稳磁过程进行虚拟设计，得到满足工程要求的永磁回复线起始点。有限元分析软件ANSYS能够在大量的 CPU时间和存储开销的基础上，提供对电 磁机构场域的精确求解，但是求解前需要详 细地定义几何结构和边界条件，而且要仿真 电磁机构的动态行为和进行优化设计，并非易事。基于耦合的数学模型和改进的退火算 法，开发出MAG. ACT软件，无需进行复 杂的有限元建模就可以进行动态仿真和优 化设计。利用英国VF公司的Vect orFi el ds软 件中的三维磁场分析模块 TOSCA对永磁机 构进行构造，进而在三维空间内自动剖分， 可以得到用于电磁场分析的剖分图。另外其他 CAD/ CAE 软件，如 Pr o/Engi neer , ADAMS等对于永磁机构的建模和动力学分 析都十分有用。软件的自行开发着眼于永磁机构设计的 参数化、可视化和系列化。国内已经开发出 永磁机构的设计与分析软件。软件系统包 括：友好的前处理人机界面、永磁机构电磁 场数值计算模块、机械磁场动态耦合场计算 模块、AUTOCAD机械设计模块、电子控制 系统设计模块、三维动画形式的机构运动过 程、后处理曲线输出、材料器件明细表和技 术文档建立模块等。将其用于真空断路器和 真空负荷开关永磁机构的设计，可以缩短设 计周期和提高产品性能。6材料技术永磁机构的发展得益于高质量、高稳定 性、长寿命、耐高温及耐冲击的轨铁硼永磁 材料的应用。真空断路器永磁机构所选用的轨铁硼材 料，主要考虑以下方面特性：磁场强度（矫顽力）、剩磁、最大磁能积、退磁临界温度、 温度退磁率（温度降低时磁性可恢复卜自然 老化退磁率。由于被铁硼材料的祛磁曲线几 乎是一条直线，且它的回复曲线与祛磁曲线 基本重合，因此不必担心永磁体的退磁。由 于动铁心和静铁心（外壳）的剩磁特别小，不 会产生磁化问题。对于没有预先充磁的永磁体，在永磁机 构装配之后必须进行充磁。采用电容器产生 脉冲电流进行充磁，为保证充磁电路不发生 振荡，充磁之前对激磁线圈电感进行测量。 充磁后，可以用测力计测量电磁力，如果与 设计计算的结果极为接近，说明充磁是成功 的，永磁材料是正品，性能可靠。7结束语永磁机构的研究，应从结构原理与电源 控制系统入手，积极寻求突破，充分结合计 算机辅助手段，引入新型材料，创立一套理 论体系，使永磁机构的设计生产系列化，应 用广泛化。存在的问题是，过分依赖经验， 缺少理论指导，且试验条件不足，特别是高压永磁机构难以进行现场试验，阴碍了进一步的研究与应用。用户、生产与研究部门成 果与经验交流太少，单独的资金、人力投入 和开发力度不够。但是，随着机械设计、电子控制、计算 机辅助、材料新技术的快速发展以及理论系 统的完善，加上永磁机构固有的优势，永磁 机构面临着很好的机遇，会得到迅速的发展