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真空断路器用单稳态永磁机构概述贺天元;刘仲晔【摘要】本文对单稳态永磁机构与传统机构以及双稳态永磁机构的特点进行了对比,对其结构与工作原理进行了简单说明,并对其发展前景进行了简要探讨.%This paper compares monostable PMA to traditional actuator and bi-stable PMA. The structure and working principle is simply explained. The development prospect is also discussed.【期刊名称】《船电技术》【年(卷),期】2015(035)010【总页数】4页(P41-44)【关键词】单稳态永磁机构;结构;改进;智能化【作者】贺天元;刘仲晔【作者单位】海军驻湖南地区军事代表室,湖南湘潭 411101;海军驻湖南地区军事代表室,湖南湘潭 411101【正文语种】中文【中图分类】TM464断路器对电力系统起着控制、保护、调节的作用，其能否正常、可靠地工作直接维系着整个系统的安全与稳定。
其中断路器的机械结构是决定其性能的核心部分，从国际、国内对断路器的故障统计数字来看,机械故障占总故障的70%，所以世界各地研究人员一直在努力尝试改进断路器的结构，以使其具有更高的性能与可靠性。
真空断路器的结构在发展过程中大约经历了电磁操动机构、弹簧操动机构和永磁操动机构三个阶段。
在早期使用的电磁操动机构中，当断路器合闸时，电磁线圈通入电流，电磁铁受到端面的吸力开始逐渐向端面移动，并随着电磁铁与端面的距离越来越近，其所受到吸力也越来越大，这也与断路器所需的机械特性相匹配，但是其需要采用机械锁扣来保持合闸位置，由于在合闸过程中，磁路电感变化较大，其产生的反电动势对合闸线圈中的电流增长产生了很强的阻碍作用，并且这种阻碍作用随着合闸速度的增大而增大，使得需要提供数百安培的直流电流才能完成合闸动作，要求的操作功率很大。
新型单稳态永磁操动机构的研究工作面，增加了静态吸力并减小了启动电流。
应用有限元软件对新型单稳态永磁机构进行了静态磁场分析和动态特性仿真，给出了理论计算与实验结果对比，证明了计算结果的准确与可靠。
【关键词】永磁机构单稳态新型磁材永磁操动机构结构简单、零部件少、可靠性高、操作寿命长、动作分散性小，非常适合配用真空断路器，目前已广泛的应用于中等电压等级的真空断路器上。
按照永磁机构在分合闸位置的保持方式的不同，可分为双稳态和单稳态永磁机构。
双稳态是指动铁芯在开断与关合行程的2个位置，不需要任何能量或锁扣即可保持；单稳态是指永久磁能只处于合闸位置的保持，而分闸位置要靠分闸弹簧保持。
对比这两种永磁操动机构，可知在合闸动作时动作特性较为相似，都是通过线圈产生的电磁力合闸，永磁磁力保持。
而在分闸时动作特性存在较大差别，单稳态永磁机构的分闸速度特性跟弹簧操动机构比较相似，刚分点前加速，刚分点后减速。
通过合理设计分闸及触头弹簧参数可获得理想的分闸速度曲线。
双稳态永磁机构却存在刚分速度不足，分闸末端速度过快的缺点，并且双稳态永磁机构一次分合闸循环的能耗明显高于单稳态永磁机构，因此单稳态永磁操动机构更适合于与真空断路器配合。
现有单稳态永磁操动机构使用的是钕铁硼永磁材料，这种材料往往是事先充磁然后再装配到机构上使用。
而单稳态永磁操动机构在分闸过程中需要对永磁体去磁以合闸减小保持力完成分闸，由于多次分合闸操作极易造成永磁体的退磁，这一问题始终困扰着设计人员。
本文应用了一种可反复充退磁的新型永磁材料来替代钕铁硼，设计了新的磁路结构。
并对样机进行了模拟仿真和试验测试，给出了仿真和试验结果。
1 结构与原理1.1 结构设计永磁操动机构之所以比弹簧机构可靠主要是由于永磁机构的零部件少故障率低。
新型单稳态永磁操动机构与断路器的连接采用直动式，可以得到最大的传动效率（约95%），而且也可使机构的分合闸动作的时间分散性减到最低，有利于断路器的同步关合。
永磁同步电机电流动态特性优化控制仿真
王文;郑恩让
【期刊名称】《计算机仿真》
【年(卷),期】2016(033)011
【摘要】在永磁同步电机的电流优化控制中,通常采用传统的PI控制器,由于电机运行中参数是不断变化的,所以传统PI控制的动态性能不足,针对上述问题设计了一种改进的模型预测控制器.首先对永磁同步电机的电流状态方程离散化得到预测模型,并通过简化预测模型,使之成为线性的,以减小模型预测控制算法的计算量.其次为了提高电流控制的的鲁棒性和准确性,设计了分数阶积分补偿器,作为电流环控制的补偿.仿真的结果表明,采用改进的模型预测控制算法,永磁同步电机电流的动态特性得到了优化,响应速度更快,鲁棒性更强,抗干扰性能更好.说明了提出的永磁电机的控制方法是有效性和可行性.
【总页数】6页(P379-383,429)
【作者】王文;郑恩让
【作者单位】陕西科技大学电气与信息工程学院,陕西西安710021;陕西科技大学电气与信息工程学院,陕西西安710021
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
【相关文献】
1.五相永磁同步电机的直接转矩控制仿真及优化 [J], 银豪
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5.五相永磁同步电机模型预测电流控制仿真分析 [J], 陈阳琦
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基于线圈瞬态电流参数优化的真空断路器永磁操动机构动作特性研究沈奕成;刘坚钢;郭裕;王泽泽;金立军【摘要】针对永磁操动机构出力不足、动作特性与真空断路器开断性能难以配合的问题,对单线圈双稳态真空断路器永磁操动机构进行了研究,在剖分永磁操动机构结构的基础上,分析了磁路磁链的分布关系,建立了三维电磁场数学模型.采用有限元法仿真分析方法,求解了永磁操动机构线圈瞬态电流与动铁芯合闸动作特性之间的关系,并探讨永磁操动机构储能电容容量、电源电压、线圈匝数和负载等效质量等主要参数对真空断路器合闸动作特性的影响.研究结果表明,仿真计算数据与试验测试数据吻合,优化后的电容、线圈及负载参数可对永磁操动机构的位移检测、系统故障诊断、结构改进等提供理论依据.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2016(033)010【总页数】5页(P1227-1231)【关键词】永磁操动机构;瞬态电流;磁路;动作特性【作者】沈奕成;刘坚钢;郭裕;王泽泽;金立军【作者单位】四川大学电子信息学院,四川成都610065;宁波耀华电器厂,浙江宁波315324;同济大学电子与信息工程学院,上海201804;同济大学电子与信息工程学院,上海201804;同济大学电子与信息工程学院,上海201804【正文语种】中文【中图分类】TM561;TH39真空断路器在输配电网中使用率极高，永磁操动机构的出力特性可以与真空断路器的反力特性很好地配合[1-2]，并且它还具有机械结构简单[3]、寿命长、易于控制的优点[4-6]，因此得到了业内的广泛关注和研究。
但同时由于永磁操动机构涉及到了电路、磁路以及机械等问题[7]，磁场分布情况非常复杂[8]，根据经典公式建立永磁操动机构的数学模型[9-12]，并按照传统的方法对机构尺寸进行设计往往不能达到较好的结果[13-14]，这种设计方法也直接导致了机构设计时间周期长[15]、结构改进盲目性大等问题。
本研究借助计算机模拟方法针对一种新型单线圈双稳态永磁操动机构进行了分析[16]，建立其瞬态场数学模型和有限元仿真模型[17-19]，仿真分析线圈瞬态电流特性与衔铁闭合动作特性及电磁出力之间的内在联系[20-21]，并与实验结果进行对比验证[22]。
计及温度的永磁操动机构动态特性仿真与分析张庆杰;袁海文;刘颖异【摘要】针对环境温度变化会对永磁操动机构动态特性产生较明显影响的问题,考虑到温度变化的影响,建立永磁操动机构运动过程中两个阶段动态特性的数学模型.利用其模型,分析了计及温度的静态特性参数与电容器电容、线圈电阻等动态特性参数的温度特性,得到计及温度的永磁操动机构动态特性.通过计算及实验分析表明,在工作温度范围内,分合闸时间分散性较大,而在考虑温度影响后的动态特性计算结果与实验测试结果更为接近.通过分析曲线发现:当温度发生变化时,永磁操动机构的特性参数受温度影响的程度是不同的,即永磁体的性能参数受影响最大,其次是电容器电容,最后是线圈电阻.该计及温度的永磁机构特性分析方法可为完善同步投切控制及优化机构设计等方面提供理论指导和依据.%Aimed at impact on dynamic characteristics of permanent magnetic actuator as ambient temperature change, the paper establishes the dynamic characteristics mathematical models in two movement stages of permanent magnetic actuator considering ambient temperature impact. Based on the models, the paper analysed the static characteristics parameters considering ambient temperature and the temperature characteristics of control capacitor value and coil resistance. And the dynamic characteristics of permanent magnetic actuator taking the temperature into account were obtained in the paper. Experimental results show that in working temperature range, switching time dispersion is bigger and the dynamic characteristics calculation results of permanent magnetic actuator considering ambient temperature implications are closer to experimental test results. Thetemperature impact levels of permanent magnetic actuator characteristics parameters are different when the temperature changes after the curves are analyzed. And the largest temperature impact level is magnet performance parameters, followed by capacitor capacitance, and finally the coil resistance. The characteristics analysis method taking the influence of temperature into account will provide synchronous switching control and permanent magnetic actuator optimization design with theoretical guidance and basis.【期刊名称】《电机与控制学报》【年(卷),期】2011(015)005【总页数】6页(P57-62)【关键词】永磁操动机构;温度;静态特性;动态特性;分合闸时间【作者】张庆杰;袁海文;刘颖异【作者单位】北京航空航天大学,自动化科学与电气工程学院,北京,100191;北京航空航天大学,自动化科学与电气工程学院,北京,100191;北京航空航天大学,自动化科学与电气工程学院,北京,100191【正文语种】中文【中图分类】TM561永磁操动机构有机地结合了电磁机构和永磁机构，在提高真空断路器分合闸性能和高可靠性方面展示了良好的发展与应用前景［1－2］。
单稳态永磁机构的动态特性仿真及性能优化张超;淡淑恒;李翔宇;唐新龙【摘要】基于12 kV直动式真空断路器的动作特性,介绍了一种改进型单稳态永磁机构.利用ADAMS中建立的真空断路器模型,结合MATLAB实现了多场耦合动态仿真.在触头弹簧的不同安装方式下,选取电容与分闸弹簧参数的不同组合进行断路器分合闸的动态仿真.仿真结果表明:电容容量对合闸特性影响较大;分闸弹簧刚度系数对分闸特性影响较大;触头弹簧安装在动端侧有利于提高刚分速度;触头弹簧安装在静端侧有利于降低刚合速度.【期刊名称】《上海电力学院学报》【年(卷),期】2012(028)002【总页数】4页(P125-128)【关键词】单稳态永磁机构;触头弹簧;联合仿真【作者】张超;淡淑恒;李翔宇;唐新龙【作者单位】上海电力学院,上海200090;上海电力学院,上海200090;上海电力学院,上海200090;江苏邳州供电局,江苏邳州221300【正文语种】中文【中图分类】TM561近年来，一种用于真空断路器的永磁保持、电子控制的电磁操动机构(永磁操作机构)备受关注.根据其工作原理可以分为双稳态和单稳态永磁机构，由于单稳态永磁机构的分闸速度特性具有刚分点前加速、刚分点后减速的优点，在12 kV中压真空断路器中得到了逐步应用，而且单稳态永磁机构通过合理设计弹簧，采用永磁保持、电磁合闸及弹簧分闸，较完美地实现了断路器不同操动技术的理想结合［1］. 在传统的单稳态永磁机构中，永磁体提供的永磁吸力不参与合闸过程，而且提供阻力，因此要求电源提供较大的励磁电流.另外，励磁线圈和永磁体为上下布置，为了得到较大的合闸保持力，必须加大永磁体的体积，这将直接影响永磁操动机构的整体体积，不利于真空断路器的小型化.1 改进型单稳态永磁机构本文针对直动式12 kV真空断路器，介绍了一种励磁线圈和永磁体左右布置的改进型单稳态永磁机构［2］，如图 1 所示.图1 两种单稳态永磁机构原理注:1——动铁芯;2——永磁体;3——静铁芯;4——励磁线圈;5——驱动杆;L1，L2——合闸过程中永磁体的磁力线方向.传统的VM1型永磁机构驱动杆通过拐臂与真空灭弧室连接，在分闸位置靠永磁体提供的静态永磁吸力保持.改进型单稳态永磁机构的动铁芯通过绝缘拉杆直接连接灭弧室侧的动导电杆，在分闸位置时由预压缩的分闸弹簧提供保持力，改进型单稳态永磁机构如图2所示.图2 改进型单稳态永磁机在利用Ansoft Maxwell软件包［3］对单稳态永磁机构动铁芯瞬态电磁场动态过程分析的基础上，基于 ADAMS虚拟样机技术，在 Matlab Simulink平台上进行了多场耦合仿真.2 动态联合仿真模型的建立单稳态永磁机构分合闸的动态过程，是由电磁场、电路和运动多场耦合作用的过程.动铁芯所受的电磁力Fmag和线圈耦合磁链φ可以描述为:式中:s——动铁心位移;i——励磁电流.使用Ansoft中的瞬态磁场分析模块，通过Maxwell Circuit Editor将励磁电路耦合，求解动铁芯电磁力和线圈耦合磁链.通过二维数据网格变换和3次样条非线性拟合技术获得永磁机构动态特性仿真所需的上述关系.改进型单稳态永磁机构分合闸时共同使用一个励磁线圈，其等效电路如图3所示. 图3 改进型单稳态永磁机构控制电路注:L——励磁线圈的电感;R——励磁线圈的电阻;C1——合闸放电电容;C2——分闸放电电容.以合闸过程为例，励磁回路电压平衡方程为:式中:Uc——电容电压;i——励磁电流;s——动铁芯位移;C1——合闸电容.由式(2)和式(5)可以推导出电流关于位移与速度的函数关系式［4］:ADAMS技术采用了广泛流行的多刚体动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统的动力学方程［5］.本文设计的永磁机构用于开断的电流为12.5 kA，动触头行程为12 mm，超程为5 mm的12 kV真空断路器，根据触头接触压力与开断电流大小的关系［6］，取触头压力为500 N，相应的触头弹簧刚度系数为110N/mm，触头弹簧刚度系数为40 N/mm.按照图2所示在ADAMS view中建立几何模型，并在运动部件上添加滑移副，同时在动导电杆与动触头之间添加阻尼弹簧，在动触头与静触头之间定义碰撞力.将生成的adams_sub模块作为控制模块导入Matlab Simulink进行联合仿真.根据式(6)建立电磁模块Subsystem子系统，由动铁芯位移和速度计算出电流值，二维查表模块根据位移和电流值查找到相对应的电磁力，并将该电磁力作为adams_sub模块的输入值，最后将经过联合仿真输出的动铁芯位移和动铁芯速度反馈到电磁模块中.联合仿真模型见图4.图4 动态联合仿真模型3 触头弹簧对机构分合闸的影响触头弹簧的合理配置对真空断路器分合闸特性的影响非常大.在动触头合闸之前，由于触头弹簧为柔性连接件，永磁机构输出的力通过触头弹簧再传递给动触头，从而使动触头在闭合前产生振动，即预振动.预振动不但会使开距不按永磁机构动铁芯行程预订的规律变化，而且对合闸弹跳有直接影响.ADAMS中对弹簧的模型描述为:式中:k——弹簧的刚度系数;r，r0——弹簧的长度和初始长度;c——阻尼系数;f——预载荷.在不考虑阻尼系数时，得到的合闸过程中动铁芯和动触头的位移速度曲线如图5所示.由图5可知，无阻尼时动铁芯和动触头的同步性很差，不满足真空断路器的动作要求.设置阻尼系数为固定值时，得到两者的速度曲线见图6.图5 无阻尼时动铁芯和动触头的位移图6 阻尼系数恒定时动铁芯和动触头的速度从图6可以看出，合闸前动触头和动铁芯的速度相差很小，但是由于阻尼系数比较大，使得动铁芯超程阶段花费时间较长，且碰撞后有很大速度的反弹.为了获得更加理想的结果，将阻尼系数定义为变系数，ADAMS中可以设置阻力系数为动铁芯运动速度的函数.由式(7)可知，在合闸前提供给动触头运动的力，仅由－c·dr/dt这一项提供.根据牛顿定律，使两者都产生同样的加速度，可求得动触头受力为动铁芯受力的1/3，即c=Fmag/3v.通过ADAMS将阻尼系数c定义为SPLINE，并添加到弹簧属性中进行联合仿真，优化后合闸过程中动铁芯和动触头的速度曲线如图7所示.图7 优化后动铁芯和动触头的速度曲线从图7可以看出，动铁芯和动触头的跟随性显著提高，动铁芯走完超程所花的时间明显减少.4 电容及分闸弹簧参数的影响真空断路器分合闸速度特性要求为:平均分闸速度和刚分速度分别为1.3～1.7 m/s 和0.8～1 m/s，平均合闸速度为 0.75 ～0.95 m/s.表 1 为利用联合仿真模型计算得到的仿真结果，其中动触头弹簧安装在导电杆与动触头之间(动端).表1 不同电容和分闸弹簧组合时分合闸速度特性(动端安装触头弹簧)注:I——励磁电流;v1分——动触头刚分速度(即动铁芯行程为12 mm时动触头的速度);v2分——动触头分开后6 mm内的平均速度;v合——动触头闭合前6 mm内的平均速度.分闸合闸k v1分 v2分C I v合/N·mm m·s －1/mF /A /m·s －1 40 1.51 1.62 22 66 1.15 80 1.82 2.07 220 85 0.73 20 1.36 1.45 110 92 1.10由表1可知，当分闸弹簧系数扩大1倍，电容扩大10倍时，平均合闸速度v合降低了33.63%;当弹簧系数降低1倍，电容扩大5倍时，平均合闸速度几乎不变，这说明分闸弹簧参数对合闸过程的影响较大.根据对合闸速度的要求，分闸弹簧系数一般在40～80 N·mm范围较为合适.若最大刚分速度要求为1.7 m/s，则分闸弹簧刚度系数取60 N·mm为宜.综合分合闸速度特性，此单稳态永磁机构分闸刚度系数取60 N·mm，合闸电容取220 mF时，得到优化后的动触头分合闸速度与行程的关系曲线如图8所示.图8 动触头分合闸速度与行程的关系将触头弹簧安装在灭弧室处(静端)时，得到的仿真结果见表2.当分闸弹簧刚度系数为40 mm，电容为22 mF时，动触头刚分速度为1.16 m/s，平均分闸速度为1.24 m/s，平均合闸速度为1.08 m/s，这也满足真空断路器分合闸要求.与动触头安装在动端侧相比，平均分闸速度有所下降.表2 不同电容和分闸弹簧组合时分合闸速度特性(静端安装触头弹簧)分闸合闸kv1分 v2分C I v合/N·mm m·s －1/mF /A /m·s －1 40 1.16 1.24 22 63 1.08 80 1.32 1.43 220 148 1.22 20 1.08 1.15 110 128 1.325 结论(1)在计算永磁机构离散磁链φ(s，i)和吸力Fmag(s，i)数据方面，Ansoft瞬态电磁场有限元分析减少了工作量，提高了仿真的速度.(2)在ADAMS与Matlab联合仿真中，触头弹簧对真空断路器的分合闸性能有不同程度的影响，在合闸过程中根据永磁机构空载的出力特性确定触头弹簧的阻尼系数，可以减弱动触头的预振动.(3)单稳态永磁机构中，分闸弹簧的刚度系数对真空断路器的分合闸特性有很大影响，合闸电容越大，平均合闸速度也越大.在满足合闸速度要求时，选取适当的分闸弹簧可以提高刚分速度.(4)通过对两种触头弹簧安装方式的仿真计算得知，触头弹簧安装在动端侧有利于提高刚分速度，而安装在静端侧有利于降低刚合速度，减少对真空灭弧室的冲击力. 参考文献:【相关文献】［1］林莘.永磁机构与真空断路器［M］.北京:机械工业出版社，2002:11-20.［2］NITU S，NITU C，DYNAMIC Gh，Tuluca，et al.Behavior of a vacuumcircuitbreakermechanism［J］.Dischargesand Electrical Insulation in Vacuum，2008，30(1):181-184.［3］赵博，张洪量.Ansoft 12在工程电磁场中的应用［M］.北京:中国水利水电出版社，2010:12-16.［4］周丽丽，方春恩，李伟，等.27.5 kV永磁机构真空断路器动作特性仿真与试验研究［J］.高压电器，2008，44(3):214-216.［5］李增刚.ADAMS入门详解与实例［M］.北京:国防工业出版社，2008:20-26.［6］孟凡钟.真空断路器实用技术［M］.北京:中国水利水电出版社，2009:134-135.。
