高压断路器永磁操动机构的研究

真空断路器永磁直线电机操动机构的研究【摘要】随着世界各国大力发展智能化电网,电器设备的智能化受到了越来越广泛的关注。

真空断路器作为输配电系统中重要的开关电气元件,起着控制和保护的双重作用,而操动机构对断路器的可靠性和智能化起着决定性的作用。

本文以采用型号为TD-40.5/1600-31.5灭弧室的40.5kV真空断路器为对象,提出了一种新型操动机构——永磁直线电机操动机构,为断路器操作实现智能化提供了保证。

本文首先研究了真空断路器的操作特点,提出了电机操动机构这一新型操动机构。

设计了真空断路器永磁电机操动机构,在对操动机构的动力学分析的基础上,归算了反力特性和运动质量,并以此为依据确定电机的性能指标,指导电机的设计。

结合真空断路器操作时间短、反力大等特点,提出了永磁直线直流电机的整体结构,对电磁负荷、气隙长度、次级槽形、永磁体长度等结构参数进行了设计。

采用有限元法分析了永磁直线电机的电磁场分布,保证了电机结构的合理性。

同时本文结合局部扰动法,定量的分析了电负荷、次级齿槽比、初级铁轭厚度对电机性能的影响,并针对存在的问题对电机设计方案进行了调整,得到了较优的电机的设计方案。

永磁直线电机工作在起动和制动状态,因此需要对其动态特性进行... 更多还原【Abstract】 With development of the intelligent electricalnetwork by all countries, intelligent electrical apparatus are attracted more and more attention vacuum circuit breaker, asa key electrical switch element in transmission and distribution system, plays double roles in both control and protection. And its intelligentization receives much concern in recent years. Operation mechanism has conclusive effect on the reliability and intelligentization of vacuum circuit breaker. Permanent magnet linear moto... 更多还原【关键词】真空断路器；电机操动机构；永磁直线电机设计；动态仿真；【Key words】Vacuum Circuit Breaker；Motor Operating Mechanism；Permanent Magnet Linear motor；Dynamic Simulation；摘要5-6Abstract 6-7第一章绪论10-171.1 课题研究背景和意义10-111.2 国内外发展现状11-151.2.1 操动机构的发展现状11-141.2.2 直线电机的发展现状14-151.3 课题来源151.4 本文主要研究内容15-17第二章真空断路器电机操动机构的分析17-252.1 真空断路器对操动机构的要求172.2 新型真空断路器电机操动机构17-192.2.1 真空断路器的技术参数17-182.2.2 新型电机操动机构的基本结构与工作原理18-192.3 真空断路器操动机构的反力归算19-212.4 真空断路器操动机构的等效质量计算21-232.5 永磁直线电机的设计要求23-25第三章永磁直线直流电机的设计与分析25-443.1 圆筒型直线电机的基本原理及特点25-263.2 永磁直线直流电机的设计26-403.2.1 永磁直线直流电机的结构及工作原理26-283.2.2 电机的有限元分析特点28-293.2.3 有限元分析步骤29-303.2.4 永磁直线直流电机的设计30-403.3 操动机构驱动电机电磁场的有限元分析40-423.4 永磁直线电机的设计参数42-44第四章真空断路器永磁直线电机操动机构动态特性的仿真研究44-554.1 研究动态特性的重要性及研究内容444.2 永磁直线电机操动机构的动态数学模型44-474.3 电机操动机构的动态仿真分析47-544.3.1 永磁直线电机次级吸力仿真分析48-504.3.2 永磁直线电机动态仿真分析50-524.3.3 真空断路器动触头运动过程分析52-544.4 本章小结54-55 第五章结论55-56参考文献。

真空断路器的操动机构主要有三种类型：电磁操动机构、弹簧操动机构及永磁操动机构。

电磁操动机构由一个电磁线圈和铁心，加上分闸弹簧和必要的机械锁扣系统组成，结构简单、零件数少、工作可靠、制造成本低。

同时螺管电磁铁的出力特性容易满足真空断路器合闸反力特性的要求。

其缺点是合闸线圈消耗的功率太大，因而要求配用昂贵的蓄电池，加上电磁机构的结构笨重，动作时间较长。

电磁操动机构出现最早，但目前用量趋于减少。

弹簧操动机构由弹簧贮存分合闸所需的所有能量，并通过凸轮机构和四连杆机构推动真空灭弧室触头动作。

其分合闸速度不受电源电压波动的影响，相当稳定，通过调整弹簧的压力能够获得满足要求的分合闸速度。

其缺点是机械零件多（达160多个），零件的材质、加工精度和装配精度都直接影响机构的可靠性。

弹簧机构的出力特性，基本上就是储能弹簧的释能下降特性，为改善匹配，设计中采用四连杆机构和凸轮机构来进行特性改变。

目前弹簧操动机构技术已经成熟，因此用量较大。

永磁机构是一种全新的操动机构，它利用永磁保持、电子控制、电容器储能。

其优势是结构简单、零件数目少，工作时的主要运动部件只有一个，无需机械脱扣、锁扣装置。

永磁机构分为两种类型：单稳态永磁机构和双稳态永磁机构。

永磁机构尚需经受考验，需解决好电容器的寿命问题、永久磁铁的保持力问题及电子器件的可靠性等问题。

目前其用量还不大。

真空断路器主要结构:真空断路器主要包含三大部分：真空灭弧室、电磁或弹簧操动机构、支架及其结构图他部件断路器采用三相支柱式结构，具有开断性能稳定可靠、无燃烧和爆炸危险、免维修、体积小、重量轻和使用寿命长等特点。

断路器采用全封闭结构，密封性能好，有助于提高防潮、防凝露性能，特别适用于严寒或潮湿地区使用。

三相支柱及电流互感器采用进口户外环氧树脂固体绝缘，或采用户内环氧树脂外包有机硅橡胶固体绝缘；具有耐高低温、耐紫外线、耐老化等特点。

操动机构采用小型化弹簧操动机构，储能电机功率小，分合闸能耗低；机构传动采用直动传输方式，零部件数量少，可靠性高。

永磁机构断路器的工作原理时间:2009-01-14 来源:徐州机电工程高等职业学校编辑:朱思河自1961 年美国GE 公司研制成功第一台真空断路器以来,真空断路器的技术水平迅速得到提高。

随着新型触头结构和新材料的研制,真空断路器的开断能力不断提升。

而作为真空断路器的主要元件———操动机构,也历经了几代的发展,从最初的电磁机构,发展到现在广泛应用的弹簧操作机构,以及现阶段正迈向成熟并逐渐普及的永磁操作机构。

真空断路器及操动机构的分析真空断路器之所以如此迅速发展,在于其真空灭弧室优异的开断特性,使其电寿命大大增加。

真空断路器的灭弧室动触头行程小,要求分闸速度高。

动静触头合闸时为平面接触,为了防止真空断路器在短路时触头被强大的冲击力斥开,动静触头间要施以较大的触头压力,这样也有利于提高分闸速度。

真空灭弧室的优异性,使其机械及电寿命从传统的2000次跃增为上万次,沿用传统断路器操动机构电磁机构和弹簧机构很难体现出其高寿命、高可靠性的优点。

因此需要一结构高度简化、节能和高可靠的机构来满足真空断路器的驱动要求。

永磁机构以其结构简单、运行可靠、经久耐用等优点被广泛应用于真空断路器的驱动,它克服了传统机构的缺点,充分发挥了真空断路器的优点,为研制新一代免维护断路器奠定了基础。

它已成为电力系统选型热点,具有良好的经济效益和市场前景。

本文以ZNY1-10P630-12.5型永磁真空断路器为例来分析永磁断路器的结构及工作原理。

永磁机构断路器工作原理及主要技术参数主要技术参数该真空断路器采用双稳态内设欠压脱扣器永磁机构,并与机械手动脱扣器结为一体化设计,使手动分闸轻便可靠。

永磁机构分闸与弹簧分闸相结合,使分闸速度的分配更理想。

与弹簧操作机构断路器比较,可动部件大大减少,使其可靠性和机械寿命大幅提高,是弹簧操作机构类型断路器的理想替代产品。

ZNY1-10P630-12.5型永磁真空断路器的主要技术参数如下:额定电压PkV 10最高电压PkV 12额定电流PA 630额定频率PHz 50额定短路开断电流PkA 12. 5动稳定电流PkA 31.5热稳定电流PkA 12.5额定短路关合电流PkA 31. 5短路电流持续时间Ps 41min 工频耐压PkV 42雷电冲击耐压PkV 75永磁机构断路器工作原理永磁机构断路器的工作原理如图1 所示:图1 永磁机构断路器的工作原理图其工作过程如下:接通控制电源,首次接通电源要等待60s,此时储能电容已充满电(充电指示灯亮),同时欠压脱扣器电源也准备接通,断路器处在准备操作状态。

真空断路器永磁操作机构
真空断路器永磁操作机构是一种用于真空断路器的操作机构，它采用了永磁材料来实现断路器的合闸和分闸操作。

相比传统的弹簧操作机构和电磁操作机构，永磁操作机构具有以下优点：
1. 可靠性高：永磁操作机构不需要弹簧或电磁线圈等易损件，因此具有更高的可靠性和更长的使用寿命。

2. 操作速度快：永磁操作机构的合闸和分闸速度非常快，可以大大缩短断路器的动作时间，提高系统的响应速度。

3. 能耗低：永磁操作机构不需要外部能源来维持其工作状态，因此能耗非常低，可以降低系统的运行成本。

4. 体积小：永磁操作机构的结构简单，体积小，可以方便地安装在断路器内部，占用空间小。

5. 环保：永磁操作机构不需要使用弹簧或电磁线圈等易损件，因此减少了废弃物的产生，对环境更加友好。

总之，真空断路器永磁操作机构是一种高性能、高可靠性的操作机构，它可以提高断路器的操作性能和可靠性，降低系统的运行成本，是真空断路器的理想选择。

真空断路器的操动机构主要有三种类型：电磁操动机构、弹簧操动机构及永磁操动机构。

电磁操动机构由一个电磁线圈和铁心，加上分闸弹簧和必要的机械锁扣系统组成，结构简单、零件数少、工作可靠、制造成本低。

同时螺管电磁铁的出力特性容易满足真空断路器合闸反力特性的要求。

其缺点是合闸线圈消耗的功率太大，因而要求配用昂贵的蓄电池，加上电磁机构的结构笨重，动作时间较长。

电磁操动机构出现最早，但目前用量趋于减少。

弹簧操动机构由弹簧贮存分合闸所需的所有能量，并通过凸轮机构和四连杆机构推动真空灭弧室触头动作。

其分合闸速度不受电源电压波动的影响，相当稳定，通过调整弹簧的压力能够获得满足要求的分合闸速度。

其缺点是机械零件多（达160多个），零件的材质、加工精度和装配精度都直接影响机构的可靠性。

弹簧机构的出力特性，基本上就是储能弹簧的释能下降特性，为改善匹配，设计中采用四连杆机构和凸轮机构来进行特性改变。

目前弹簧操动机构技术已经成熟，因此用量较大。

永磁机构是一种全新的操动机构，它利用永磁保持、电子控制、电容器储能。

其优势是结构简单、零件数目少，工作时的主要运动部件只有一个，无需机械脱扣、锁扣装置。

永磁机构分为两种类型：单稳态永磁机构和双稳态永磁机构。

永磁机构尚需经受考验，需解决好电容器的寿命问题、永久磁铁的保持力问题及电子器件的可靠性等问题。

目前其用量还不大。

真空断路器主要结构:真空断路器主要包含三大部分：真空灭弧室、电磁或弹簧操动机构、支架及其结构图他部件断路器采用三相支柱式结构，具有开断性能稳定可靠、无燃烧和爆炸危险、免维修、体积小、重量轻和使用寿命长等特点。

断路器采用全封闭结构，密封性能好，有助于提高防潮、防凝露性能，特别适用于严寒或潮湿地区使用。

三相支柱及电流互感器采用进口户外环氧树脂固体绝缘，或采用户内环氧树脂外包有机硅橡胶固体绝缘；具有耐高低温、耐紫外线、耐老化等特点。

操动机构采用小型化弹簧操动机构，储能电机功率小，分合闸能耗低；机构传动采用直动传输方式，零部件数量少，可靠性高。

真空断路器永磁操动机构的优化设计摘要：本文将模拟退火法应用于真空断路器永磁操动机构的优化设计，在对35kV真空断路器永磁操动机构进行磁路分析的基础上，建立了数学模型，并对其中的永磁体的主要参数进行了优化计算，改变了原样机永磁体的尺寸，可使样机体积更小、成本更低。

关键词：永磁操动机构优化设计模拟退火算法磁路计算1 前言真空断路器因其高可靠性、高稳定性、免维护、寿命长等特点，多年来一直是中压领域的主流产品。

操动机构作为断路器的执行元件，其可靠性成为关键。

近年来，一种电磁操动、永磁保持、电子控制的操动机构受到广泛关注。

这种操动机构由于取消了脱、锁扣装置，而采用永久磁铁进行终端位置的保持，动作元件和零部件数目明显减少，因而可靠性大大提高。

由于永磁机构涉及到电路、磁场和机械部分，它的场域比较复杂，因此用传统的设计方法对永磁操动机构的结构尺寸、材料等参数进行选定往往不能达到最优结果，需要借助于最优化技术和计算机辅助设计方法才能达到产品优化设计的目的。

本文对35kV真空断路器永磁操动机构进行了磁路分析，建立了数学模型，应用一种随机类全局优化方法――模拟退火法，对永磁操动机构的核心部分――永磁体的尺寸进行了优化计算。

2 永磁机构结构的结构形式和磁路分析图1所示为双稳态、双线圈永磁机构示意图。

当断路器处于分闸（或合闸）位置时，分（合闸）线圈无电流通过，永久磁铁利用动、静铁心提供的低磁阻抗通道将动铁心保持在分闸(合闸)位置。

当有合闸（分闸）动作指令时，合闸（分闸）线圈中通过电流，产生了与永久磁铁相反方向的磁通，两磁场叠加产生的磁场力使得动铁心向合闸（分闸）位置动作，完成关合（或断开）动作。

3 永磁操动机构的数学模型和优化方法1、目标函数及设计变量由于真空断路器大部分时间工作在合闸状态，即操动机构长期工作于合闸保持状态，这就要求操动机构能够提供可靠、持久、准确的保持力以克服触头弹簧反力及短路故障电流所造成的冲击力。

而永磁操动机构所提供的静态保持力是由永磁体磁通产生的，所以永磁体是永磁操动机构的核心部分，需要对其尺寸进行优化。