永磁計(jì)算

1、永磁計(jì)算.txt“我羨慕內(nèi)些老人羨慕他們手牽手一直走到最后。━交話費(fèi)的時(shí)候，才發(fā)現(xiàn)自己的話那么值錢。725kV高壓真空斷路器永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)2009121620:40:00來(lái)源：中國(guó)自動(dòng)化網(wǎng)1引言永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件數(shù)量少、可靠性高，非常適合于操動(dòng)真空斷路器。它于1998年投放市場(chǎng)，已引起國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注，并被成功地配用在中壓真空斷路器上，目前有12kV、175kV和24kV額定電壓等級(jí)的產(chǎn)品。較高電壓等級(jí)的產(chǎn)品一直都在研究

2、，但尚未見到有關(guān)其研究和應(yīng)用的報(bào)道［1，2］。高壓真空滅弧室有較長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)行程，并需要較高的分、合閘速度，例如725kV高壓真空滅弧室需要的觸頭開距在50mm左右，需要的分、合閘速度分別是25m／s和18m／s，與12kV中壓斷路器的真空滅弧室相比，開距為其6倍左右，分、合閘速度為其2倍左右。由于氣隙磁阻與氣隙長(zhǎng)度成正比，故在較長(zhǎng)的開距下，動(dòng)鐵芯通常不易獲得滿足高壓真空滅弧室開斷要求的機(jī)械力，這給配用永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)帶來(lái)了相當(dāng)?shù)碾y度。本文提出

3、了一種725kV高壓真空斷路器永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的方案，在基本上不增加磁系統(tǒng)體積的前提下，通過(guò)在分閘線圈工作氣隙區(qū)域內(nèi)設(shè)置磁分路，使動(dòng)鐵芯在較長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)行程下獲得了足以能驅(qū)使其運(yùn)動(dòng)的機(jī)械力。通過(guò)仿真進(jìn)行了虛擬測(cè)試，結(jié)果表明其力輸出特性和速度特性均符合要求。2結(jié)構(gòu)與原理永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的電磁系統(tǒng)主要由動(dòng)鐵芯、靜鐵芯、永久磁鐵、分閘線圈及合閘線圈所組成，永久磁鐵和分、合閘線圈分別環(huán)繞在動(dòng)鐵芯和橫軛及動(dòng)鐵芯和上、下側(cè)柱之間。當(dāng)動(dòng)鐵芯位于合閘位置或分閘位置

4、時(shí)，永久磁鐵的磁場(chǎng)主要作用在動(dòng)鐵芯的閉合端，產(chǎn)生足以克服來(lái)自于真空滅弧室和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載反力的電磁保持力，從而使觸頭保持分?jǐn)嗷蚪油ā．?dāng)分閘線圈或合閘線圈通電受勵(lì)后，激磁線圈的外加磁場(chǎng)與永久磁鐵的磁場(chǎng)相抵消，電磁保持力隨激磁電流上升而下降，當(dāng)激磁電流達(dá)到觸動(dòng)值后，電磁保持力小于負(fù)載反力，動(dòng)鐵芯從一個(gè)終端位置運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)終端位置上，帶動(dòng)觸頭動(dòng)作。激磁線圈外加磁場(chǎng)對(duì)動(dòng)鐵芯的作用強(qiáng)度與其所鏈磁路的氣隙長(zhǎng)度成反比，氣隙越長(zhǎng)，激磁線圈外加磁場(chǎng)對(duì)

5、動(dòng)鐵芯的作用強(qiáng)度越弱。為使有較長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)行程的電磁鐵能在運(yùn)動(dòng)初始階段從激磁線圈的外加磁場(chǎng)中獲得充足的動(dòng)能，本設(shè)計(jì)在分閘線圈的工作氣隙區(qū)域內(nèi)設(shè)置一由導(dǎo)磁材料構(gòu)成的磁分路，圖1所示為帶有磁分路的永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)電磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。引入磁分路后，進(jìn)入磁極端面的磁通被分為工作氣隙主磁通和工作氣隙邊緣磁通，動(dòng)鐵芯的電磁吸力特性趨于平坦［3］。這樣長(zhǎng)行程的電磁鐵同樣也能在分閘運(yùn)動(dòng)的初始階段從分閘線圈的外加激磁磁場(chǎng)中獲得足夠的能量而運(yùn)動(dòng)。但在運(yùn)動(dòng)的后半程及

6、在分閘位置上，由于磁分路的存在，激磁線圈外加磁場(chǎng)和永久磁鐵的磁場(chǎng)對(duì)動(dòng)鐵芯的作用效果將大大降低，電磁保持力將會(huì)減少。真空滅弧室及其機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載力主要包括：真空滅弧室的自閉力、觸頭彈簧壓力、合閘電動(dòng)力和零件重力及其運(yùn)動(dòng)的摩擦力，其中觸頭彈簧壓力和合閘電動(dòng)力只在超程階段才起作用，因此分閘位置上的負(fù)載反力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于合閘位置上的負(fù)載反力［4］。對(duì)于725kV的真空斷路器，合閘位置上的負(fù)載反力大約是4000N／相；而分閘位置上的負(fù)載反力只有20

7、0N／相左右。雖然在分閘位置上設(shè)置磁分路使永久磁鐵作用于動(dòng)鐵芯上的電磁保持力有較大幅度的降低，但仍足以保證觸頭可靠地分?jǐn)?。在合閘位置上，需要永久磁鐵的磁場(chǎng)能提供足夠的電磁保持力以克服來(lái)自真空滅弧室的激磁線圈的能量由儲(chǔ)能電容器提供，并通過(guò)功率器件來(lái)控制其通斷。由于動(dòng)鐵芯位移會(huì)使永久磁鐵的磁場(chǎng)發(fā)生改變，故永久磁鐵的磁場(chǎng)與激磁線圈的磁場(chǎng)相耦合。如不考慮渦流，激磁線圈回路的等效電路如圖3所示。若不計(jì)晶閘管的正向?qū)▔航?，線圈回路的電路方程式為式

8、中uC為電容器兩端的電壓；i為激磁線圈的電流；R為激磁線圈的電阻；Ψ為激磁線圈的磁鏈；L為激磁線圈的自感；M為永久磁鐵等效面電流線圈與激磁線圈間的互感；C為電容器的電容。電路的初始條件為式中U0為電容器的預(yù)充電壓。由式（4）和式（5）推導(dǎo)可得412動(dòng)鐵芯的運(yùn)動(dòng)方程式動(dòng)鐵芯在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)部分的位移方程式為式中m（x）為動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)部分的歸化質(zhì)量；x為動(dòng)鐵芯的位移Ff（x）、Ff為與運(yùn)動(dòng)部分的位移和速度有關(guān)的反力。413吸力方程式假設(shè)磁系

9、統(tǒng)是線性的，磁場(chǎng)能量為42動(dòng)態(tài)過(guò)程的仿真上述方程組不能用嚴(yán)密的解析方法求解，本文應(yīng)用MATLAB語(yǔ)言的SIMULINK工具箱對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程方程組進(jìn)行了仿真，不僅可以獲得動(dòng)態(tài)過(guò)程的時(shí)域解，而且可以方便地修正儲(chǔ)能電容器和激磁線圈的電氣參數(shù)。圖4所示為動(dòng)態(tài)過(guò)程的仿真模型。圖4中有2個(gè)子系統(tǒng)，即電磁吸力仿真模型子系統(tǒng)和激磁電流仿真模型子系統(tǒng)，它們分別是式（9）和式（6）在SIMULINK中的表示，如圖5和圖6所示。仿真所需的電磁參數(shù)位移x的函數(shù)，仿