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智能真空断路器上的永磁操动机构保持力验证 千海峰彳i寅旺千宝平 南京电力自动化设备总厂 摘要：本文在建立永磁操动机构数学模型的基础上，采用有限元分析方法对永磁操动机构 的保持力进行计算，并对其进行试验测量，通过对理论计算和试验测量的结果进行对比分 析，得出结论。此结论对永磁操动机构的结构设计提供了有益的参考和依据。 关键词：永磁操动机构：有限元；保持力 1．前言 1997年ABB 磁操动机构的新技术。国外其它一些公司，如法国的A1stom公司也研制了配VBL 型非对称永磁操动机构的真空断路器。近几年，国内各开关企业也相继推出自 己的配永磁操动机构的真空断路器，南自厂开关工程部自行研制的户外智能真 空断路器(柱上开关)于2000年4月通过国家高压电器检验中心的型式试验， 这是国内第一家配永磁操动机构的真空断路器通过型式试验。此开关集微处理 技术、电力电子技术、传感器技术、通讯技术及永磁操动于一体，具有远程控 制、自诊断功能，是新一代智能化开关设备…。南自厂的VNl型户内智能真空断 路器也已通过型式试验。 2．永磁操动机构的工作原理 永磁操动机构的工作原理大致相同，但具体结构则有所不同。根据永久磁 体保持稳定工作状态可分为双稳态和单稳态。所谓双稳态是指动铁芯无论在分 闸还是在合闸位置，不需要任何外界能量或机构锁扣系统，其保持力只是由永 久磁体提供。而单稳态是指永久磁体仅在其中一个位置给动铁芯提供保持力。 目前我厂研制的产品都采用的是双稳态永磁操动机构。如图1所示。 当断路器处于分闸或合闸位置时，如图l中动铁芯处于最上端或最下端时， 线圈中无电流通过，此时动、静铁芯一起对 永久磁体的磁场形成一个低磁阻抗的路径， 磁力线几乎全部从动铁芯和静铁芯接触的 这一端走，即永久磁体产生的永磁吸力将动 铁芯保持在上、下位置，而不需要机械锁扣。 当有动作信号时，合闸或分闸线圈中的电流 产生磁场，机构中的磁场由永久磁体产生的 磁场和线圈电流产生的磁场叠加合成，动铁 芯连同驱动杆在合成磁场力的作用下，完成 开关的关合或开断。 3．计算理论与方程 3．1电磁场数值计算方法 图l舣稳态永磁操动机构原理简图 -·——138·--·- 电磁场数值计算一般有如下几种方法：有限差分法、有限元法、积分方程 法、边界积分法，边界元法和网络图论法。 以上各种方法各有长短之处，对于不同的计算对象，各种计算方法的表现 是不同的。有限元法对于非线性问题、材料和结构参数复杂的问题均十分有效， 是当今电工领域电磁场计算中应用最为广泛的方法。本文研究的对象是永磁操 动机构，它的铁磁材料磁导率是非线性的，并且机构模型中包含多种材料，因此， 本文采用有限元法对之展开分析和进行计算。 有限元法(FEM)的基本原理是，将复杂的场空间看成由有限个单元组成的整 体，然后对每个单元进行分析，得出单元的方程式，在此基础上，将所有单元 综合起来，进行总体合成，建立系统的联立方程组。 有限元法能有效解决区域形状不规则的问题，可以用统一的格式来处理各 种单元和不同的边界条件，能编制成通用的计算机程序。有限元中的系数矩阵 一般是对称、稀疏阵，计算时便于节约内存。从工程和物理角度看，有限元法 是把连续性问题变为离散问题并求解的一种方法；从数学角度春有限元法是 把偏微分方程变换为代数方程并求解的一种方法。 有限元法对于非线性问题，材料和结构参数复杂的问题均十分有效，已经 在实际问题中得到了广泛的应用。其缺点是求解场域内场量变化剧烈的区域时， 要剖分很多单元，需要求解大型代数方程组，计算工作量很大；对于无界场域 问题，必须人为地设立边界，为保证计算的精度，如果所强加边界距场区很远， 会增加剖分网格数，随之节点数增加，因而使占据的计算机内存量及计算时间 都大大增加。有限元法另一缺点是剖分过稀就会带来较大的截断误差，剖分过 密又会带来较大的舍入误差。 3．2电磁场方程 本文计算的永磁操动机构是轴对称模型，因此按二维轴对称场计算，就可以 满足工程上的精度要求。计算的永磁操动机构磁场有限元分析模型如图2所示。 线圈中电流方向A为垂直于(r，z)坐标平面，在 磁场计算时矢量磁位彳只有一个方向的分量钆，电 磁场方程在(，．，z)坐标平面采取如下形