永磁機(jī)構(gòu)原理分析與磁路設(shè)計(jì)探討

楊玉輝

摘 要：永磁機(jī)構(gòu)近幾年發(fā)展迅速，核心技術(shù)已日漸成熟，目前國(guó)內(nèi)電力配網(wǎng)設(shè)備已經(jīng)逐漸推廣應(yīng)用。該文從永磁機(jī)構(gòu)的組成結(jié)構(gòu)入手，總結(jié)歸納了永磁機(jī)構(gòu)的原理和特性、計(jì)算分析及應(yīng)用等，闡述永磁機(jī)構(gòu)磁路靜態(tài)設(shè)計(jì)的基本分析方法。

關(guān)鍵詞：永磁機(jī)構(gòu) 原理分析 磁路設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM561 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）04（c）-0062-01

永磁機(jī)構(gòu)是采用磁鐵的永久磁力保持?jǐn)嗦菲魈幱诤?、分閘位置，并用電磁力驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)斷路器合分閘動(dòng)作的操作機(jī)構(gòu)。作為電力設(shè)備的重要元件，永磁機(jī)構(gòu)的特性很大程度上決定著成套設(shè)備的穩(wěn)定可靠性。這主要是由于永磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零部件少，核心運(yùn)動(dòng)部件唯一，而且無需機(jī)械脫、鎖扣裝置，故障源少。以下以單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行分析。

1 原理

永磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成中，合、分閘回路共用一個(gè)線圈，通過外圍電路控制線圈電流的方向，合閘操作時(shí)通正向電流，分閘操作時(shí)通反向電流。通過變換的磁場(chǎng)改變合、分閘回路的磁力。

當(dāng)動(dòng)鐵芯位于合閘位置時(shí)，永磁體的磁場(chǎng)主要作用于動(dòng)鐵芯的閉合端，永磁體與靜鐵芯、動(dòng)鐵芯及磁軛組成的閉合磁環(huán)路，產(chǎn)生足以克服來自于系統(tǒng)負(fù)載反力的永磁保持力，使動(dòng)鐵芯牢牢地與靜鐵芯“吸”在一起，從而使設(shè)備的負(fù)載觸頭保持接通狀態(tài)。

當(dāng)分閘線圈通電后，激磁線圈的外加磁場(chǎng)與永磁體的磁場(chǎng)相抵消，永磁保持力隨激磁電流上升而下降，當(dāng)激磁電流達(dá)到分閘觸動(dòng)值后，永磁保持力小于負(fù)載反力，在分閘彈簧的作用下，動(dòng)鐵芯從合閘位置運(yùn)動(dòng)到分閘位置，即圖示磁軛的左端面，同時(shí)帶動(dòng)負(fù)載主軸（觸頭）執(zhí)行分閘操作。此時(shí)的合閘磁路完全斷開。

2 分析

磁路設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析的結(jié)合使得永磁機(jī)構(gòu)按照既定要求的輸出變得可能。由此可見，進(jìn)行永磁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于磁路設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)備要求的輸出力值，據(jù)此演算推導(dǎo)出永磁機(jī)構(gòu)中各元件的參數(shù)，包括動(dòng)、靜鐵芯的磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁通密度，永磁體的磁通場(chǎng)強(qiáng)，以及線圈的參數(shù)，根據(jù)等效磁路設(shè)計(jì)合理的永磁機(jī)構(gòu)尺寸。

在常規(guī)永磁機(jī)構(gòu)的磁路中，磁場(chǎng)影響可分為3種情況：極化、磁化和傳導(dǎo)。分別是通電后線圈的極化磁性，永磁體對(duì)動(dòng)鐵芯的磁化和合分閘磁路間的磁傳導(dǎo)。

2.1 線圈分析

永磁機(jī)構(gòu)線圈的合分閘力值大小很重要的參數(shù)就是始動(dòng)安匝數(shù)，它的大小直接體現(xiàn)線圈的極化程度，進(jìn)而影響合分閘速度。實(shí)際上，始動(dòng)安匝數(shù)直接決定了線圈的體積，輸出力越大，相應(yīng)的線圈體積越大。安匝數(shù)的值等于激磁線圈匝數(shù)與激磁電流之積。永磁機(jī)構(gòu)始動(dòng)安匝數(shù)對(duì)永磁機(jī)構(gòu)有以下影響：（1）分閘激磁線圈匝數(shù)越多，線圈的電感就越大，這不但影響機(jī)構(gòu)的激磁時(shí)間和分閘時(shí)間，而且產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。（2）分閘電流既影響激磁線圈本身的溫升又影響永磁機(jī)構(gòu)控制回路。

線圈的形式采用在圓柱面上均勻地繞以漆包銅導(dǎo)線。在電磁力計(jì)算中，不考慮磁勢(shì)及導(dǎo)磁材料磁阻的影響，忽略導(dǎo)磁材料的磁滯效應(yīng)，假定材料均勻且各向同性。根據(jù)輸出力值，依次求出線圈磁路的吸力，磁感強(qiáng)度等幾個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。直流螺線管電磁鐵，穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的吸力及磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為：

=

從公式可以看出，要想提高電磁鐵線圈吸力，在電壓不可變的條件下，可以通過提高線圈匝數(shù)，減小線圈繞阻或者減小動(dòng)鐵芯行程等手段實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，采用增加線圈匝數(shù)的方法較為現(xiàn)實(shí)。但同時(shí)，線圈匝數(shù)會(huì)直接影響線圈的整體尺寸，進(jìn)而影響永磁機(jī)構(gòu)的尺寸。所以，考慮如何在盡可能小的尺寸情況下滿足使用要求就成為平衡點(diǎn)。

2.2 磁路分析

合分閘磁回路決定了機(jī)構(gòu)在合分閘運(yùn)動(dòng)過程中的效率。由于機(jī)構(gòu)是在電動(dòng)條件下工作，磁路的間隙不恒定，隨著工作位置而變動(dòng)，磁路的磁通、磁阻也在相應(yīng)而變，所以永磁體所受的退磁場(chǎng)為動(dòng)態(tài)函數(shù)。我們把復(fù)雜磁回路結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，歸結(jié)為若干典型磁路，用等效磁電路模型進(jìn)行分析。

將整個(gè)磁路分為永磁體、動(dòng)鐵芯、氣隙、靜鐵芯幾部分，分別計(jì)算各部分的磁阻，依據(jù)磁路歐姆定律求出磁路的磁通φ。

另一方面，磁路中磁軛，用回路的基爾霍夫第二定律和磁能公式有

由上式可見，要提高環(huán)路的磁效率，應(yīng)該使永磁體工作在最大磁能積所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)附近，即（BmHm）的數(shù)值要盡量接近所選材料的（BmHm）MAX點(diǎn)。

當(dāng)選擇合適的永磁體尺寸比時(shí)，可使磁體工作在最佳工作狀態(tài)。其中為磁路的長(zhǎng)度，此值決定了合分閘磁路的長(zhǎng)度，也就是靜鐵芯與動(dòng)鐵芯、磁塊構(gòu)成磁回路的周長(zhǎng)。

在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中，在分閘工作氣隙內(nèi)，可以適當(dāng)減少通過鐵芯端面的磁通量，起到減小分閘始動(dòng)安匝數(shù)、減少分閘過程中的永磁吸力、提高分閘速度的目的。由于分閘磁通量減少的影響，在合閘狀態(tài)時(shí)，合閘保持力由原值減小至60%～70%左右。為提高合閘保持力，通過調(diào)整動(dòng)鐵芯與靜鐵芯的接觸面積或氣隙，就可以調(diào)整合閘保持力。

3 結(jié)語

從以上分析可以看出：線圈始動(dòng)安匝數(shù)要依據(jù)電流值合理確定，綜合考慮分閘起始安匝數(shù)與合閘保持力。永磁機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)是分、合閘位置的保持力和分、合閘速度的大小，而保持力是確定永磁體尺寸、動(dòng)鐵芯端面積及工作氣隙的關(guān)鍵參數(shù)。運(yùn)動(dòng)過程的特性仿真是激磁線圈參數(shù)設(shè)計(jì)的保證，根據(jù)分析結(jié)果來完善產(chǎn)品參數(shù)可提高設(shè)計(jì)開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期，克服只能通過加工樣機(jī)才能驗(yàn)證結(jié)果的缺點(diǎn)。

在永磁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)的過程中，靜態(tài)計(jì)算只能確定永磁機(jī)構(gòu)在兩個(gè)穩(wěn)態(tài)位置的保持力大小，僅有助于動(dòng)鐵芯及永磁體尺寸的確定。而線圈參數(shù)的設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)各部件的相對(duì)安裝位置及整個(gè)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)則依賴于進(jìn)一步的磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)分析計(jì)算。永磁磁路可以有不同的磁路結(jié)構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)，但磁路設(shè)計(jì)的分析方法是相通的。

永磁機(jī)構(gòu)本身非常穩(wěn)定可靠，但還有一些不足，最顯著的缺陷是永磁體在高溫下的退磁，儲(chǔ)能電容器的質(zhì)量問題，與之配套的驅(qū)動(dòng)控制部分相對(duì)比較復(fù)雜，控制模塊的穩(wěn)定可靠性有待加強(qiáng)，其電子元器件存在老化失效或電流沖擊失效問題。但是隨著電力設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，永磁機(jī)構(gòu)必將走向成熟，具有更加廣闊的發(fā)展和應(yīng)用空間。

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