永久磁铁脱扣器抑制电流极性影响的优化方法

2023-06-15 百科知识版权反馈

【摘要】：近来提出的一种带永久磁铁的新型螺管式磁脱扣器可有效地提高动铁心的运动速度。图4-46给出了所研究的带永久磁铁的螺管式磁脱扣器的结构示意图。当永久磁铁安装完成后，其极性方向也随之确定。本节主要研究抑制带永久磁铁脱扣器电流极性的方法。

螺管式磁脱扣器一般利用压缩弹簧来提供反力，随着气隙的较小，弹簧产生的反力也随之增加。从提高低压断路器限流性能的角度来看，需要尽可能缩短脱扣器动作时间，因此动铁心的快速运动至关重要。近来提出的一种带永久磁铁的新型螺管式磁脱扣器可有效地提高动铁心的运动速度。其主要原理是永久磁铁对动铁心的吸力作用范围较小，当动铁心运动过一定行程后，作用在动铁心上的主要是动静铁心之间的电磁吸力，永久磁铁产生的反力甚小。但是，在实际应用中面临电流极性影响等问题。

图4-46给出了所研究的带永久磁铁的螺管式磁脱扣器的结构示意图。可以看出，该脱扣器由励磁线圈、轭铁、静铁心、动铁心、永久磁铁、极帽和两个气隙组成。按照设计性能要求，该脱扣器必须在9、10倍额定电流时能够保护动作。由于动铁心同时受到来自气隙1和气隙2的两个方向相反的电磁力作用，因此决定动铁心运动状态的是这两个力的合力。当永久磁铁安装完成后，其极性方向也随之确定。这样在交流励磁条件下，流过线圈的电流是交变的，而穿过气隙1和气隙2中的磁通密度是由励磁线圈和永久磁铁产生的磁通共同决定的，这样当电流方向发生变化、即使绝对值相同时在气隙中产生的磁通密度也将发生变化，从而影响作用在动铁心上的电磁力，最终导致不同方向电流时脱扣器的动作电流可能会有一定的差异，即极性影响。

图4-46 带永久磁铁的螺管式磁脱扣器结构示意图

a）3-D视图 b）前视图

由于动铁心同时受到来自两个气隙方向相反的电磁力作用，因此决定动铁心运动状态的是这两个力的合力。当永久磁铁安装完成后，其极性方向也随之确定。这样在交流励磁条件下，流过线圈的电流是交变的，而穿过气隙1和气隙2中的磁通密度是由励磁线圈和永久磁铁产生的磁通共同决定的，这样当电流方向发生变化、即使绝对值相同时在气隙中产生的磁通密度也将发生变化，从而影响作用在动铁心上的电磁力，最终导致不同方向电流时脱扣器的动作电流可能会有一定的差异，即极性影响。本节主要研究抑制带永久磁铁脱扣器电流极性的方法。

（1）采用具有凸台结构的动铁心

根据以上分析，本节给出了一种采用具有凸台结构的动铁心来抑制电流极性影响的方法，原理示意如图4-47所示，其主要出发点就是通过将动铁心的前端h_t高度范围内的半径缩小r₀，从而增加区域Ⅱ和永久磁铁之间的气隙，以减小永久磁铁作用在区域Ⅱ上的电磁力，这样即可抑制电流极性的影响。

下面以额定电流125A的脱扣器MR-125为例，设定r₀=1.0mm、h_t=2.0mm，对上述方法的有效性进行了仿真分析。

表4-15给出了具有上述凸台结构动铁心的磁脱扣器在负方向电流励磁下F_a随I和d₁的变化计算结果。

表4-16对比了d₂=0.1mm、不同电流方向时作用在在动铁心上的电磁力F_a计算结果，为了进一步分析带凸台结构动铁心的磁脱扣器的工作特点，也计算了不考虑永久磁铁、不同电流时的电磁力。

图4-47 具有凸台结构的动铁心来抑制极性影响的原理示意图

表4-15 具有凸台结构动铁心的脱扣器MR-125在正方向电流励磁下F_a随I和d₁的变化（单位：N）

表4-16 具有凸台结构动铁心的脱扣器MR-125在d₂=0.1mm时F_a随I和矫顽力的变化

可以看出，当电流大小相同、方向不同时，作用在动铁心上的电磁力F_a计算结果较为接近，相对差别小于15%。同时，当电流为0时，F_a=-10.36N，这也就是d₂=0.1mm、由永久磁铁单独在动铁心上产生的电磁力F_p；而当H_cb=0A/m，计算出的F_a即为线圈电流励磁后单独在动铁心上产生的电磁力F_c。可以发现：此时F_p和不同电流时的F_c之和与对应电流和永磁磁铁同时作用下的F_a数值相当。这就进一步说明了凸台结构的动铁心有“磁路隔离”的作用，使得线圈电流和永久磁铁在动铁心上产生的电磁力基本满足叠加原理，也即在磁脱扣器中线圈电流励磁的磁路和永久磁铁励磁的磁路之间基本上是隔离的、相互影响较小。

为了更进一步说明由于B_c和B_p的方向异同所引起的总磁通密度增加或抵消是造成该磁脱扣器极性影响的主要原因，表4-17给出了按照MR-125原始设计，计算出的d₂=0.1mm、不同电流方向时作用在动铁心上的电磁力F_a计算结果，同时也给出了不考虑永久磁铁、线圈电流单独作用时的电磁力F_c。

表4-17 原始设计的MR-125在d₂=0.1mm时F_a随I和矫顽力的变化（单位：N）

可以看出，大小相同的正、负方向线圈电流作用下的F_a差异非常明显，针对给出的4个电流条件下，F_a绝对值相差均在20N以上；而此时F_p=-34.0N，其与不同电流作用下的F_c之和均介于对应大小的正、负方向电流时产生的电磁力数值之间。这也就进一步定量地说明了在原始设计的动铁心结构下存在的“磁路重叠”是造成极性影响的根本原因。

图4-48给出了反向电流作用下d₂=0.1mm时，气隙d₂中靠近动铁心一侧的第一层网格的磁通密度分布，从中可以明显地看到对应于动铁心中区域Ⅱ前的磁通密度较小，这正是由于在区域Ⅱ，B_c和B_p的方向相反，从而在数值上相互抵消造成的。

对比表4-17和图4-48，还可以看出：与原始设计相比，具有凸台结构动铁心的脱扣器在相同电流作用下的F_a较大，这也就说明后者的最小脱扣电流I_min较小。因此，通过改变r₀和h_t的大小，不仅可以抑制电流方向对脱扣器工作性能的影响，而且也为调节I_min提供了一种有效手段，以便于按照额定电流不同、系列化地设计带永久磁铁的螺管式磁脱扣器。