永磁机构的工作原理解析

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：尽管永磁机构有不同的结构形式，工作原理却大体相似。方形结构和圆柱形结构的工作原理相同，但静铁心材料和加工工艺不同。（一）双稳态永磁机构工作过程和工作原理双线圈永磁机构如图7-27所示，其静铁心的中部镶着永磁体，两个永磁体的同名磁极向着中心。正因为如此，双线圈永磁机构又称作双稳态永磁机构。采用有限元法可以计算出双稳态永磁机构分合闸过程中的磁场变化。

尽管永磁机构有不同的结构形式，工作原理却大体相似。永磁机构就其实质而言是用永磁体实现合闸保持和分闸保持（有时只用永磁体作合闸保持而不作分闸保持的一种型式）的电磁操动机构。

按照机构在终端位置的保持方式，永磁机构可以分为双稳态和单稳态两种形式。从线圈数目上分，分为双线圈式和单线圈式。从外形结构上分，分为方形结构和圆形结构。图7-24、图7-25所示分别为方形结构和圆柱形结构双稳态永磁机构的外形简图，沿A—A剖面可以得到相似的剖面简图，如图7-26所示。

图7-24 方形永磁机构外形简图

图7-25 圆柱形永磁机构外形简图

从图7-26中可以看出，永磁机构共由七个主要零件组成：1为静铁心，为机构提供磁路通道，对于方形机构一般采用硅钢片叠形结构，圆柱形机构则采用电磁纯铁或低碳钢；2为动铁心，是整个机构中最主要的运动部件，一般采用低碳钢材料；3、4为永久磁体，为机构提供保持时所需要的动力；5、6分别为分闸线圈和合闸线圈；7为驱动杆，是机构与断路器传动机构之间的连接纽带。

图7-26 永磁机构A—A剖面简图

1—静铁心 2—动铁心 3、4—永磁体 5—分闸线圈 6—合闸线圈 7—驱动杆

当断路器处于合闸或分闸位置时，线圈中无电流通过，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上、下极限位置，而不需要任何机械联锁。当有动作信号时，合闸或分闸线圈中的电流产生磁势，动、静铁心中由线圈产生的磁场与永磁体产生的磁场叠加合成，动铁心连同固定在上面的驱动杆，在合成磁场力的作用下，在规定的时间内以规定的速度驱动开关本体完成开合任务。此机构之所以被称为两位式，双稳态原理结构是由于动铁心在行程终止的两个位置不需要消耗任何能量即可保持，而传统的电磁机构动铁心是通过弹簧的作用被保持在行程的一端，而在行程的另一端靠机械锁扣或电磁能量进行保持。由上述可知，永磁机构通过将电磁铁与永久磁铁特殊结合来实现传统断路器操动机构的全部功能：由永久磁铁代替传统的脱锁扣机构来实现极限位置的保持功能，由分合闸线圈来提供操作时所需要的能量。可以看出，由于工作原理的改变，整个机构的零部件总数大幅减少，使机构的整体可靠性有可能得到大幅提高。

方形结构和圆柱形结构的工作原理相同，但静铁心材料和加工工艺不同。方形结构中静铁心采用硅钢片，磁导性能很好，制造中需开模具；圆柱形结构中静铁心材料应采用电工纯铁，以保证良好的磁导性，加工工艺简单。

由上述可知，永磁机构就其实质而言是用永磁体实现合闸保持和分闸保持（有时只用永磁体作合闸保持而不作分闸保持）的一种电磁操动机构。

下面分别简述双线圈双稳态和单线圈单稳态^[12]永磁机构的工作过程和工作原理。

（一）双稳态永磁机构工作过程和工作原理

双线圈永磁机构如图7-27所示，其静铁心的中部镶着永磁体，两个永磁体的同名磁极向着中心。永磁体的上方和下方分别安装着分闸线圈和合闸线圈。动铁心位于永磁体和静铁心上下磁极之间。动铁心上的驱动杆穿过静铁心，此驱动杆可直接用来驱动断路器作合分闸运动。

动铁心在静铁心中理论上有三个平衡状态：其一为动铁心位于静铁心的最上方，动铁心的上端与静铁心的上磁极接触（图7-27a的位置为合闸状态）。其二为动铁心位于静铁心的最下方，动铁心的下端与静铁心的下磁极接触（图7-27c的位置为分闸状态）。在合闸状态，永磁体通过上部磁路的磁阻很小而通过下部磁路的磁阻因空气隙很大而很大。永磁体的磁通绝大部分通过上部磁路，将动铁心牢固地吸在静铁心的上磁极上。分闸状态（见图7-27c）与合闸状态相反，永磁体通过下部磁路的磁阻很小，磁通集中在下部磁路，动铁心被吸在下磁极上。第三个平衡状态是动铁心位于静铁心的中部，永磁体通过上部和下部空气隙的磁阻完全相等，静铁心的上端和下端受静铁心的吸力完全相等，动铁心处于平衡状态。但这是一种不稳定平衡，只要上下气隙有微小变化就会破坏这种平衡，过渡到第一种或第二种平衡。所以动铁心实际上只存在两种平衡状态，即分闸状态和合闸状态。正因为如此，双线圈永磁机构又称作双稳态永磁机构。

当双线圈永磁机构处于合闸位置时，永磁体产生的磁力线的分布如图7-27中曲线Ⅰ所示。要使其分闸，只要在分闸线圈中通以直流电流，该电流产生的磁力线方向与永磁体在静铁心上端的磁力线方向相反，如图7-27b中的曲线Ⅱ所示。分闸线圈中的电流所产生的磁场使动铁心所受的吸力减小，当此电流增大到一定值时，动铁心所受的吸力之和小于动铁心上的机械负荷（如作用在动铁心上的触头压力，其方向与永磁体的吸力相反），这时动铁心就将向下运动。一旦动铁心向下运动，动铁心上端与静铁心上磁极之间就出现了空气间隙，上端的磁阻增大，下端的磁阻减小。静铁心上磁极对动铁心的吸力减小，下磁极对动铁心的吸力增大。动铁心上向下的合力增大，这使动铁心加速向下运动。这一过程一直持续到动铁心下端与静铁心的下磁极接触，如图7-27c所示，完成分闸动作为止。这时，动铁心重新被永磁体吸合，处于稳定状态，即使切断分闸线圈的电流，动铁心也不会恢复到合闸状态。

图7-27 双线圈永磁机构

a）合闸状态 b）分闸过程 c）分闸状态 d）合闸过程

1—静铁心 2—动铁心 3—合闸线圈 4、5—永磁体 6—分闸线圈 7—下磁极 8—上磁极 9—驱动杆

曲线Ⅰ—永磁体磁场曲线Ⅱ—分闸励磁磁场曲线Ⅲ—合闸励磁磁场

合闸过程和分闸过程正好相反：在合闸线圈中通电，如图7-27d所示，线圈电流在下部间隙中产生反磁场，动铁心上受到的总吸力减小，当吸力小于动铁心上的机械负荷时动铁心向上运动，最后达到合闸位置，如图7-27a所示，动铁心重新为永磁体吸合。切断合闸线圈电流后动铁心仍然保持在合闸位置，合闸过程结束。

采用有限元法可以计算出双稳态永磁机构分合闸过程中的磁场变化。由于双稳态永磁机构分合闸过程磁场变化较为相似，这里以合闸过程为例，图7-28给出了合闸过程中的磁场变化。图7-28a所示为线圈不通电，仅有永磁体作用时的磁场分布。图7-28b所示为机构尚处于分闸位置，合闸线圈电流达到一定值时的磁场分布。图7-28c、d、e、f所示分别为静铁心运动到不同位置时的磁场分布。

图7-28 双稳态双线圈永磁操动机构合闸过程中的磁场变化

永磁体在受到强烈的反向磁场作用时其磁性能会降低，这就是永磁体的退磁。双线圈永磁机构无论在合闸还是在分闸过程中，线圈电流所产生的外磁场在永磁体上总是与永磁体自身磁场的方向相同的。这就是说永磁体并不受反磁场的作用，永磁体没有退磁的危险。

（二）单稳态永磁机构工作过程和工作原理

单线圈永磁机构与双线圈永磁机构的结构和磁路非常相似，动作也很相近，但是在分闸操作时需要用弹簧操动。

图7-29 单线圈永磁机构

a）合闸状态 b）分闸过程 c）分闸状态 d）合闸过程

1—静铁心 2—动铁心 3—操作线圈 4、5—永磁体 6—下磁极 7—上磁极 8—驱动杆

曲线Ⅰ—永磁体磁场曲线Ⅱ—分闸激磁电流磁场曲线Ⅲ—合闸激磁电流磁场

当操动机构处于合闸位置（见图7-29a）时，线圈中无电流通过，由于永久磁铁的作用，动铁心保持在上端。分闸时，在操作线圈中通以正向电流，该电流在动铁心上端产生于永磁体磁场相反方向的磁场，使动铁心受到的磁吸力减小，当动铁心受到的向上的合力小于弹簧的拉力时，动铁心向下运动，实现永磁机构的分闸。当处于分闸位置（见图7-29c）时，在操作线圈中通以与合闸操作时方向相反的电流。这一电流在静铁心上部产生与永磁体磁场方向相同的磁场，在动铁心下部产生与永磁体磁场方向相反的磁场，使动铁心所受的磁吸力减小。当操作电流增大到一定值时，向上的电磁合力大于下端的吸力与弹簧的反力，动铁心便向上运动，实现合闸，并给分闸弹簧储能。

图7-30给出了单稳态单线圈永磁机构分闸过程中磁场分布的变化曲线。由图7-28和图7-30相比可以看出，双稳态双线圈和单稳态单线圈永磁机构的磁场分布和磁场变化存在明显差异。

图7-30 单稳态单线圈永磁机构分闸过程机构中磁场分布的变化

（三）双线圈和单线圈永磁机构的特点

双线圈和单线圈永磁机构的主要区别如下：

1）由于单线圈单稳态永磁机构在合闸位置上不仅要克服触头弹簧的压力，还要为分闸弹簧储能，因此在相同的传动条件下，所需的保持力比双稳态机构要大。

2）采用电容作为分合闸线圈电源时，双线圈永磁机构分合闸时电容均放电，单线圈机构合闸时电容放电，分闸时存在对电容充电的过程。

3）两种机构合闸时动作特性较为相似，分闸时差异较大。单线圈机构由于采用了分闸弹簧，分闸速度特性与弹簧机构较为相似，与真空灭弧室特性匹配更好。

4）双线圈永磁机构的分闸特性易受控制系统电参数的控制，因此在需要控制分合闸特性的场合以及研制选相开关时双线圈机构更具有优势。

5）正如前面所指出的，双线圈永磁机构的线圈磁场在永磁体上与永磁体自身磁场总是同方向的，所以不存在退磁的危险。而在单线圈永磁机构中情况却不一样。在图7-26的永磁机构中，在分闸过程线圈磁场在永磁体上与永磁体自身磁场的方向是相反的，只有在合闸过程中两者的方向才是一致的。这说明单线圈永磁机构存在着退磁的危险，一旦永磁体明显退磁，永磁机构将不能正常工作。

单线圈永磁机构在实际工作时的退磁危险是不存在的^[10]，其原因是无论在合闸状态还是在分闸状态，动铁心上除了受永磁体的吸力外，还受很大的反向机械力的作用。这些机械力的合力仅仅比磁力略小一些，这些反力在合闸状态主要是触头弹簧的压力，在分闸状态则主要是真空灭弧室的自闭力和分闸弹簧的拉力。只要加上不大的反向磁场就能实现分闸或合闸。反向磁场远远小于永磁体的自身磁场，这样的反磁场不会导致永磁体的明显退磁。

因为双线圈永磁机构没有机械锁扣，所以不能像传统操动机构那样用手动进行紧急分闸。单稳态永磁机构因为分闸速度和分闸保持都靠分闸弹簧进行，很好地解决了分闸手动控制问题，可以进行手动分闸。

永磁机构的工作原理解析

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