计 新 ． ……ｃ， ｚ ｚ ｚ …一・……………………………………一一……－－＿……微持电棚 ２ｏ１４年第４２卷第３期 一………………・一………………・… 闵三稳态永磁操动机构原理与应用 闵 伟，黄志军，李建兵，史政凯，郭国领 （天津平高智能电气有限公司，天津３００３００） 摘要：三工位操动机构在三工位开关、自动转换开关电器、液压阀等设备中应用广泛。提出了一种新型三稳 态永磁操动机构，给出了其工作原理，并采用有限元法计算了该操动机构的动铁心在第三稳态位置附近所受的磁 场力，证明了动铁心能够稳定在该位置。最后，本文还给出了该机构的应用案例。 关键词：永磁操动机构；三稳态；三工位开关；自动转换开关电器 中图分类号：ＴＭ３５９．９ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００４－７０１８（２０１４）０３－００３６－０４ Ｔｈｅ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ａｃｔｕａｔｏｒ ｗｉｔｈ Ｔｈｒｅｅ Ｓｔｅａｄｙ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ＭＩＮ Ｗｅｉ，ＨＵＡＮＧ ｎ，ＬＩ Ｊｉａｎ—ｂｉｎｇ，ＳＨＩ Ｚｈｅｎｇ—ｋａｉ，ＧＵＯ ｇｕｏ—ｌｉｎｇ （Ｔｉａｎｊｉｎ Ｐｉｎｇｇａｏ Ｓｍａｒｔ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｃｔｕａｔｏｒ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｒｅｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｗｉｔｃｈ，ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｖａｌｖｅ．Ａ ｎｏｖｅｌ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ａｃｔｕａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｔｈｒｅｅ ｓｔｅａｄｙ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｕ— ａｔｏｒ ｗａｓ ｇｉｖｅｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｏｒｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｍｏｖｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｕａｔｏｒ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｍｏｖｅｒ ｗａｓ ｍｏｖｅ ｎｅａｒ ｔｈｅ ｔｈｉｒｄ ｓｔｅａｄｙ ｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｕａｔｏｒ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ａｃｔｕａｔｏｒ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ａｃｔｕａｔｏｒ；ｔｈｒｅｅ ｓｔｅａｄｙ ｐｏｓｉｔｉｏｎ；ｔｈｒｅｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｗｉｔｃｈ；ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｅｑｕｉｐ— ｍＰｎｔ 一０引 言 三工位隔离一接地开关 １－３］、液压阀、自动转换 开关电器（ＡＴＳＥ） 等设备都有三个工作位置，需 要相应的三工位操动机构 来操动。现有三工位 隔离一接地开关和液压阀的三工位操动机构主要采 用电磁铁与弹簧操动机构，通过机械和电气的互锁 问题，沈阳工业大学提出了一种三稳态差动式永 磁操动机构 。该机构通过在现有双稳态永磁操 动机构的两端加装弹簧来实现第三个稳态位置，结 构简单，可控性好，但是该机构其它两个位置的保持 力需要额外克服弹簧的拉力，这将增加永磁材料的 用量，提高了成本。中国西电电气股份有限公司则 提出了一种三工位双稳态永磁机构 。这种三工 装置的方式实现三个工作位置的切换。现有的三工 位ＡＴＳＥ内部则通常配有两套操动机构，也是通过 机械和电气的互锁装置实现双电源的可靠转换。上 述这些基于弹簧操动机构 的三工位操动机构都 存在结构复杂、体积大、可靠性不高的问题。 与带互锁装置的弹簧操动机构相比，永磁操动 机构 的运动部件少，结构简单；采用永磁力作为 保持力，无需机械脱扣和锁扣装置，零件总数大大减 位双稳态永磁机构将两个双稳态永磁机构叠加起 来，实现了三个工作位置的切换，但这种永磁操动机 构需要两组永磁体，成本高，结构也比较复杂。 为了简化三工位隔离一接地开关、自动转换开 关电器、液压阀等设备的结构，提高其可靠性，本文 将永磁开关磁通直线电机 的齿槽结构与现有 永磁操动机构相结合，提出了一种三稳态永磁操动 机构，并分析了其工作原理，通过有限元仿真，计算 少，提高了系统可靠性。此外，采用永磁操动机构的 断路器还能够实现电压过零时合闸、电流过零时分 其静态磁场分布。该三稳态永磁无须弹簧或凸轮等 其他机械结构，仅仅通过磁路的闭合就能将动铁心 稳定在三个位置上，无需脱扣、锁扣装置即可实现三 工位隔离～接地开关、自动转换开关电器、液压阀等 闸的选相合、分闸操作，为断路器的智能化奠定了基 础。因此，永磁操动机构成为目前学术界和工业界 的研究热点 。 设备在其三个工作位置的切换，并实现最终位置的 保持功能，而且所需永磁材料的量与现有的双稳态 永磁操动机构相同，降低了成本。 但是现有的永磁操动机构只有两个稳态的工作 位置，无法直接用于操动三工位开关。为了解决这 ３６ 收稿日期：２０１３一ｏ４—２５ 饭持电棚 ２０１４年第４２卷第３期 １三稳态永磁操动机构的基本结构 本文提出的三稳态永磁操动机构的基本结构如 图１所示。这种三稳态永磁操动机构的外形为圆柱 形，图１给出了过圆柱中轴线的剖面图。 图１ 三稳态永磁操动机构的结构 如图１所示，三稳态永磁操动机构主要由静铁 心、动铁心、上驱动线圈、中驱动线圈、永磁体、下驱 动线圈、和驱动杆组成。动铁心设置在该机构的中 央位置。驱动杆与动铁心固定连接，永磁体与静铁 心固定连接。永磁体为环形，其充磁方向为从环的 中心指向环外。静铁心和动铁心上设有与永磁开关 磁通直线电机类似的齿槽结构，通过这种齿槽结构 进行导磁通路的切换，使动铁心在。、６、Ｃ三个不同 位置能与永磁体、静铁心构成稳定的磁路，从而将动 铁心稳定在这三个位置上，实现操动机构的三个稳 态工作位置。 在图１中，动铁心处于位置ｂ。此时，动铁心向 上移动可以到达位置口，向下移动可以到达位置Ｃ。 ２三稳态永磁操动机构的工作原理 本文采用有限元分析，计算了图１的三稳态永 磁操动机构的磁场分布。下面结合永磁操动机构不 同工作状态的磁场分布图，介绍该机构的具体工作 原理。 不妨定义图１中线圈左半边电流流出纸面或者 线圈右半边电流流入纸面时的电流方向为电流正方 向。当动铁心在图１所示的位置ｂ且所有线圈均不 通电时，该机构由永磁体产生的磁场的分布图如图 ２所示。显然，此时动铁心处于稳态位置，即动铁心 受到外界扰动而稍微偏离该位置时，动铁心所受的 磁力会驱动其回到该稳态位置。 图２ 动铁心在位置ｂ且线圈中无电流的磁场分布 在稳态位置ｂ时，给下驱动线圈通入正向电流， 其他线圈不通电，动铁心便受到向下的磁力，带动驱 动杆开始向稳态位置Ｃ运动，此时三稳态永磁操动 机构的磁场分布示意图如图３所示。 图３动铁心在位置ｂ且线圈通入正向电流的磁场分布 在图３所示情况下，动铁心带动驱动杆运动到 位置Ｃ，切断所有线圈的电流，动铁心就在永磁体提 供的磁场力的作用下吸合在静铁心的下端，从而稳 定在位置Ｃ上，此时该机构的磁场分布示意图如图 ４所示。显然此位置是一个稳定的位置，而且永磁 体的吸合力将提供较强的开关合闸所需的保持力。 图４动铁心在位置Ｃ且线圈中无电流的磁场分布 永磁操动机构的动铁心在位置Ｃ时，如果在下 驱动线圈和中驱动线圈中分别通人负方向电流而上 驱动线圈不通电，机构的磁场分别将如图５所示。 此时动铁心将在磁场力作用下从位置Ｃ向位置ｂ运 动，从而回到位置ｂ。 阂 伟 ， 等 三 稳 态 永 磁 操 图５动铁心在位置ｃ且下驱动线圈和 ｉ 中驱动线圈通负向电流的磁场分布 ；塑 当动铁心和驱动杆稳定在位置ｂ时，向上驱动 理 线圈通人负向电流，其他线圈不通电，动铁心将在磁！爰 场力作用下开始从位置ｂ向位置口运动，此时该机ｉ用 构的磁场分布示意图将如图６所示。随后，动铁心 带动驱动杆运动到位置口，切断所有线圈的电流，动！ 铁心就在永磁体提供的磁场力的作用下吸合在静铁 ３７ 计 斩 ……。 ／ 咖 喝 翻 ． …………………………………………………………… …一…………．二…．－Ｉ．：…一： 触持电棚 ２０１４年第４２卷第３期 心的上端，从而稳定在位置口上，此时该机构的磁场 分布示意图如图７所示，显然此位置是一个稳定的 位置，而且永磁体的吸合力将提供的开关合闸所需 的保持力。 图６动铁心在位置ｂ且下驱动线圈通负向电流的磁场分布 图７动铁心在位置。且上驱动线圈无电流时的磁场分布 当动铁心在位置０时，如果在上驱动线圈和中 驱动线圈中分别通人正向电流，机构的磁场分别将 如图８所示，此时动铁心将在磁场力作用下从位置 口向位置ｂ运动，从而回到位置ｂ。至此，该机构完 成了一个完整的工作循环。 闵 伟 图８动铁心在。位置且上驱动线圈和 ， 等 中驱动线圈通入正向电流时的磁场分布 ＝ 稳 ３动铁心中间位置受力分析 莱 与现有的双稳态永磁操动机构相比，三稳态永 磁操动机构的主要优势是动铁心具有第三个稳态位 ：置ｂ。下面将分析三稳态永磁操动机构所有线圈都 不通电时，动铁心在该位置附近的受力情况。 趋ｉ 本文研究的三稳态永磁操动机构的参数模型如 图９所示。各个参数的值列在表１中。动铁心与永 用ｊ磁体之间的气隙设为１ ｍｍ。 ；本文采用有限元法计算了永磁操动机构线圈中 无电流时，其静铁心在如图９所示稳态位置附近所 ３８ 受的静态磁场力。不妨设动铁心的位置矢量ｍ 向 阡青『 ＩＩ １ Ｉ Ｖ Ｉ ／＼ ｌ ［ Ｉ ｒ、、／ ＿Ｊ ［ Ｉ／＼ Ｉ ＿ 毒Ｉ Ｉ＞ ／＼ ——ｒ广 ｌ ｌ Ｕ Ｄｍ 图９三稳态永磁操动机构参数模型示意图 表１ 三稳态永磁操动机构参数 参数／单位 值 环形永磁体厚度ｈｍ／ｒａｍ ２０ 环形永磁体外径Ｄ ／ｒａｍ ７０ 环形永磁体线圈内径ｄ ／ｍｍ ５０ 永磁体剩磁Ｂ ／Ｔ １．２３ 永磁体相对磁导率 １．０９ 动铁心槽直径ｄ ／ｍｍ ３２ 动铁心直径ｄ２／ｍｍ ４８ 线圈外径Ｄ ／ｒａｍ １００ 静铁心外径Ｄ／ｍｍ １２Ｏ 动铁心上齿齿厚ｈ ／ｍｍ ８ 动铁心上齿槽宽度ｈ２／ｍｍ １２ 动铁心中齿齿厚／静铁心上齿齿厚ｈ３／ｍｍ １０ 动铁心下齿槽宽度ｈ４／ｒａｍ １２ 上驱动线圈厚度ｈ５／ｒａｍ ３０ 中驱动线圈厚度ｈ６／ｍｍ ２５ 下驱动线圈厚度ｈ７／ｒａｍ ２５ 静铁心总厚度ｈ８／ｍｍ １３Ｏ 动铁心总厚度ｈ９／ｍｍ ９０ 上为正，向下为负；动铁心所受磁场力Ｆ 向上为正， 向下为负。此时，动铁心偏离稳态位置（ｍ ＝０）所 受磁场力的计算结果如图１０所示。由图１０可知， 当动铁心向上偏离稳态位置时会受到向下的磁场 力；当动铁心向下偏离稳态位置时会受到向上的磁 场力；在稳态位置附近，动铁心所受磁场力接近于 零。因此，动铁心受Ｎ￣＇Ｉ－界扰动而稍微偏离该稳态 位置时，动铁心所受的磁场力会驱动其回到该稳态 位置，与上述的定性分析吻合。 ｍ ／ｒａｍ 图１０静铁心在稳态位置附近所受的磁场力 ４典型应用 为了减小三工位开关的体积，在现有两工位真 空灭弧室的基础上，工业界出现了三工位真空灭弧 室 。三稳态永磁操动机构操动这种三工位真 空灭弧室的示意图如图１１所示。由图１１可知，采 用本文给出的三稳态永磁操动机构将极大地简化三 触持电棚 ２０１４年第４２卷第３期 工位开关的结构，提高其可靠性。 圈 圈 圈 图ｌｌ 三稳态永磁操动机构典型应用 ５结 语 为解决现有三工位操动机构结构复杂、可靠性 不高的问题，本文提出了一种三稳态永磁操动机构， 可以用于操动三工位隔离一接地开关、自动转换开 关电器、液压阀等设备。这种三稳态永磁操动机构 具有运动部件少、所用永磁材料少、结构简单的特 点，采用永磁力作为保持力，无需机械脱扣和锁扣装 置，零件总数大大减少。 本文给出了这种三稳态永磁操动机构的基本结 构，结合该机构的磁场分布图分析了其工作原理，采 用有限元法，定量计算了该操动机构的动铁心在中 间稳态位置附近所受的磁场力，证明了当动铁心受 到外界扰动而稍微偏离该稳态位置时，动铁心所受 的磁场力会驱动其回到该稳态位置。最后，本文给 出了这种三稳态永磁操动机构的典型应用。 参考文献 ［１］ 张建民，王焕，许海超，等．一种三工位开关柜及其母线连接结 构：中国，ｃＮ１０２７２３６７２Ａ［Ｐ］．２０１２—１０－１０． ［２］ 黎福根，陈烂明．一种固体绝缘三工位隔离／接地开关：中国， ＣＮ２０２１５３４９５Ｕ［Ｐ］．２０１２—０２—２９． ［３］罗小冬，周旺星．直通型三工位隔离接地开关：中国，ｃＮ一 ２０２１４２４６１Ｕ［Ｐ３．２０１２—０２－０８． ［４］ 蔡志远，陈朝辉，王新伟．自动转换开关电器的发展与应用 ［Ｊ］．低压电器，２０１１，（２２）：１１—１５． ［５］李月军，刘国军，王成多．智能型自动转换开关电器的原理及 应用［Ｊ］．电工电气，２０１１（１０）：３４—３７． ［６］ 马德安，辛重文．一种三工位电动弹簧操动机构：中国，ｃＮ一 １０２６４６５４１ Ｐ］．２０１２—０８－２２． 『７］苑舜编著．高压断路器弹簧操动机构［Ｍ］．北京：机械工业出 版社，２００１． ［８］ 林萃．永磁机构与真空断路器［Ｍ］．北京：机械工业出版社， ２ｏｏ２． ［９］ 沈齐，刘雯，陈亚东．永磁式操动机构真空断路器在企业的应 用及优势［Ｊ］．冶金动力，２０１２，（６）：１—６． ［１０］ 周庆强．户内高压真空断路器的永磁操动机构：中国， ＣＮ２０２４７３７３９Ｕ［Ｐ］．２０１２—１０—０３． ［１１］ 于力，苑舜．双稳态非对称永磁操动机构：中国，ＣＮ一 ２０２４７３６４２Ｕ［Ｐ］．２０１２—１０－０３． ［１２］苏伟扬，康雪涛，刘朝清．双分闸速度永磁操动机构：中国， ＣＮ２０２３７３５１６Ｕ［Ｐ］．２０１２－０８－０８． ［１３］ 乔大明．一种外置分闸簧单稳态永磁操动机构：中国， ＣＮ２０２４２３１１４Ｕ『Ｐ］．２０１２—０９—０５． ［１４］ 吴世宝．真空断路器永磁操动机构优化设计的研究［Ｄ］．沈 阳：沈阳工业大学，２０１２． ［１５］ 吕贺强．永磁机构真空断路器同步关合控制的研究［Ｄ］．北 京：北京交通大学，２０１１． ［１６］ 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