CN102157309A - 高压断路器长行程直线永磁电机操作机构 - Google Patents

Abstract

一种高压断路器长行程直线永磁电机操作机构，其特征在于，该操作机构包括定子铁心、动子铁心、驱动杆，永磁体，所述定子铁心为箱体，所述动子铁心置于定子铁心中，设置于动子铁心两端的驱动杆穿过定子铁心上下两端壳体并可上下运动，定子铁心内侧壁上设置有定子凸极，所述定子凸极内设置有永磁体，上下两相邻永磁体的极性相对，箱体左右两边的永磁体极性布置方向相同；所述定子凸极上设置有电枢线圈，定子凸极顶部设置有极靴；动子铁心外侧壁设有动子凸极，当动子铁心处于最高位时，定子铁心最上端的定子凸极的下半段与动子凸极正对，当动子铁心处于最低位时，定子铁心最下端的定子凸极的上半段与动子凸极正对。

Description

高压断路器长行程直线永磁电机操作机构

技术领域

本发明属于电器工程中开关设备技术领域，具体涉及一种高压断路器长行程直线永磁电机操作机构。

背景技术

传统的高压断路器配置的操作机构主要有液压机构、气动机构、弹簧机构和电磁机构。液压操作机构具有能量强度大、反应速度快、噪音低、动作可靠等一系列优势，气动操动机构利用压缩空气作为能源产生推力，不需要大功率的直流电源，也不需要敷设控制电缆。气动、液压系统能满足长行程、大功率的操作需求，主要用于电压等级较高的高压断路器中，但是系统复杂，可靠性不够高，液压操作机构加工工艺要求高，如果制造或装配不良易发生渗漏油，它的速度特性易受环境温度的影响，压缩空气的质量对气动操动机构工作的可靠性有着重要的影响，一旦空气受潮会使活塞与汽缸表面锈蚀。弹簧操动机构是依靠弹簧储存的能量释放使断路器合闸的，它的动作时间不受天气变化和电压变化的影响，保证了合闸性能的可靠性，工作稳定且合闸速度较快，但是输出力特性与断路器负载特性配合较差，零部件多，制造工艺复杂，容易引起机械故障。电磁操作机构结构简单，响应速度快，但存在驱动功率较大，接触力较小且合闸时容易引起触头跳动等问题。弹簧和电磁操作机构也无法满足大功率、长行程的高压断路器操作需求，目前主要用于中低压断路器中。

近年来研制的永磁操作机构，是由电子控制的电磁线圈提供合闸或分闸所需的能量完成操作，并利用性能优异的永磁体磁力使开关保持在合闸或分闸位置。由于结构简单、零部件数量少、可靠性高、操作寿命长、动作分散性小、出力特性与真空灭弧室的负载特性相匹配等，近年来永磁机构真空断路器技术得到了飞速的发展，现已被广泛地应用于12kV、24kV和40.5kV电压等级的真空断路器上。虽然永磁操动机构已在中低电压等级的真空断路器中得到了推广，但国内外生产的72.5kV及以上的高压真空断路器均配用传统操作机构，高电压等级的永磁操作机构一直都在发展之中，但国内外尚未见到有关应用报导。高压真空灭弧室触头开距大，动触头运动行程长，需要较高的分闸和合闸速度。对永磁操作机构而言，如果衔铁的运动行程过长，则需要较大的操作功，这需要更大容量的储能电容器和更大功率的电力电子器件。从结构上看，永磁操作机构的分闸和合闸线圈分别被安放在分闸和合闸工作气隙附近。分闸过程中，动铁心最初位于合闸位置，分闸侧气隙磁阻大，分闸线圈的不能有效地发挥作用。当动铁心运动到分闸位置时，分闸线圈的作用效果最强，动铁心闭合时的碰撞冲击大。合闸过程亦如此。运动行程越长，这种励磁方式所带来的触动电流增大、触动时间增长及动铁心闭合时的碰撞冲击大等弊端愈加突出。

目前，随着建设坚强的、高度灵活的智能电网上升为国家战略，提高真空断路器的可靠性、可控性的需求变得更加迫切。因此，革新真空断路器的操动机构，进一步提高永磁操作机构的性能，推广永磁操作机构在智能化真空断路器中的应用，是开关行业的一个重要目标。

发明内容

技术问题：本发明针对传统电磁、弹簧和永磁机构行程较短，难以满足高压断路器的长行程分合闸操作要求，可靠的分合闸操作难以保证的问题，提供一种长行程的直线永磁电机操作机构，在输出一定的电磁操动力的条件下，满足长行程高压断路器的分合闸操作要求。

技术方案：本发明的高压断路器长行程直线永磁电机操作机构，包括定子铁心、动子铁心、驱动杆，永磁体，所述定子铁心为箱体，所述动子铁心置于定子铁心中，设置于动子铁心两端的驱动杆穿过定子铁心两端壳体并可上下运动，定子铁心内侧壁上设置有定子凸极，所述定子凸极内设置有永磁体，上下两相邻永磁体的极性相对，箱体左右两边的永磁体极性布置方向相同；所述定子凸极上设置有电枢线圈，定子凸极顶部设置有极靴；动子铁心外侧壁设有动子凸极，当动子铁心处于最高位时，定子铁心最上端的定子凸极的下半段与动子凸极正对，当动子铁心处于最低位时，定子铁心最下端的定子凸极的上半段与动子凸极正对。

本发明通过电枢线圈产生的电磁力来实现动子铁心的运动，当动子铁心处于最高位或最低位时，通过永磁体产生的定位力矩实现动子铁心的定位和限位。

本发明的电枢线圈为集中式电枢线圈。所述的电枢线圈串联组成多相电枢绕组，具体为左右两正对的电枢线圈串联为一组，当相位数为三时，每一组串联的电枢线圈与相隔两个定子凸极的另一组线圈串联，当相位数为四时，每一组串联的电枢线圈与相隔三个定子凸极的另一组线圈串联。

所述的电枢线圈可以与逆变器电连接，通过逆变器调节线圈电流，从而控制分合闸速度。

所述的定子铁心、动子铁心采用导磁材料制成，驱动杆采用非导磁材料制成。

有益效果：本发明将永磁体和电枢线圈同时放置于定子铁心的永磁直线电机操作机构，与传统的做法（电枢线圈置于定子铁心永磁体置于动子铁心，或者永磁体置于定子铁心电枢线圈置于动子铁心）相比，动子铁心结构简单、坚固，动子上无永磁体、无绕组、无滑环，动子转矩惯量比大、反应快，利于实现真空断路器的快速分闸和灭弧。

本发明的动子铁心上无永磁体，降低了永磁体因运动冲击导致不可逆退磁的风险，提高了操作机构的可靠性和工作寿命。

本发明的永磁体位于定子凸极中间，定子槽中安放集中式的电枢线圈，多个电枢线圈经串联或者并联后组成多相电枢绕组，从而获得较为平稳的输出力矩。

本发明的定子凸极放入永磁体后具有较强的聚磁效应，增加了电机工作气隙的磁场密度，从而有效地提高了电机操作机构的转矩密度。

本发明采用集中式的电枢线圈减少了端部长度，有利于降低电枢电阻，提高电机操作机构的效率。

本发明的电枢线圈可以与逆变器电连接，可根据高压断路器的反力特性，通过逆变器调节线圈电流，有针对性地控制分合闸速度特性，包括分合闸终了阶段减速控制、快速初分控制等，从而提高高压断路器的可控性。

本发明的永磁直线电机操作机构行程大，能够最大程度上满足高压真空断路器的操作特性要求，达到合闸弹跳最小化，提高操作机构整体机械特性性能。

附图说明

图1为本发明的平面结构示意图。图2为本发明的立体结构图，图3为本发明的合闸位置示意图；图4为本发明的分闸位置示意图。

图中有：定子铁心1、永磁体2、电枢线圈3、动子铁心4、极靴5、定子凸极6、动子凸极7、定子槽8、驱动杆9。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

由图1可见，一种高压断路器长行程直线永磁电机操作机构，包括定子铁心1、动子铁心4、驱动杆5，永磁体2，所述定子铁心1为箱体，所述动子铁心4置于定子铁心1中，设置于动子铁心4两端的驱动杆5穿过定子铁心1两端壳体并可上下运动，定子铁心1内侧壁上设置有定子凸极6，所述定子凸极内设置永磁体2，上下两相邻永磁体的极性相对，即上下相邻永磁体相对的面的极性相同，如图1中所示，上下相邻的永磁体的N极对N极，S极对S极，左右两边的永磁体极性布置方向相同。本发明中永磁体的极性可以是图1所示的排列顺序，即最上端的一块永磁体N极向上，也可以是与图1相反的排列顺序，即S极向上，只要满足上下两相邻永磁体的极性相对即可。所述定子凸极顶部设置有极靴9，定子凸极上设置有电枢线圈3。如图所示，12个定子凸极上共安放有12个集中式的电枢线圈，每相4个线圈经串联后组成三相电枢绕组，具体为：左右两正对的电枢线圈串联为一组，当相位数为三时，每一组串联的电枢线圈与相隔两个定子凸极的另一组线圈串联。动子铁心4外侧壁设有动子凸极7，当本发明处于合闸位置时，动子铁心位于定子铁心内空间的最上端，最上端的定子凸极的下半段与动子凸极完全正对，此时永磁体产生的静态保持力最大，使得动子铁心保持在合闸位置；当本发明处于分闸位置时，动子铁心位于定子铁心内空间的最下端，最下端的定子凸极的上半段与动子凸极完全正对，此时永磁体产生的静态保持力最大，使得动子铁心保持在分闸位置。

Claims (3)

1.一种高压断路器长行程直线永磁电机操作机构，其特征在于，该操作机构包括定子铁心（1）、动子铁心（4）、驱动杆（5）、永磁体（2），所述定子铁心（1）为箱体，所述动子铁心（4）置于定子铁心（1）的中，设置于动子铁心（4）两端的驱动杆（5）穿过定子铁心（1）上下两端壳体并可上下运动，定子铁心（1）内侧壁上设置有定子凸极（6），所述定子凸极内设置有永磁体（2），上下两相邻永磁体的极性相对，箱体左右两边的永磁体极性布置方向相同；所述定子凸极上设置有电枢线圈（3），定子凸极顶部设置有极靴（9）；动子铁心（4）外侧壁设有动子凸极（7），当动子铁心处于最高位时，定子铁心（1）最上端的定子凸极的下半段与动子凸极正对，当动子铁心处于最低位时，定子铁心（1）最下端的定子凸极的上半段与动子凸极正对。

2.根据权利要求1所述的高压断路器的直线永磁电机操作机构，其特征在于，所述的电枢线圈为集中式电枢线圈，所述的电枢线圈串联组成多相电枢绕组。

3.根据权利要求2所述的高压断路器的直线永磁电机操作机构，其特征在于，所述的定子铁心（1）、动子铁心（4）采用导磁材料制成，驱动杆（5）采用非导磁材料制成。

Images