CN104810198B - 高压真空断路器用旋动式永磁驱动机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高压真空断路器用旋动式永磁驱动机构，有效解决永磁操动机构动力传动结构复杂，故障率高，磁铁磁能的有效使用得不到有效利用和浪费铁磁材料的问题，技术方案是，包括与高压真空断路器三相驱动轴相连的主轴，以主轴的中心线为旋转轴线，选择绕轴半径，在以半径外端点的绕轴弧线为中心线建立一个永磁场和一个电磁场，永磁场用来实现高压真空断路器的合闸保持，电磁场与永磁场叠加后用来实现高压真空断路器的分、合闸操作，本发明把直动式单稳态永磁机构铁芯的往复直线运动改为往复绕轴弧线运动，用来解决真空断路器三相共轴往复绕轴扭转分、合闸，需要操动机构主轴直线运动变为绕轴扭动的问题，使用方便，效果好。

Description

高压真空断路器用旋动式永磁驱动机构

技术领域

本发明涉及高压真空断路器配套设备，特别是电力配电系统中高压真空断路器实现分、合闸操作的一种旋动式永磁驱动机构。

背景技术

高压真空断路器驱动装置的工作原理是把电能或弹簧势能转化为动能的过程。目的是通过机械动作来驱使断路器的动触头按照一定的速度与静触头闭合或分离，从而实现高压真空断路器的合闸与分闸操作。

高压真空断路器驱动装置按照驱动模式可以分为弹簧操动机构和电磁操动机构两大类。这两种驱动装置的共同点是开关合闸后的动触头超行程压力保持靠机械锁扣形式实现，这种结构形式的不足之处是相关零部件较多，元件之间衔接精度要求较高，常因为某一元件的因素而影响整台操动机构不能正常工作。

永磁操动机构是近年来高压智能开关设备较多采用的另一种操动机构，它的最大优势是结构简单，利用永磁铁的吸合力来实现断路器的合闸保持，取消了弹簧机构复杂的机械锁扣系统，大大减少了零部件的使用量，降低了单个元件因素引起的故障率。

永磁操动机构按照不同的标准可以划分为不同的类型，主要有单稳态和双稳态、单线圈和双线圈、圆形和方形之分，它们之间没有明显的优劣之分，各自有各自的优势。

以最常用的单稳态和双稳态永磁机构为例说说二者的区别：

所谓双稳态永磁机构，是指断路器在合闸位置和分闸位置均采用永久磁铁的吸合力来保持定位，分、合闸动作是分别通过两个通电励磁线圈产生的电磁力驱动动铁心来完成的一种机构。

所谓单稳态永磁机构，是指断路器在合闸位置采用永久磁铁的吸合力来保持定位，在分闸位置则采用弹簧力来保持定位，合闸动作是通过励磁线圈产生的电磁力来驱动动铁心完成，同时在合闸的过程中对分闸保持弹簧储能，分闸动作是靠释放分闸保持弹簧的势能来完成的一种机构。

永磁操动机构的工作原理是把电能转化为动能的过程，通过对能量转化的管控来实现真空断路器的合闸与分闸功能。下面以单稳态永磁操动机构为例说明其详细的工作原理。当机构励磁线圈通电后产生的磁场与磁铁固有磁场方向一致时，两个磁场叠加后形成磁合力，随着线圈驱动电流的不断增大，磁场产生的驱动力也逐渐变大，当驱动力大于断路器的分闸保持力时，动铁芯向合闸方向运动，同时带动断路器真空灭弧室的动触头与静触头闭合，此时永磁铁与铁芯形成铁磁闭合回路，磁阻非常小，形成的磁场吸合力已足以克服断路器的合闸保持力，控制器自动切断励磁线圈电源，无须线圈电流的磁场而完成合闸的锁扣过程，最终完成断路器的合闸功能；当向励磁线圈产生的磁场与永磁铁固有磁场产方向相反时，两个磁场力量相持，永磁铁与铁芯形成铁磁闭合回路被打破，断路器失去合闸保持力，动铁芯在分闸弹簧力的作用下迅速返回并定位在分闸位置，最终完成断路器的分闸功能。

以上结构型式的永磁操动机构在工作过程中的运动轨迹都是往复直线运动形式。在实际应用中，大部分真空断路器的分、合闸过程是依靠驱动轴的往复旋转来实现，这时直线运动形式的永磁操动机构(简称直动式永磁机构)与之配合应用中会存在直线运动变弧线运动的问题，此过程需要增多机械联动元件来实现，既占用永磁机构的安装空间又浪费材料，重要的是增大了元件因素引起的断路器故障率。另外，以上直动式永磁机构的磁铁与铁芯形成闭合磁回路中都含有励磁线圈，这样的结构使闭合磁回路途径较长，磁回路磁阻也相应较大，较大的磁路磁阻不仅影响永磁铁磁能的有效使用，而且使用的铁磁材料也较多。因此，其改进和创新势在必行。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种高压真空断路器用旋动式永磁驱动机构，有效解决永磁操动机构动力传动结构复杂，故障率高，磁铁磁能的有效使用得不到有效利用和浪费铁磁材料的问题。

本发明解决的技术方案是，包括与高压真空断路器三相驱动轴相连的主轴，以主轴的中心线为旋转轴线，选择绕轴半径，在以半径外端点的绕轴弧线为中心线建立一个永磁场和一个电磁场，永磁场用来实现高压真空断路器的合闸保持，电磁场与永磁场叠加后用来实现高压真空断路器的分、合闸操作。

该旋动式永磁驱动机构包括对称相间设置的两块侧板，两侧板的内侧装有对称设置的静磁轭，静磁轭内侧经第一轴承装有永磁铁，两侧的永磁铁同极正对设置，两永磁铁之间构成相斥的磁场空间，磁场空间内设置有励磁线圈，励磁线圈由固定装在两侧板之间的保持架承载并固定，保持架为两端开口的弧形管状结构，励磁线圈绕装在保持架的外周上，励磁线圈下方在两侧板之间经第二轴承装有水平的主轴，主轴上经拐臂装有动铁芯，动铁芯是由装在拐臂上的动磁轭和装在动磁轭上的磁铁叠加板构成的一体结构，磁铁叠加板置于励磁线圈内，励磁线圈通电后可以与磁场空间形成叠加或相斥磁场，用来控制动磁轭按规定动作旋转，即将电能被转化为机械动能，动铁芯绕主轴的旋转弧线转动，并通过拐臂把动能传动给主轴，使主轴产生扭力和转速，从而实现高压真空断路器的合闸与分闸功能。

本发明结构新颖独特，简单合理，把直动式单稳态永磁机构铁芯的往复直线运动改为往复绕轴弧线运动，用来解决真空断路器三相共轴往复绕轴扭转分、合闸，需要操动机构主轴直线运动变为绕轴扭动的问题，同时把机构中的驱动用的励磁线圈从永磁铁与动铁芯闭合磁回路当中分离出去，使铁磁闭合回路降为最短，用来解决因铁磁闭合回路过长，造成磁能利用效率偏低及铁磁材料用量偏大的问题，使用方便，效果好，有良好的社会和经济效益。

附图说明

图1为本发明的剖面主视图。

图2为本发明的剖面侧视图。

图3为本发明动铁芯的俯视图。

图4为本发明保持架的安装示意图。

图5为本发明的分闸时的使用状态剖视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

由图1-5给出，本发明包括与高压真空断路器三相驱动轴相连的主轴，以主轴11的中心线为旋转轴线，选择绕轴半径，在以半径外端点的绕轴弧线为中心线建立一个永磁场和一个电磁场，永磁场用来实现高压真空断路器的合闸保持，电磁场与永磁场叠加后用来实现高压真空断路器的分、合闸操作。

为保证使用效果，该旋动式永磁驱动机构包括对称相间设置的两块侧板1，由非磁性材料不锈钢板制成，主要起承载零部件和阻隔磁路的作用，两侧板的内侧装有对称设置的静磁轭2，静磁轭2内侧经第一轴承3装有永磁铁4，两侧的永磁铁同极正对设置，两永磁铁之间构成相斥的磁场空间，静磁轭由采用软磁纯铁制成，起承载永磁铁及导磁介质的作用；永磁铁由钕铁硼材料制成，形状为圆环台柱体，是磁势能的来源；第一轴承为不锈钢万向球轴承，通过永磁铁中间的圆孔安装在静磁轭上面，起定位永磁铁和调节动磁轭磁间隙的作用；左右两侧板与静磁轭、永磁铁及轴承组装完成后，由支承轴6定位并形成相斥的磁场空间，磁场空间内设置有励磁线圈5，励磁线圈5由固定装在两侧板之间的保持架7承载并固定，保持架7为两端开口的弧形管状结构，励磁线圈绕装在保持架的外周上，励磁线圈下方在两侧板之间经第二轴承12装有水平的主轴11，主轴11上经拐臂10装有动铁芯，动铁芯是由装在拐臂上的动磁轭9和装在动磁轭上的磁铁叠加板8构成的一体结构，磁铁叠加板8置于励磁线圈内，励磁线圈通电后可以与磁场空间形成叠加或相斥磁场，用来控制动磁轭按规定动作旋转，即将电能被转化为机械动能，动铁芯绕主轴的旋转弧线转动，并通过拐臂把动能传动给主轴，使主轴产生扭力和转速，拐臂与主轴11通过花键连接，主轴可以与真空断路器三相驱动轴一体设计，由第二轴承12和挡卡定位在侧板上面，拐臂驱使主轴一起往复转动，通过主轴把动力同步输出给断路器三相真空灭弧室的动触头，从而实现高压真空断路器的合闸与分闸功能；

所述的拐臂10是由对称装在动磁轭9两侧的两连接板101构成的，连接板的前端伸出动磁轭的前部，磁铁叠加板8设置在伸出部分的两侧板之间，伸出部分的连接板和磁铁叠加板呈与保持架内腔相对应的弧形，构成沿保持架内腔的旋转结构；

所述的磁铁叠加板8是由多片软磁铁板叠加在一起构成多层一体结构，较薄的软磁铁板叠加可防止励磁涡流产生。

申请人要指出的是，本申请上述指出的仅仅是几种实施例，并不是用于限制本申请的保护范围，凡是用等同或等同替代手段所做出与本申请技术方案本质上相同的技术方案均属于本申请的保护范围。

本发明的使用情况是，当动磁轭与静磁轭处于分离状态时，通过给励磁线圈施加正向电流，励磁线圈将产生一个与永磁体磁场方向一致的磁场，两个磁场叠加后共同作用于线圈内部的动铁芯，磁铁叠加板与动磁轭一起向磁感应较强的线圈内部绕主轴转动，动铁芯通过拐臂把磁动力传递给主轴，此时，主轴把动力同步输出给断路器三相真空灭弧室的动触头，当动磁轭与静磁轭结合时，动、静磁轭与永磁铁三者形成闭合的磁回路，永磁铁的强大吸合力通过闭合磁回路使动磁轭固定在静磁轭的一端，切断励磁线圈电源，无须线圈电流的磁场而完成断路器合闸的锁扣过程，最终完成断路器的合闸功能；当向励磁线圈产生的磁场与永磁铁固有磁场产方向相反时，两个磁场力量相持，永磁铁与动铁芯形成铁磁闭合回路被打破，断路器失去合闸保持力，动铁芯在分闸弹簧力的作用下迅速返回并定位在分闸位置，最终完成断路器的分闸功能。

由上述情况可以清楚的看出，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、把直动式单稳态永磁机构铁芯的往复直线运动改为往复绕轴弧线运动，解决了真空断路器三相共轴往复绕轴扭转分、合闸，需要操动机构主轴直线运动变为绕轴扭动的问题；

2、把驱动励磁线圈从磁铁与铁芯闭合磁回路当中分离出去，使铁磁闭合回路降为最短，用来解决因铁磁闭合回路过长，造成磁能利用效率偏低及铁磁材料用量偏大的问题。

本发明与直动式永磁机构的磁回路相比较，其最大的技术优势是铁磁回路的最短化设计，由此带来的有益效果是节能省材。

根据磁路的欧姆定律：若某磁路的磁通为Φ，磁通势为F，磁阻为Rm，则:

$\mathrm{\Φ}=\frac{F}{R_m}=\frac{\mathrm{NI}}{\frac{1}{\mathrm{\μS}}}$

其中，F＝NI为磁通势，由其产生磁通，N为励磁线圈的匝数，I为电流；Rm为磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用；l为磁路的平均长度；μ为磁材料的磁导率；S为磁路的截面积。

从上式可知，在磁路磁通不变的情况下，当永磁机构的磁回路较长时，需要加大磁路的截面积来降低磁阻，同时，还需要增大磁通势能来实现。当磁路平均长度变短后，可使磁路的截面积等比例减小，由此带来的有益效果是减少铁磁材料的用量；磁路平均长度变短后，有效降低了磁回路的磁阻，磁通也不在需要很强的磁通势来实现，由此带来的有益效果节能。

本发明旋动式永磁驱动机构与直动式永磁机构在相同场景的应用中，可以使受力拐臂达到最长化设计，因为本发明的驱动主轴设计在机构的边缘处，而直动式永磁机构的驱动主轴在机构的中心位置，两者相比较旋动式永磁机构的驱动拐臂可以增长30％以上，

根据：力对转动轴的力矩等于力和力臂的乘积，即：M＝F×L

当力矩M不变时，力臂L增长30％,可以省力30％,也就是说，在同一使用场景中，本发明旋动式永磁驱动机构用70％的作用力就能达到直动式永磁机构100％的力值效果，因此本发明具有节省能源及原材料的有益效果。

Claims (3)

1.一种高压真空断路器用旋动式永磁驱动机构，包括与高压真空断路器三相驱动轴相连的主轴，其特征在于，以主轴(11)的中心线为旋转轴线，选择绕轴半径，在以半径外端点的绕轴弧线为中心线建立一个永磁场和一个电磁场，永磁场用来实现高压真空断路器的合闸保持，电磁场与永磁场叠加后用来实现高压真空断路器的分、合闸操作，该旋动式永磁驱动机构包括对称相间设置的两块侧板(1)，两侧板的内侧装有对称设置的静磁轭(2)，静磁轭(2)内侧经第一轴承(3)装有永磁铁(4)，两侧的永磁铁同极正对设置，两永磁铁之间构成相斥的磁场空间，磁场空间内设置有励磁线圈(5)，励磁线圈(5)由固定装在两侧板之间的保持架(7)承载并固定，保持架(7)为两端开口的弧形管状结构，励磁线圈绕装在保持架的外周上，励磁线圈下方在两侧板之间经第二轴承(12)装有水平的主轴(11)，主轴(11)上经拐臂(10)装有动铁芯，动铁芯是由装在拐臂上的动磁轭(9)和装在动磁轭上的磁铁叠加板(8)构成的一体结构，磁铁叠加板(8)置于励磁线圈内，励磁线圈通电后可以形成与磁场空间的磁场方向相一致或相反的磁场，用来控制动磁轭按规定动作旋转，即将电能转化为机械动能，动铁芯绕主轴的旋转弧线转动，并通过拐臂把动能传动给主轴，使主轴产生扭力和转速，从而实现高压真空断路器的合闸与分闸功能。

2.根据权利要求1所述的高压真空断路器用旋动式永磁驱动机构，其特征在于，所述的拐臂(10)是由对称装在动磁轭(9)两侧的两连接板(101)构成的，连接板的前端伸出动磁轭的前部，磁铁叠加板(8)设置在伸出部分的两侧板之间，伸出部分的连接板和磁铁叠加板呈与保持架内腔相对应的弧形，构成沿保持架内腔的旋转结构。

3.根据权利要求1或2所述的高压真空断路器用旋动式永磁驱动机构，其特征在于，所述的磁铁叠加板(8)是由多片软磁铁板叠加在一起构成多层一体结构。