CN108447726B - 一种基于非对称复合式斥力盘的电磁斥力机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于非对称复合式斥力盘的电磁斥力机构，属于快速开关领域，由灭弧室、电磁斥力单元与放电单元组成。电磁斥力单元包括传动杆以及安装在传动杆上的非对称复合式斥力盘、分合闸线圈、线圈挡板，放电单元包括脉冲电容、晶闸管、续流二极管，其中非对称复合式斥力盘包括分闸斥力盘、合闸斥力盘，前者采用高电导率且非磁性金属材料，后者采用高强度且非磁性金属材料，两者同轴固定，并与传动杆固定连接，分别产生电磁斥力机构进行分合闸时的电磁斥力。本发明提供的电磁斥力机构兼顾斥力盘高电导率、高机械强度、轻质量的需求，有效提高了电磁斥力机构的驱动效率。
Description
技术领域
本发明应用于快速开关领域，更具体地，涉及一种基于非对称复合式斥力盘的电磁斥力机构。
背景技术
研制可以快速切断故障电流的断路器，是促进高压直流电网技术发展和应用的关键。根据拓扑原理的不同，直流断路器可分为机械式直流断路器、固态式直流断路器和混合式直流断路器三种。固态式直流断路器需要串并联大量的电力电子器件，带来很高的通流损耗，目前适用于高压直流电网的方案主要为机械式和混合式。
机械开关是两者中的关键部件，承担着稳态通流的任务。当发生短路故障时，机械开关迅速动作，短路电流强制过零后熄灭或由固态开关进行无弧切断。为缩短机械开关的固有分闸时间，提高触头间的刚分速度，研制具有快速响应和动作能力的新型操动机构是当前的研究热点。
传统操作机构由于动作环节多、累计运动公差大使其响应时间分散性大、分合闸时间较长，并且容易受各自特性影响而发生故障，不适用于上述场合。目前，在快速开关领域受到广泛关注的是基于感应涡流原理的电磁斥力机构。相对于传统操动机构，它具有响应时间短、刚分速度快、结构简单等优点，但同时存在效率低下的缺点。
早期的电磁斥力机构中的斥力盘采用单一材料，无法兼顾高电导率、高强度、轻质量的要求，致使斥力机构的驱动效率不高。因此，需要发明一种兼顾上述要求的电磁斥力机构。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的是提供一种基于非对称复合式斥力盘的电磁斥力机构，能够兼顾斥力盘高电导率、高机械强度、轻质量的需求，提高斥力机构的驱动效率。
本发明提供了一种基于非对称复合式斥力盘的电磁斥力机构，包括灭弧室、电磁斥力单元和放电单元；在所述灭弧室中设置有静触头和动触头；所述静触头与动触头相对设置，且静触头与灭弧室固定连接；所述电磁斥力单元包括：分闸线圈挡板、非对称复合式斥力盘、合闸线圈挡板、分闸线圈、合闸线圈和传动杆；所述非对称复合式斥力盘与所述传动杆固定连接，所述分闸线圈挡板设置在非对称复合式斥力盘的合闸侧，且所述传动杆穿过所述分闸线圈挡板的通孔与所述动触头固定连接；所述合闸线圈挡板设置在非对称复合式斥力盘分闸侧，且所述传动杆穿过所述合闸线圈挡板的通孔；分闸线圈固定在所述分闸线圈挡板的分闸侧，合闸线圈固定在所述合闸线圈挡板的合闸侧；且所述分闸线圈与合闸线圈均通过引出铜排与所述放电单元连接，所述放电单元用于为所述分闸线圈和所述合闸线圈提供电流；所述非对称复合式斥力盘在所述分闸线圈或所述合闸线圈的驱动下带动所述传动杆运动，由传动杆带动动触头进行分闸或合闸操作。
在本发明中，合闸侧是指使传动杆朝着合闸方向运动的一侧；分闸侧是指使传动杆朝着分闸方向运动的一侧。
更进一步地，所述非对称复合式斥力盘包括：分闸斥力盘和合闸斥力盘；分闸斥力盘为圆环形结构，合闸斥力盘为中心设置有圆台的圆环形结构；所述分闸斥力盘与合闸斥力盘同轴固定，且所述分闸斥力盘的表面与合闸斥力盘的表面处于同一平面；所述分闸斥力盘用于产生电磁斥力机构进行分闸时的电磁斥力；所述合闸斥力盘用于产生电磁斥力机构进行合闸时的电磁斥力；所述圆台用于改善电磁斥力产生的斥力盘应力集中现象。由于分闸斥力盘与分闸线圈的初始间隙越小，两者产生的电磁斥力越大，电磁斥力机构驱动效率越高，为保证初始间隙最小，故使所述分闸斥力盘的表面与合闸斥力盘的表面处于同一平面。
更进一步地，所述分闸斥力盘与合闸斥力盘采用沉头铆钉、沉头螺钉或焊接连接；沉头铆钉结构简单，但不可拆卸，沉头螺钉便于调节，但强度不高，焊接连接强度较高，但加工难度和成本最高。
更进一步地，在所述合闸斥力盘中心设置有用于与传动杆外螺纹配合的内螺纹的通孔。
更进一步地，所述分闸斥力盘的材料为高电导率(电导率σ≥66％IACS)且非磁性金属材料，感应涡流的欧姆损耗随之减小，使磁场能量更多的转化为斥力盘的动能，提高电磁斥力机构的驱动效率。所述合闸斥力盘的材料为高强度(屈服强度Re≥300MPa)且非磁性金属材料，以减小非对称复合式斥力盘的变形与震动，提高动作可靠性，延长斥力机构的机械寿命。
更进一步地，所述分闸斥力盘的材料为铜或银；所述合闸斥力盘的材料为超硬铝合金。
更进一步地，所述分闸斥力盘的外径与分闸线圈的外径相同；所述合闸斥力盘外径与合闸线圈的外径相同；所述分闸斥力盘的内径与分闸线圈的内径相同。由于斥力盘与线圈尺寸一致时两者之间产生的电磁斥力最大，此时电磁斥力机构驱动效率取得相对最优值，故使分闸斥力盘外径与分闸线圈的外径大小一致，合闸斥力盘外径与合闸线圈的外径大小一致，分闸斥力盘的内径与分闸线圈的内径大小一致。
更进一步地，在电磁斥力机构分闸动作时，由于趋肤效应，感应涡流分布在斥力盘表面趋肤深度的1～3倍处，分闸斥力盘的厚度为斥力机构动作时产生的感应涡流趋肤深度的1～3倍。
更进一步地，放电单元用于产生分闸线圈、合闸线圈中的脉冲电流，包括：脉冲电容、晶闸管以及并联在分闸线圈、合闸线圈两端的续流二极管；脉冲电容用于储存电磁斥力机构动作时的能量，晶闸管用于脉冲电容充放电的控制，续流二极管用于防止反向电流对脉冲电容器的反向充电，以保护脉冲电容器。
本发明通过两种材料的复合，使电磁斥力机构兼顾高电导率、高强度与轻质量的需求。利用高电导率材料，如铜，作为电磁斥力机构分闸时的主要出力单元。利用高强度材料，如超硬铝合金，作为电磁斥力机构合闸时的主要出力单元，同时作为分闸时的支撑单元。与传统的单一材质斥力盘相比，例如，非对称复合式斥力盘与铜材质斥力盘同样尺寸时，其质量更小，强度更高，故在近似相同大小电磁斥力作用下，获得更高的加速度，同时其振动变形更小，从而提高电磁斥力机构分闸速度，减小刚分时间，有效避免采用单一材料时斥力盘的巨大变形，增加其机械强度，提高动作可靠性；非对称复合式斥力盘与铝材质斥力盘同样尺寸时，其涡流区域的电导率更高，感应涡流更大，从而获得更大的电磁斥力，提高电磁斥力机构的驱动效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于非对称复合式斥力盘的电磁斥力机构示意图。
图2为本发明实施例提供的非对称复合式斥力盘结构示意图。
各附图标记为：1—灭弧室，2—电磁斥力单元，3—放电单元，11—静触头，12—动触头，21—分闸线圈挡板，22—非对称复合式斥力盘，23—合闸线圈挡板，24—分闸线圈，25—合闸线圈，26—传动杆，221—分闸斥力盘，222—合闸斥力盘，223—圆台，S1—分闸续流二极管，S2—合闸续流二极管，VD1—分闸晶闸管，VD2—合闸晶闸管，C1—分闸脉冲电容器，C2—合闸脉冲电容器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了本发明实施例提供的基于非对称复合式斥力盘的电磁斥力机构示意图，图2示出了本发明实施例提供的非对称复合式斥力盘结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
本发明提供的一种基于非对称复合式斥力盘的电磁斥力机构包括：灭弧室1、电磁斥力单元2和放电单元3；在所述灭弧室1中设置有静触头11和动触头12；所述静触头11与动触头12相对设置，且静触头11与灭弧室1固定连接；所述电磁斥力单元2包括：分闸线圈挡板21、非对称复合式斥力盘22、合闸线圈挡板23、分闸线圈24、合闸线圈25和传动杆26；所述非对称复合式斥力盘22与所述传动杆26固定连接，所述分闸线圈挡板21设置在非对称复合式斥力盘22的合闸侧(图2中所示非对称复合式斥力盘的上方)，且所述传动杆26穿过所述分闸线圈挡板21的通孔与所述动触头12固定连接；所述合闸线圈挡板23设置在非对称复合式斥力盘22分闸侧(图1中所示非对称复合式斥力盘的下方)，且所述传动杆26穿过所述合闸线圈挡板23的通孔；分闸线圈24固定在所述分闸线圈挡板21的分闸侧，合闸线圈25固定在所述合闸线圈挡板23的合闸侧；且所述分闸线圈24与合闸线圈25均通过引出铜排与所述放电单元3连接，所述放电单元3用于为所述分闸线圈24和所述合闸线圈25提供电流；所述非对称复合式斥力盘22在所述分闸线圈24或所述合闸线圈25的驱动下带动所述传动杆26运动，由传动杆26带动动触头12进行分闸或合闸操作。
在本发明提出的基于非对称复合式斥力盘的电磁斥力机构中，非对称复合式斥力盘22包括：分闸斥力盘221和合闸斥力盘222；分闸斥力盘221为圆环形结构，合闸斥力盘222为中心设置有圆台223的圆环形结构；分闸斥力盘221与合闸斥力盘222同轴固定，且分闸斥力盘221的表面与合闸斥力盘222的表面处于同一平面；分闸斥力盘221用于产生电磁斥力机构进行分闸时的电磁斥力；合闸斥力盘222用于产生电磁斥力机构进行合闸时的电磁斥力；圆台223用于改善电磁斥力产生的斥力盘22应力集中现象。分闸斥力盘221与合闸斥力盘222固定连接，共同承担高速分闸任务与合闸任务。
通过上述结构的优化，相比单一材料的斥力盘，不仅减小了斥力盘的质量，同时在保证其具备一定机械强度的前提下，有效提高了电磁斥力机构的驱动效率：与早期单一材料相比，利用有限元仿真结果可知，同等尺寸下驱动效率将提高4％左右。
在电磁斥力机构进行分闸操作时，放电单元3中的分闸晶闸管VD1触发导通，预先充至一定电压的分闸脉冲电容C1向分闸线圈24放电，放电电流在空间中产生快速变化的磁场。由于电磁感应原理，磁场的轴向分量在非对称复合式斥力盘22中产生感应电动势，磁场的径向分量与非对称复合式斥力盘22中的感应涡流相作用产生电磁斥力。由于趋肤效应，感应涡流集中在非对称复合式斥力盘的分闸侧，在本发明的分闸斥力盘221中，由于铜的电导率高，感应涡流的欧姆损耗减小，从而使磁场能量更多的转化为非对称复合式斥力盘的动能，提高了电磁斥力机构的驱动效率。同时，分闸斥力盘222推动合闸斥力盘221，从而带动传动杆26及动触头12进行分闸方向的运动，由于合闸斥力盘222采用高强度材料，可选地，如超硬铝合金，有效减小了分闸斥力盘221的变形与震动，提高了动作时的可靠性，延长了斥力机构的寿命。
在电磁斥力机构进行合闸动作时，放电单元3中的合闸晶闸管VD2导通，预先充至一定电压的合闸脉冲电容C2向合闸线圈25放电，放电电流在空间中产生快速变化的磁场。由于电磁感应原理，磁场的轴向分量在非对称复合式斥力盘22中产生感应电动势，磁场的径向分量与斥力盘中的感应涡流相作用产生电磁斥力。由于趋肤效应，感应涡流集中在斥力盘的合闸侧，在本发明中，即合闸斥力盘222中。由于合闸时不需要极高的速度，故可选择高强度材料，可选地，如超硬铝合金，作为合闸斥力盘的材料，从而满足合闸要求。
其中，分闸线圈24与合闸线圈25均可以采用高驱动效率线圈结构。定义两个线圈外形比例参数来描述线圈尺寸：α为线圈高度与线圈平均直径的比例系数，β为线圈径向厚度与线圈平均直径的比例系数。经过仿真与理论研究可知，α越小，β越大，电磁斥力机构的驱动效率越高。本发明实例中，选取在满足加工条件下α系数尽可能小，β系数尽可能大的线圈规格，同时使分闸斥力盘221的内外径与分闸线圈24的内外径大小一致，使合闸斥力盘222的外径与合闸线圈25的外径大小一致。
在电磁斥力机构进行分合闸动作时，非对称复合式斥力盘22与分闸线圈24、合闸线圈25间产生的巨大电磁斥力是影响电磁斥力机构机械寿命的不利因素。圆台223减小了应力集中现象，使非对称复合式斥力盘22中的应力分布更加均匀，从而提高了非对称复合式斥力盘22的机械强度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于非对称复合式斥力盘的电磁斥力机构，其特征在于，包括灭弧室(1)、电磁斥力单元(2)和放电单元(3)；
在所述灭弧室(1)中设置有静触头(11)和动触头(12)；所述静触头(11)与动触头(12)相对设置，且静触头(11)与灭弧室(1)固定连接；
所述电磁斥力单元(2)包括：分闸线圈挡板(21)、非对称复合式斥力盘(22)、合闸线圈挡板(23)、分闸线圈(24)、合闸线圈(25)和传动杆(26)；
所述非对称复合式斥力盘(22)与所述传动杆(26)固定连接，所述分闸线圈挡板(21)设置在非对称复合式斥力盘(22)的合闸侧，且所述传动杆(26)穿过所述分闸线圈挡板(21)的通孔与所述动触头(12)固定连接；
所述合闸线圈挡板(23)设置在非对称复合式斥力盘(22)分闸侧，且所述传动杆(26)穿过所述合闸线圈挡板(23)的通孔；
所述分闸线圈(24)固定在所述分闸线圈挡板(21)的分闸侧，合闸线圈(25)固定在所述合闸线圈挡板(23)的合闸侧；且所述分闸线圈(24)与合闸线圈(25)均通过引出铜排与所述放电单元(3)连接，所述放电单元(3)用于为所述分闸线圈(24)和所述合闸线圈(25)提供电流；
所述非对称复合式斥力盘(22)在所述分闸线圈(24)或所述合闸线圈(25)的驱动下带动所述传动杆(26)运动，由传动杆(26)带动动触头(12)进行分闸或合闸操作；
所述非对称复合式斥力盘(22)包括：分闸斥力盘(221)和合闸斥力盘(222)；所述分闸斥力盘(221)为圆环形结构，所述合闸斥力盘(222)为中心设置有圆台(223)的圆环形结构；所述分闸斥力盘(221)与合闸斥力盘(222)同轴固定，且所述分闸斥力盘(221)的表面与合闸斥力盘(222)的表面处于同一平面；所述分闸斥力盘(221)用于产生电磁斥力机构进行分闸时的电磁斥力；所述合闸斥力盘(222)用于产生电磁斥力机构进行合闸时的电磁斥力；所述圆台(223)用于改善电磁斥力产生的斥力盘(22)应力集中现象；
所述分闸斥力盘(221)的材料为高电导率且非磁性金属材料，电导率σ≥66％IACS，所述合闸斥力盘(222)的材料为高强度且非磁性金属材料，屈服强度Re≥300MPa。
2.如权利要求1所述的电磁斥力机构，其特征在于，所述分闸斥力盘(221)与合闸斥力盘(222)采用沉头铆钉、沉头螺钉或焊接连接。
3.如权利要求2所述的电磁斥力机构，其特征在于，在所述合闸斥力盘(222)中心设置有用于与传动杆外螺纹配合的内螺纹的通孔。
4.如权利要求3所述的电磁斥力机构，其特征在于，所述分闸斥力盘(221)的材料为铜或银；所述合闸斥力盘(222)的材料为超硬铝合金。
5.如权利要求1-4任一项所述的电磁斥力机构，其特征在于，所述分闸斥力盘(221)的外径与分闸线圈(24)的外径相同。
6.如权利要求1-4任一项所述的电磁斥力机构，其特征在于，所述合闸斥力盘(222)外径与合闸线圈(25)的外径相同。
7.如权利要求1-4任一项所述的电磁斥力机构，其特征在于，所述分闸斥力盘(221)的内径与分闸线圈(24)的内径相同。
8.如权利要求1-4任一项所述的电磁斥力机构，其特征在于，所述分闸斥力盘(221)的厚度为斥力机构动作时产生的感应涡流趋肤深度的1～3倍。
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