CN111884454A - 一种用于高压断路器及其使用的轴向磁通永磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于高压断路器及其使用的轴向磁通永磁电机，包括沿轴向依次设置的第一定子、第一转子、第二定子、第二转子以及第三定子，形成三定子双转子的三明治结构；所述第一定子和第三定子的外侧设置铁芯；所述第二定子为双层结构，中间设置铁芯；第一转子和第二转子结构相同，均包括沿圆周向排列的三相共9个无刷绕组，9个无刷绕组形成圆环，旋转过程中产生磁场。本发明采用轴向磁场永磁同步电机作为高压断路器驱动电机，降低了铁芯的饱和程度从而提高了输出转矩、降低了转动惯量，可以让电机驱动高压断路器的电压等级进一步提高。绕组的固定材料密度比较低，从而可以提高电机驱动高压断路器的动态响应。

Description

一种用于高压断路器及其使用的轴向磁通永磁电机
技术领域
本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种用于高压断路器及其使用的轴向磁通永磁电机。
背景技术
高压断路器的主要功能体现在动触头的分合闸操作上，而分合闸操作又是通过操动机构来实现的。目前比较常用的操动机构主要有电磁操动机构、弹簧操动机构、气动操动机构和液压操动机构等。这些传统的操控机构存在比较大的不足，体现在灵活性差、动作时间分散性大、不利于生产和维护、低可靠性等。另外，在当前高速发展的智能电网的要求下，也要求对高压断路器的机械状态、电气状态和控制状态等关键参数进行监测，这样就可以全面评估设备的运行状态，带来巨大的经济效益。因此，有必要研究具有在线补偿能力、结构简单、可靠性高、动作冲击小、运行维护安全的新型操动机构，也就是电动机。
电动机驱动高压断路器由来已久，在二十世纪四十年代ABB公司就曾经提出电机驱动断路器运动的概念，截止2005年已经有100多台电动机操动机构的高压断路器在17个国家分别投入使用。目前，国内已有40.5kV和126kV电压等级的电机驱动断路器研制成功并投放电网运行。但是我国交流输电系统电压等级已经发展到1000kV，电动机驱动高压断路器电压等级发展远远低于我国交流输电系统电压等级。故而，电动机驱动高压断路器的电压等级提高是一个亟待解决的问题。
高压断路器往往需要在十几毫秒的极短时间内完成开闸和合闸。制约电机驱动高压断路器的电压等级发展的因素是它的动态响应特性，即电机带动断路器断开的瞬时加速能力。高瞬时加速能力意味着高输出转矩与低转子转动惯量。随着电压等级的提升，输出转矩要求进一步提高，转子转动惯量要求进一步降低，现有的通用电机不足以满足这样的要求，故而限制了其发展。所以，对于高压断路器的专用驱动电机的电机本体设计十分重要。
国内只有几所高校针对高压断路器的操作机构电机设计进行了研究，电机类型很多但都属于径向电机，所应用电压等级未超过126kV。对于电机的供电类型，采用永磁同步电机提高转矩密度和功率密度是所有研究者的共识的趋势，但在磁通路径上过去的研究方案采用了直线电机、径向磁场电机。
沈阳工业大学林莘、徐建源课题组提出了适用于40.5kV真空断路器的永磁无刷直线电机、永磁同步直线电机、圆筒形直线感应电机等设计。但是对于更高电压等级的驱动电机设计并未提及，但研究始终难以克服高输出转矩和低转动惯量的矛盾。
浙江大学和西安交通大学开发出一种直线电机直接带动真空断路器完成分合闸的电机操作机构。
清华大学采用径向磁场的内转子永磁同步电机，所研发的126kV电机驱动高压断路器2016年在南方电网挂网运行，不过所应用的电压等级已难以进一步提高。
直线电机由于直接驱动负载，负载的变化和外部扰动将毫无衰减地反映到动子上，以及电机存在较大的纵向端部效应和齿槽效应，产生的推力纹波会直接降低电机操动机构的伺服性能，尤其在高精度控制场合，影响了断路器分、合闸的控制效果。
径向磁场电机内转子齿根处的磁通路径是瓶颈状的，容易饱和所以无法进一步提高输出转矩，还有冷却困难和转子铁芯利用率低等方面的缺点。
发明内容
针对避免直线电机的推力纹波问题同时解决径向磁场电机的转子磁通饱和问题，本发明提供一种用于高压断路器及其使用的轴向磁通永磁电机，采用轴向磁通永磁电机作为高压断路器的驱动电机，提高冷却能力与转子铁芯利用率，提高电机的输出转矩、降低电机的转动惯量，从而提高电机驱动高压断路器的电压等级。
为达到上述目的，本发明提供了一种用于高压断路器的轴向磁通永磁电机，其特征在于，包括沿轴向依次设置的第一定子、第一转子、第二定子、第二转子以及第三定子，形成三定子双转子的三明治结构；
所述第一定子和第三定子的外侧设置铁芯；所述第二定子为双层结构，中间设置铁芯；
第一转子和第二转子结构相同，均包括沿圆周向排列的三相共9个无刷绕组，9个无刷绕组形成圆环，旋转过程中产生磁场。
进一步地，每个无刷绕组为扇形，包括围绕在外层的主绕组和主绕组内部空隙处设置的副绕组。
进一步地，每个无刷绕组包括扇形塑料框架，主绕组和副绕组粘接固定；各个转子、定子和铁芯固定在同一个转轴上；转轴上装有法兰盘，用于固定转子的塑料框架。。
进一步地，第一转子和第二转子对称设置在第二定子的两侧，且同向无刷绕组对齐。
进一步地，副绕组的匝数为主绕组的一半。
进一步地，磁负荷采用下式计算：
Figure BDA0002626060830000031
式中，hPM为永磁体轴向厚度，Br为永磁体剩余磁感应强度，hw为绕组轴向厚度，hair为气隙轴向长度，KF为气隙磁密分布系数。
进一步地，气隙轴向长度hair取为2mm；永磁体轴向厚度hPM为25mm；气隙磁密分布系数KF取0.92。得到绕组轴向厚度hw为10.09mm。
进一步地，电流密度采用下式计算：
Figure BDA0002626060830000041
其中，Di为电机第一转子和第二转子内径，N为实际每相串联匝数，I为绕组每相线电流。
进一步地，电磁转矩采用下式计算：
Figure BDA0002626060830000042
kdp1为绕组因数；Do为电机第一转子和第二转子的外径，Di为电机第一转子和第二转子内径，Iw为实际相电流
Nw为实际每相串联绕组，Bf为磁负荷。
本发明一方面提供一种高压断路器，采用所述的轴向磁通永磁电机作为驱动电机。
发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)本发明采用轴向磁场永磁同步电机作为高压断路器驱动电机，降低了铁芯的饱和程度从而提高了输出转矩、降低了转动惯量，可以让电机驱动高压断路器的电压等级进一步提高。
(2)本发明采用了永磁定子、无刷绕组转子的结构，由于绕组的固定材料密度比较低，所以无刷绕组转子比传统的永磁转子的转动惯量更低，从而可以提高电机驱动高压断路器的动态响应。
(3)本发明的在绕组内部增加了小绕组提高电机绕组的等效匝数，可以有效避免轴向磁场电机的内外半径处电负荷不同造成的空间浪费，从而提高气隙磁场密度、进一步提高轴向磁场永磁同步电机的输出转矩。
附图说明
图1是电机组成示意图；
图2电机组成的爆炸视图；
图3为绕组的结构示意图，其中(a)为现有绕组，(b)为本发明绕组结构；
图4为单个绕组结构图；
图5为单个转子绕组盘排布示意图；
图6为电机整体实际结构示意图；
图7为输出转矩曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明采用轴向磁通永磁同步电机来提高电压断路器驱动电机的动态响应性能。电机采用三定子双转子的三明治结构，包括以下结构：无刷绕组转子、永磁定子。
结合图1-2，轴向磁通永磁同步电机包括沿轴向依次设置的第一定子1、第一转子5、第二定子、第二转子6以及第三定子4，形成三定子双转子的三明治结构；均为环状结构，依次固定在转轴上。
所述第一定子1外侧设置铁芯7，第三定子4的外侧设置铁芯9；第二定子为双层结构，包括两侧的隔离环2、3，和两个隔离环中间设置的铁芯8。铁芯也均为环状结构，固定在转轴上。
第一转子5和第二转子6对称设置在第二定子的两侧，且同向无刷绕组对齐。
转子的无刷绕组3由不导磁材料比如环氧树脂或不饱和聚酯玻璃纤维进行固定，绕组3与供电电源相连，因为高压断路器动触头运动路线很短，电机只需要转过有限转角，所以不需要电刷。三相交流电通道转子绕组中，旋转过程中产生磁场。永磁定子由永磁体2(材料：NdFe35)和铁芯1(材料：硅钢片M19)构成，永磁体在气隙中产生磁场，定子磁场与转子磁场相互作用从而电机转子转动。
采用绕组作为转子，永磁体为定子的拓扑结构(传统电机一般是绕组为定子，永磁体为转子)，由于绕组用量少、固定材料密度低，可以很大程度上减小转动惯量，从而提高动态响应性能。动态响应性能是高压断路器执行机构最关键的指标。
第一转子和第二转子结构相同，均包括沿圆周向排列的三相共9个无刷绕组，9个无刷绕组形成圆环，旋转过程中产生磁场。
结合图3-4，交流绕组采用扁平矩形导线，从而提高对空间的利用率，降低加工难度。单个绕组如图4所示，箭头方向为电流方向由一个主绕组和一个副绕组组成，主绕组在外层，包围的磁通更大，副绕组在主绕组的中间空隙处，包围比较少的磁通，这个结构可以提高控制的灵活性，在转矩不同的时候灵活提高动态响应性能。
结合图4-5，每个无刷绕组为扇形，包括围绕在外层的主绕组5-1和主绕组内部空隙处设置的副绕组5-2和5-3。每个无刷绕组包括扇形塑料框架，主绕组和副绕组粘接固定。交流绕组以图5所示方法排布，共九个绕组，每相邻的三个为一相。采用高强度的工程塑料加工成扇形塑料框架，嵌入绕组后再用胶水固定，从而可以达到比较高强度的转子。转子和定子盘轴向排布，固定在同一个转轴上，如图6所示。转轴上装有法兰盘，用于固定转子的塑料框架。图6中箭头方向为永磁体的轴向充磁方向。
结合图3，在绕组内部增加了小绕组提高电机绕组的等效匝数,图3(a)为传统绕组，图3(b)为增加了小绕组的新型绕组排布，可以有效避免轴向磁场电机的内外半径处电负荷不同造成的空间浪费，从而提高气隙磁场密度、进一步提高轴向磁场永磁同步电机的输出转矩。
在一个实施例中，副绕组的匝数为主绕组的一半。
轴向磁通永磁电机的磁负荷采用下式计算：
Figure BDA0002626060830000071
式中，hPM为永磁体轴向厚度，Br为永磁体剩余磁感应强度，hw为绕组轴向厚度，hair为气隙轴向长度，KF为气隙磁密分布系数。
在一个实施例中，根据生产工艺限制，气隙轴向长度hair取为2mm；考虑到经济性，永磁体厚度选择为25mm；KF通常取0.85～0.95，由于无铁芯绕组轴向磁场电机的气隙比较长，所以取KF为0.92。可以计算得到绕组轴向厚度hw为10.09mm。
电流密度计算公式为：
Figure BDA0002626060830000072
其中，Di为电机内径，N为实际每相串联匝数，I为绕组每相线电流。
电磁转矩采用下式计算：
Figure BDA0002626060830000073
kdp1为绕组因数；Do为电机绕组外径，Di为电机绕组内径，Iw为实际相电流Nw为实际每相串联绕组，Bf为空载气隙磁感应强度。在一个实施例中，转矩输出要求为1600Nm。衡量工艺水平，取电机内径为110mm，外径为240mm。
本发明另一方面提供一种高压断路器，采用所述的轴向磁通永磁电机作为驱动电机。
传统径向磁场电机与新型绕组转子轴向磁场电机的性能比较(在同一电流密度和运行电流下)，结合表1。
表1
Figure BDA0002626060830000074
Figure BDA0002626060830000081
结合图7，为电机输出转矩曲线，与传统的径向磁场电机相比，新型绕组转子轴向磁场电机具有更高的输出转矩、更小的转动惯量和更小的转矩脉动，故而其加速和减速更快，有更好的动态响应性能。
综上所述，本发明涉及一种用于高压断路器及其使用的轴向磁通永磁电机，包括沿轴向依次设置的第一定子、第一转子、第二定子、第二转子以及第三定子，形成三定子双转子的三明治结构；所述第一定子和第三定子的外侧设置铁芯；所述第二定子为双层结构，中间设置铁芯；第一转子和第二转子结构相同，均包括沿圆周向排列的三相共9个无刷绕组，9个无刷绕组形成圆环，旋转过程中产生磁场。本发明采用轴向磁场永磁同步电机作为高压断路器驱动电机，降低了铁芯的饱和程度从而提高了输出转矩、降低了转动惯量，可以让电机驱动高压断路器的电压等级进一步提高。绕组的固定材料密度比较低，从而可以提高电机驱动高压断路器的动态响应。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种用于高压断路器的轴向磁通永磁电机，其特征在于，包括沿轴向依次设置的第一定子、第一转子、第二定子、第二转子以及第三定子，形成三定子双转子的三明治结构；
所述第一定子和第三定子的外侧设置铁芯；所述第二定子为双层结构，中间设置铁芯；
第一转子和第二转子结构相同，均包括沿圆周向排列的三相共9个无刷绕组，9个无刷绕组形成圆环，旋转过程中产生磁场。
2.根据权利要求1所述的用于高压断路器的轴向磁通永磁电机，其特征在于，每个无刷绕组为扇形，包括围绕在外层的主绕组和主绕组内部空隙处设置的副绕组。
3.根据权利要求2所述的用于高压断路器的轴向磁通永磁电机，其特征在于，每个无刷绕组包括扇形塑料框架，主绕组和副绕组粘接固定；各个转子、定子和铁芯固定在同一个转轴上；转轴上装有法兰盘，用于固定转子的塑料框架。
4.根据权利要求2所述的用于高压断路器的轴向磁通永磁电机，其特征在于，第一转子和第二转子对称设置在第二定子的两侧，且同向无刷绕组对齐。
5.根据权利要求2所述的用于高压断路器的轴向磁通永磁电机，其特征在于，副绕组的匝数为主绕组的一半。
6.根据权利要求2所述的用于高压断路器的轴向磁通永磁电机，其特征在于，磁负荷采用下式计算：
Figure FDA0002626060820000011
式中，hPM为永磁体轴向厚度，Br为永磁体剩余磁感应强度，hw为绕组轴向厚度，hair为气隙轴向长度，KF为气隙磁密分布系数。
7.根据权利要求1或2所述的用于高压断路器的轴向磁通永磁电机，其特征在于，气隙轴向长度hair取为2mm；永磁体轴向厚度hPM为25mm；气隙磁密分布系数KF取0.92。得到绕组轴向厚度hw为10.09mm。
8.根据权利要求6所述的用于高压断路器的轴向磁通永磁电机，其特征在于，电流密度采用下式计算：
Figure FDA0002626060820000021
其中，Di为电机第一转子和第二转子内径，N为实际每相串联匝数，I为绕组每相线电流。
9.根据权利要求6所述的用于高压断路器的轴向磁通永磁电机，其特征在于，电磁转矩采用下式计算：
Figure FDA0002626060820000022
kdp1为绕组因数；Do为电机第一转子和第二转子的外径，Di为电机第一转子和第二转子内径，Iw为实际相电流
Nw为实际每相串联绕组，Bf为磁负荷。
10.一种高压断路器，采用权利要求1-9之一所述的轴向磁通永磁电机作为驱动电机。
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