基于COMSOL双稳态永磁操动机构的仿真研究.pdf

装备制造技术 2023 年第 7 期0引 言随着智能电网技术的发展，传统开关因其过高的机械故障率逐渐无法满足实际要求，因此，永磁断路器是目前输配电系统中应用越来越广泛的开关设备。国外有 ABB 公司研制了 VM1 型配永磁机构的真空断路器。国内永磁机构断路器相关成果设计也比较先进，像宝鸡和谐公司出产的单稳态永磁机构、北京四方华能电气出产的双稳态永磁机构都是可靠产品。这些产品主要用于开断短路和过载故障电流，这些产品需实现这些功能，主要是由分合闸来完成动作决定的，而操动机构则是分合闸动作的先决要素1-3。相比于传统的弹簧操动机构，永磁操动机构具有结构简单、开断能力强、寿命长、噪音低、重量轻、免维护等特点。目前，基于该机构的永磁断路器已成功应用在中压配电系统中4。对静态状态下的永磁保持力进行电磁仿真和理论计算对比，分别对初始位置、通电后刚进行分闸动作磁铁气隙在 1 mm 时、分闸气隙在 15 mm 时以及合闸保持力的静态力值分析对比。在 COMSOL 软件中进行静态和动态电磁仿真分析，对机构永磁体性能、结构参数及线圈参数进行分析研究及试验验证5。1永磁机构传动原理双稳态永磁机构模型主要由 8 个零部件组成，其中上磁轭采用 10#2 钢材料，磁导率大，可以提供良好的磁通回路；分闸线圈为动铁芯分闸动作提供磁力；外磁轭提供磁路闭合回路；动铁芯是永磁机构的关键运动部件，通过上下连接导杆进行分合闸动作；内磁轭联通永磁体与动铁芯磁回路；永磁体为动铁芯提供分合闸位置保持力及动作驱动力；合闸线圈为动铁芯合闸动作提供驱动力；下磁轭起到导通磁回路的用。由于永磁机构的结构具有轴对称特性，为减小计算时间，在 COMSOL 软件中建立二维轴对称半侧求解模型，如图 1 所示。双稳态永磁机构的分闸保持位置，动铁芯上端气隙小，磁阻低，永磁体磁力线几乎全部穿过动铁芯上端，上磁轭对动铁芯产生相应吸力使动铁芯保持在分闸位置，从而使真空灭弧室保持断开状态；当合闸线圈通电后，线圈产生的磁场磁力线集中在动铁芯下端，使动铁芯受到的磁力线相互抵消，而随着激励电流的增大，合闸线圈对动铁芯下端吸力也增大，当下端吸力大于分闸保持力后，动铁芯开始进行合闸动作，通过连杆机构带动灭弧室动触头进行闭合，如图基于 COMSOL 双稳态永磁操动机构的仿真研究洪育凡，黄泽钰，张宇佳（西安合容开关有限公司，陕西 西安 710000）摘要：随着科技的进步，高可靠性的开关对电力系统的运行起着重要作用。永磁机构采用了一种全新的工作原理，与传统的弹簧机构相比具有较高可靠性。针对永磁断路器研发中操动机构的关键设计问题，以运行可靠性、投入经济性为目标提出一种双稳态永磁操动机构研究方法，利用 COMSOL 软件建立起有限元模型，以线圈安匝数和线径为约束条件，对该模型进行静态及动态电磁分析，对电磁模型所得到的力值数据和理论计算出的力值进行对比，验证机构方案的可靠性和可行性。本研究的仿真结果与实际样机测试曲线的对比分析，验证了设计分析方案与样机试验分析具有较高的一致性，可用于指导产品设计及优化，确定仿真结果的真实性、可靠性，保证可以应用于实际，减少样机验证的时间及成本，促进了产品优化的效率。关键词：永磁操动机构；COMSOL；有限元模型；优化设计中图分类号：TM351文献标志码：A文章编号：1672-545X（2023）07-0089-03收稿日期：2023-03-14第一作者：洪育凡（1999-），男，研究方向:新型电力系统设备性能.89Equipment Manufacturing Technology No.7袁20232 所示。其分合闸操作线圈驱动电路如图 3 所示，操作电源采用直流电源供电方式。2机构外反力归算双稳态永磁机构在进行分合闸动作时，传递到灭弧室动触头上的运动过程中不仅受竖直方向运动，也受到水平方向运动，力在传递过程中的作用点也不同，为了更好进行特性计算，根据力矩守恒原理及下式，通过杆机构传动规律将触头作用力、超程弹簧作用力及其他非电磁作用力加载到永磁操动机构的动铁芯上，简化计算模型。F1=F0 cos琢（1）F2 l2=F1 l1（2）F3=F2/cos茁（3）F4=F3 cos酌（4）F5 l5=F4 l4（5）F6=F5/cos啄（6）F8=F6/cos着+F7（7）式中，F0为触头弹簧作用力，F7为保持簧作用力，琢、茁、酌、啄、着 为连杆机构之间的夹角。动铁芯在移动时，主要受到外加波纹管及触头反力作用力，如图 3 为动铁芯位移与归算反力关系图。3机构仿真和计算分析3.1 磁路仿真分析在永磁机构中，动铁芯处于分合闸位置时，永磁体利用磁轭和动铁芯形成低磁阻抗通路，产生较大的磁吸力将动铁芯与磁轭吸合保持分合闸，如图 4（a）所示为线圈无电流通过时分闸状态。当进行合闸动作时，合闸线圈通电流使感应磁场先与永磁体产生的磁场方向相反，抵消永磁体磁场后，动铁芯受到下端盖的电磁吸力进行合闸动作，图4（b）为合闸过程磁通图。同理，当从合闸状态进行分闸动作时，如图 5（a）、5（b）所示。（a）线圈无电流通过时分闸状态（b）合闸过程磁通图图 4合闸过程磁通（a）合闸状态进行分闸动作效果之一（b）合闸状态进行分闸动作效果之二图 5分闸过程磁通图 1二维轴对称模型1.上磁轭2.分闸线圈3.外磁轭4.动铁芯5.内磁轭6.永磁体7.合闸线圈8.下磁轭12345678图 2传动原理真空灭弧室静触头动触头超程弹簧拐臂轴点主轴点双稳态永磁机构图 3外部归算反力102030010005000-500-1000-1500-2000-2500动铁芯位移/mm90装备制造技术 2023 年第 7 期3.2 保持力仿真及计算分合闸过程中，永磁体单独作用吸力随动铁芯位移变化而变化，图 6 为永磁体作用曲线图，可以看出动铁芯从分闸位置开始移动时，所受永磁体吸力由最大 5000 N 开始减小，当动铁芯上部与上端盖气隙达到 1 mm 时，磁阻增大，磁通随之减小，永磁保持力迅速减小至 2100 N；气隙增大到 15 mm 时，由于永磁体处于分合闸位置的中间端，上下端盖形成的磁通相互抵消为 0，对动铁芯的吸力方向相反，大小近乎相等即动铁芯处于分合闸中间位置，永磁体作用力为 0 N；当气隙增大到 30 mm 时，动铁芯到达合闸位置，磁通主要由下端盖与动铁芯形成回路通过，永磁保持力逐步增大到 5000 N。根据动铁芯反力的归算可知，在双稳态永磁机构中，动铁芯位移过程不仅受到永磁体吸力作用，也受到外部弹簧力作用，现将永磁体吸力与归算外力进行相加成合外力，如图 7 曲线所示，可以得出通过仿真手段与理论计算得出的合外力曲线相差较小，其趋势较为吻合，且仿真方法可以快速得出该结果。4结 论通过 COMSOL 有限元模型，对永磁断路器的双稳态永磁操动机构进行了仿真分析，通过对双稳态永磁操动机构合分闸动作时的磁通分布情况及运动过程受力进行详细模拟，得出以下结论：（1）通过仿真分析可以看到双稳态永磁操动机构保持位置及动作时刻的磁通分布曲线，完全符合永磁真空断路器实际的运动情况，为实际双稳态永磁操动机构的永磁断路器提供多样的结构优化思路。（2）合力的仿真模拟对比，确定仿真结果的真实性，保证仿真可以反映实际断路器的动作情况，证实以仿真手段来进行实际需要的机构动作验证具有足够的可靠性。（3）仿真结果的可靠性，保证可以应用于实际，减少样机验证的时间及成本，促进了产品优化的效率。参考文献：1 王俊，张伟，刘路路，等.12 kV 永磁真空断路器合闸弹跳研究分析J.现代制造技术与装备，2021，57（11）：84-86.2 彭海燕.探讨输配电系统断路器的应用J.科学之友，2011（10）：21-22.3 Lee Chang-Hyuk，Shin Bu Hyun，Bang Y B.Designing apermanent-magnetic actuator for vacuum circuit breakersusing the taguchi method and dynamic characteristic analysisJ.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2016，63（3）.4 陈加明.永磁断路器合闸机械特性的仿真方法J.电器与能效管理技术，2022（8）：47-50.5 陆静，郭良浩，王志峰，等.断路器弹簧操动机构常见问题及检修方法J.电气时代，2022（10）：67-70.图 7非线圈力合力曲线计算合外力仿真合外力1357911 13 15 1719 2123 25 27 29 3180006000400020000-2000-4000-6000-8000位移/mm图 6永磁体作用力6000400020000-2000-4000-600051015202530位移/mm91