專利名稱：重合器的剩磁機構的設計方法以及剩磁機構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種適用于關合真空斷路器的操動機構，如頻繁操作帶各種保護的重 合器，特別是一種適用于24kV的重合器的剩磁機構的設計方法以及剩磁機構。
背景技術：
隨著社會經濟的發展，10kV的配電網已經難以滿足供電要求，采用20kV配電網是
電力系統發展的必然趨勢。我國目前正投以巨資對20kV配電網進行建設，其中將江蘇省部
分地區作為試點工程。國內目前20kV戶外開關設備短缺，國外設備還沒有完全適應我國的
相關標準，并且價格比較昂貴，多是以高電壓等級進行代替。所以研制出適合我國國情的價
格合理、質量過硬、技術先進的20kV戶外高壓交流真空斷路器是十分必要的。 目前，我國國內配電網領域應用較普遍的是永磁操動機構，永磁機構發展至今，可
以說，永磁操動技術已經比較成熟了，而且近幾年來，由于永磁機構真空斷路器具有體積
小、重量輕、分合閘速度快、免維護、壽命長、節電、無油不燃化、可靠性高、可以頻繁操作等
眾多優點，已成為我國乃至世界上許多發達國家的中壓開關領域的主流，并且憑借永磁機
構上述優點以及技術的不斷成熟，永磁機構也在向著低壓與高壓領域發展，目前在國內外
也已取得了顯著成果。隨著永磁機構的應用范圍和領域越來越廣泛，其瞬時功率大及機械
特性控制是難點，控制器較復雜，其啟動電容以及電子控制線路的壽命、溫度特性是永磁操
動機構總體可靠性的"瓶頸"。 中國專利200420092305. 1 "A角內磁軛永磁機構"，包括由力傳導軸、上磁軛蓋板、 外磁軛套筒、雙拍合面動鐵芯、A角內磁軛、永久磁體、分閘彈簧、電磁線圈、下磁軛蓋板、托 板組成的永磁、電磁一體化閉合磁路。A角內磁軛的內環成斜邊錐面，其斜邊與底平面延長 線之間成A角。 中國專利200520025592. 9"方形永磁機構外殼平板永磁體的永磁機構"，包括永磁 機構殼體、線圈和在永磁機構殼體內設置的動鐵芯，永磁機構殼體截面設計為方形，在永磁 機構殼體內還設有其截面呈外方內圓的導磁體，在永磁機構殼體與動鐵芯之間設有其截面 呈外方內圓的導磁體、圓形分閘線圈和合閘線圈，永磁機構殼體與導磁體之間固裝有平板 式永磁體，在動鐵芯上安裝有傳動桿。
發明內容
為解決以上永磁機構重合器的不足，本發明的目的是提出一種用于24kV配電線 路的重合器敞開式剩磁機構的設計方法及其機構，具體技術方案如下 —種重合器的剩磁機構的設計方法，其特征是把硅鋼材料用于所述重合器剩磁機 構的導磁回路的材料，具體步驟包括 1)用硅鋼材料制成磁軛；在磁軛中設置空腔，在空腔內設置合閘線圈；空腔的底 部中間位置設置通孔； 2)在合閘線圈中間設置動鐵心，用該動鐵心帶動拉桿；在合閘線圈中間設置彈性
4體，彈性體對動鐵心的彈力與合閘線圈通電后對的動鐵心的磁力方向相反，共同控制動鐵
心在合閘線圈軸向的動作；拉桿從空腔底部的通孔穿過；
3)用磁軛的外壁做本重合器的剩磁機構的外殼。 用多個硅鋼片疊加構成磁軛，對應于磁軛的形狀，磁軛不同形狀位置處設置相應 形狀的硅鋼片。 所述彈性體采用彈簧，彈簧的軸向與合閘線圈的軸向一致；彈簧一端與動鐵心連 接，另一端連接空腔的底部。 在磁軛的空腔頂端設置通孔，用于容納動鐵心；在磁軛與動鐵心的接觸處設置永 磁材料；把動鐵心制成桶型，所述彈簧設在桶內，一端與桶底連接；桶底中間設置用于拉桿 的穿過的通孔； 在桶型動鐵心的開口端與磁軛空腔底部位置對應處墊導磁體，使得動鐵心受磁力 后導磁體可以擋住動鐵心，不至于擊碎磁軛。 在磁軛的頂端設置非導磁端蓋；端蓋中心位置設置僅用于拉桿穿出的通孔。
所述磁軛與動鐵心的接觸處的永磁材料采用鐵氧體。 —種應用上述方法設計的重合器的剩磁機構，包括合閘線圈1. 3、分閘彈性體 1. 5、磁軛1. 2、動鐵心1. 6、和絕緣拉桿1. 8 ; 所述磁軛1. 2內圍成空腔，空腔內設置合閘線圈1. 3和動鐵心1. 6 ;合閘線圈1. 3 圍繞動鐵心1. 6 ; 絕緣拉桿1. 8與動鐵心1. 6連接；分閘彈性體的一端與動鐵心1. 6連接，另一端設 在空腔底部連接； 所述磁軛1. 2的材質是硅鋼；磁軛1. 2的外壁即為本剩磁機構的外殼。 多個硅鋼片疊加構成磁軛1. 2，對應于磁軛1. 2的形狀，磁軛1. 2不同形狀位置處
的硅鋼片形狀與磁軛1. 2的形狀對應； 所述分閘彈性體1. 5是彈簧，彈簧的軸向與合閘線圈1. 3的軸向相同；
磁軛1. 2的空腔頂端設有通孔，大小與動鐵心1. 6外形對應；在磁軛1. 2與動鐵心 1. 6的接觸處設有永磁材料1. 7 ;所述動鐵心1. 6是桶型，所述彈簧設在桶內， 一端與桶底連 接；桶底中間設有用于絕緣拉桿1. 8穿過的通孔； 在桶型動鐵心1. 6的開口端與磁軛空腔底部位置對應處墊有相應的導磁體1. 4。
在磁軛1. 2的頂端設有非導磁端蓋1. 1 ;端蓋1. 1中心位置設有僅用于絕緣拉桿 1.8穿出的通孔。 所述磁軛1. 2與動鐵心1. 6的接觸處的永磁材料1. 7是鐵氧體。 所述磁軛是由硅鋼片疊加形成的一個整體，即本機構的導磁回路利用硅鋼片疊加
而成。現有技術中的永磁機構的導磁回路一般采用電工純鐵、10號鋼、20號鋼或A3鋼。硅
鋼片的導磁性能是最好的，但由于它本身的機械特性的要求，不可能做成完全封閉的圓筒
形和方形，況且疊加的工藝要求較高。為了節約成本，所以沒有應用在永磁機構上。本機構
打破常規，利用敞開式結構，把硅鋼片應用在此機構上，實驗結果表明各項機械性能參數優
良，尤其體現在分合閘的激磁電流小，這一優勢上。 所述動鐵心與磁軛之間的磁性材料是非NeFeB合金材料鐵氧體。現有的永磁機構 所采用的永磁材料都是用釹鐵硼NeFeB，由于其穩定的出力特性被普遍應用；它的缺點是，當它應用在永磁機構上時，自身的磁阻較大，機構動作時需要的激磁電流值較大，對永磁機 構的控制器部分要求較高，造成整體的維護費用增加。本機構選用的非釹鐵硼(NeFeB)合 金材料后，當本機構的合閘線圈通入反向電流時，線圈所產生的磁場與非釹鐵硼(NeFeB) 合金材料產生的磁場方向相反，該材料會快速退磁，且本身磁阻與釹鐵硼相比小一個數量 級，所產生的磁阻力減小，從而使機構的動作速度加快，激磁電流值變小。當本機構動作完 成后，合閘線圈電流所產生的磁場給該材料反向的充磁足以使動鐵心保持在端部位置。
該剩磁機構重合器的優點包括 —、機構的整個導磁回路由硅鋼片疊加而成，磁損耗及渦流損耗最低，磁通利用率 較永磁機構高出30%。 二、機構在兩個端部的靜態保持力由非NeFeB合金材料提供，其固有的特性使其 在操動斷路器觸頭分閘或者合閘時，響應速度更快，分、合閘電流更小，降低了電子控制裝 置的性能要求，達到了 20年免維護。 三、由于本機構沒有設置外殼，線圈暴露在空氣中，當線圈通入電流時，所產生的 熱量很容易散發出去，不致使機構線圈過熱，使其絕緣性能下降。 以上的優勢特點，不僅使本機構本體性能優異，同時由于低能耗的優點，使電子控
制器的使用壽命更加長久，同時斷路器的本體的絕緣性能得到極大的提高。 綜上所述，本技術方案與同類機構相比性能更加穩定，功耗小，其電子控制裝置的
使用壽命更長，尤其適用于24kV的重合器。
圖1為本剩磁機構內部結構示意圖。 圖2為配備本剩磁機構和真空斷路器的重合器結構示意圖。
圖3是鐵氧體永磁材料的退磁曲線。
具體實施例方式
下面結合附圖與具體實施方式
對本發明作進一步說明。 —種重合器的剩磁機構的設計方法，其特征是把硅鋼材料用于所述重合器剩磁機 構的導磁回路的材料，具體步驟包括 1)用硅鋼材料制成磁軛；在磁軛中設置空腔，在空腔內設置合閘線圈；空腔的底 部中間位置設置通孔； 2)在合閘線圈中間設置動鐵心，用該動鐵心帶動拉桿；在合閘線圈中間設置彈性 體，彈性體對動鐵心的彈力與合閘線圈通電后對的動鐵心的磁力方向相反，共同控制動鐵
心在合閘線圈軸向的動作；拉桿從空腔底部的通孔穿過；
3)用磁軛的外壁做本重合器的剩磁機構的外殼。 用多個硅鋼片疊加構成磁軛，對應于磁軛的形狀，磁軛不同形狀位置處設置相應 形狀的硅鋼片。 所述彈性體采用彈簧，彈簧的軸向與合閘線圈的軸向一致；彈簧一端與動鐵心連 接，另一端連接空腔的底部。 在磁軛的空腔頂端設置通孔，用于容納動鐵心；在磁軛與動鐵心的接觸處設置永磁材料；把動鐵心制成桶型，所述彈簧設在桶內，一端與桶底連接；桶底中間設置用于拉桿 的穿過的通孔； 在桶型動鐵心的開口端與磁軛空腔底部位置對應處墊導磁體，使得動鐵心受磁力 后導磁體可以擋住動鐵心，不至于擊碎磁軛。 在磁軛的頂端設置非導磁端蓋；端蓋中心位置設置僅用于拉桿穿出的通孔。
所述磁軛與動鐵心的接觸處的永磁材料采用鐵氧體。 具體來說，參考附圖l，一種應用上述方法設計的重合器的剩磁機構，包括合閘線 圈1. 3、分閘彈性體1. 5、磁軛1. 2、動鐵心1. 6、和絕緣拉桿1. 8 ; 所述磁軛1. 2內圍成空腔，空腔內設置合閘線圈1. 3和動鐵心1. 6 ;合閘線圈1. 3 圍繞動鐵心1. 6 ; 絕緣拉桿1. 8與動鐵心1. 6連接；分閘彈性體的一端與動鐵心1. 6連接，另一端設 在空腔底部連接； 所述磁軛1. 2的材質是硅鋼；磁軛1. 2的外壁即為本剩磁機構的外殼。 多個硅鋼片疊加構成磁軛1. 2，對應于磁軛1. 2的形狀，磁軛1. 2不同形狀位置處
的硅鋼片形狀與磁軛1. 2的形狀對應； 所述分閘彈性體1. 5是彈簧，彈簧的軸向與合閘線圈1. 3的軸向相同；
磁軛1. 2的空腔頂端設有通孔，大小與動鐵心1. 6外形對應；在磁軛1. 2與動鐵心 1. 6的接觸處設有永磁材料1. 7 ;所述動鐵心1. 6是桶型，所述彈簧設在桶內， 一端與桶底連 接；桶底中間設有用于絕緣拉桿1. 8穿過的通孔； 在桶型動鐵心1. 6的開口端與磁軛空腔底部位置對應處墊有相應的導磁體1. 4。
在磁軛1. 2的頂端設有非導磁端蓋1. 1 ;端蓋1. 1中心位置設有僅用于絕緣拉桿 1.8穿出的通孔。 所述磁軛1. 2與動鐵心1. 6的接觸處的永磁材料1. 7是鐵氧體。
本剩磁機構的應用，如圖2，斷路器包括2. 1剩磁機構、2. 2連接拐臂、2. 3絕緣支 撐、2. 4絕緣拉桿、2. 5真空滅弧室、2. 6上套筒。(由于斷路器的結構在現有技術中非常常 見，在此不進一步限制本例中的斷路器結構了) 本重合器的敞開式剩磁機構的絕緣拉桿1. 8并通過拐臂2. 2連接斷路器的絕緣拉 桿2. 4，使斷路器在分閘與合閘之間轉換。工作過程是，控制模塊內的合閘電容器向機構線 圈注入一個脈沖電流，線圈中的電流使得上磁軛和動鐵心之間的電磁吸力加大，最終克服 分閘彈簧力，動鐵心驅動絕緣拉桿及動觸頭開始運動。當動鐵心一開始運動，此時合閘速度 可達lm/s，最佳的合閘速度及出力特性，確保了斷路器在合閘時真空滅弧室沒有彈跳，而且 減少了真空滅弧室重燃的可能性。隨著動鐵心和導磁塊的間隙減小，磁力進一步加大，動鐵 心加速向下運動，此過程中，動鐵心拉動分閘簧，為其儲能。此時絕緣拉桿帶動拐臂及動觸 頭向合閘位置運動，當到達合閘位置時，線圈電流使磁性材料達到飽和狀態，同時切斷控制 模塊發出的線圈電流，非NeFeB合金磁性磁料的剩磁就便動鐵心能夠保持在合閘位置。同 時在合閘位置時，分閘彈簧已經儲能，為下次分閘作好準備。此時拐臂2. 2使斷路器觸頭保 持在合閘位置(如圖2所示)。 當需要進行分閘操作時，控制模塊內的分閘電容器向機構合閘線圈注入一個與合 閘電流方向相反的電流脈沖，時間為15 20ms。此時電流將會對磁性材料產生部分消磁效
7應，減小合閘保持力，此時已儲能的分閘彈簧的反向力使動鐵心釋放并通過拐臂帶動動觸頭迅速向分閘方向運動，最終由分閘彈簧保持在分閘位置。
性能分析 本機構的整個導磁回路由導磁性能最優異的硅鋼片疊加而成，磁損耗及渦流損耗最低，磁通利用率較永磁機構高出30%。以下為關于導磁性能線性化公式，由于硅鋼片磁阻R較小，硅鋼片作為導體時，所產生的磁壓降E (IN)。較小，從而使分、合閘線圈產生線圈磁勢較小，從而使線圈產生的激磁電流較小。 磁勢公式<formula>formula see original document page 8</formula>磁通公式<formula>formula see original document page 8</formula>
磁勢方程式<formula>formula see original document page 8</formula> 式中，F為吸力(kgf) ;B為氣隙磁密(G) ;S為極面積(CHI2) ;1為線圈電流；N為線
圈匝數；小為氣隙磁通(Mx) ;^為工作氣隙中磁壓降；E (IN)e為導體各部分磁壓降的
〃o
總和；E (IN)fg為非工作氣隙磁壓降的總和；線圈磁勢IN。如圖3，兩種永磁材料的退磁曲
線，是表征永磁材料磁穩定性曲線。由圖可以看出，當給釹鐵硼永磁材料施加退磁磁場強度時，由于退磁曲線和磁回復線重合，所以當永磁機構線圈通過反向電流時，電流所產生的退磁磁場強度會使釹鐵硼材料的本身的磁性能下降，當停止通入電流時，它的磁性能會恢復到初始值，因此現有的永磁機構都會采用釹鐵硼永磁材料，但由于自身的磁阻較大，機構動作時需要的激磁電流值較大，對永磁機構的控制器部分要求較高。整體的維護費用增加。 本方案選用的鐵氧體，由圖3可知鐵氧體永磁材料的退磁曲線的上半部分為直線，當退磁磁場強度不超過拐點K時，回復線與退磁曲線的直線段重合。當退磁磁場強度超
過拐點后，它的磁阻會急劇減小，那末線圈產生的電流會急劇減小。線圈所產生的磁場與合金材料產生的磁場方向相反。該材料會快速退磁，且本身磁阻與釹鐵硼相比小一個數量級，所產生的磁阻力減小，其固有的特性使其在操動斷路器觸頭分閘或者合閘時，響應速度更快，分、合閘電流更小，降低了電子控制裝置的性能要求。 由于本機構沒有外殼，機構的合閘線圈暴露在空氣中，當線圈通入電流時，所產生的熱量很容易散發出去，不致使機構線圈過熱，使其絕緣性能下降。
權利要求
一種重合器的剩磁機構的設計方法，其特征是把硅鋼材料用于所述重合器剩磁機構的導磁回路的材料，具體步驟包括1)用硅鋼材料制成磁軛；在磁軛中設置空腔，在空腔內設置合閘線圈；空腔的底部中間位置設置通孔；2)在合閘線圈中間設置動鐵心，用該動鐵心帶動拉桿；在合閘線圈中間設置彈性體，彈性體對動鐵心的彈力與合閘線圈通電后對的動鐵心的磁力方向相反，共同控制動鐵心在合閘線圈軸向的動作；拉桿從空腔底部的通孔穿過；3)用磁軛的外壁做本重合器的剩磁機構的外殼。
2. 根據權利要求1所述的重合器的剩磁機構的設計方法，其特征是用多個硅鋼片疊加構成磁軛，對應于磁軛的形狀，磁軛不同形狀位置處設置相應形狀的硅鋼片。
3. 根據權利要求1或2所述的重合器的剩磁機構的設計方法，其特征是所述彈性體采用彈簧，彈簧的軸向與合閘線圈的軸向一致；彈簧一端與動鐵心連接，另一端連接空腔的底部。
4. 根據權利要求3所述的重合器的剩磁機構的設計方法，其特征是在磁軛的空腔頂端設置通孔，用于容納動鐵心；在磁軛與動鐵心的接觸處設置永磁材料；把動鐵心制成桶型，所述彈簧設在桶內，一端與桶底連接；桶底中間設置用于拉桿的穿過的通孔；在桶型動鐵心的開口端與磁軛空腔底部位置對應處墊導磁體，使得動鐵心受磁力后導磁體可以擋住動鐵心，不至于擊碎磁軛。
5. 根據權利要求4所述的重合器的剩磁機構的設計方法，其特征是在磁軛的頂端設置非導磁端蓋；端蓋中心位置設置僅用于拉桿穿出的通孔。
6. 根據權利要求5所述的重合器的剩磁機構的設計方法，其特征是所述磁軛與動鐵心的接觸處的永磁材料采用鐵氧體。
7. —種應用權利要求1 6任一方法設計的重合器的剩磁機構，包括合閘線圈(1.3)、分閘彈性體(1. 5)、磁軛(1. 2)、動鐵心(1. 6)、和絕緣拉桿(1. 8);所述磁軛(1.2)內圍成空腔，空腔內設置合閘線圈(1.3)和動鐵心(1.6);合閘線圈(1. 3)圍繞動鐵心(1. 6);絕緣拉桿(1. 8)與動鐵心(1. 6)連接；分閘彈性體的一端與動鐵心(1. 6)連接，另一端設在空腔底部連接；其特征是所述磁軛(1.2)的材質是硅鋼；磁軛(1.2)的外壁即為本剩磁機構的外殼。
8. 根據權利要求7所述的重合器的剩磁機構，其特征是多個硅鋼片疊加構成磁軛(1. 2)，對應于磁軛(1. 2)的形狀，磁軛(1. 2)不同形狀位置處的硅鋼片形狀與磁軛(1. 2)的形狀對應；所述分閘彈性體(1.5)是彈簧，彈簧的軸向與合閘線圈(1.3)的軸向相同；磁軛(1. 2)的空腔頂端設有通孔，大小與動鐵心(1. 6)外形對應；在磁軛(1. 2)與動鐵心(1.6)的接觸處設有永磁材料(1.7);所述動鐵心(1.6)是桶型，所述彈簧設在桶內，一端與桶底連接；桶底中間設有用于絕緣拉桿(1. 8)穿過的通孔；在桶型動鐵心(1.6)的開口端與磁軛空腔底部位置對應處墊有相應的導磁體(1.4)。
9. 根據權利要求8所述的重合器的剩磁機構，其特征是在磁軛(1.2)的頂端設有非導磁端蓋(1. 1);端蓋(1. 1)中心位置設有僅用于絕緣拉桿(1.8)穿出的通孔。
10.根據權利要求9所述的重合器的剩磁機構，其特征是所述磁軛(1.2)與動鐵心(1.6)的接觸處的永磁材料(1.7)是鐵氧體。
全文摘要
一種重合器的剩磁機構的設計方法以及剩磁機構，把硅鋼材料用于所述重合器剩磁機構的導磁回路的材料，具體步驟包括1)用硅鋼材料制成磁軛；在磁軛中設置空腔，在空腔內設置合閘線圈；空腔的底部中間位置設置通孔；2)在合閘線圈中間設置動鐵心，用該動鐵心帶動拉桿；在合閘線圈中間設置彈性體，彈性體對動鐵心的彈力與合閘線圈通電后對動鐵心的磁力方向相反，共同控制動鐵心在合閘線圈軸向的動作；拉桿從空腔底部的通孔穿過；3)用磁軛的外壁做本重合器的剩磁機構的外殼。本技術方案與同類機構相比性能更加穩定，功耗小，其電子控制裝置的使用壽命更長，尤其適用于24kV的重合器。
文檔編號H01H33/666GK101702381SQ200910212660
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月13日 優先權日2009年11月13日
發明者孫浩, 徐陸飛, 李家玨, 田陽 申請人:南京因泰萊配電自動化設備有限公司