基于永磁操動機構的智能交流接觸器的研究畢業(yè)設計

1、基于永磁操動機構的智能交流接觸器的研究摘 要永磁操動機構的智能交流接觸器作為一種新型的接觸器，具有結構簡單、可靠性高、節(jié)電效果顯著等傳統(tǒng)電磁操動機構交流接觸器所無法比擬的優(yōu)點，有良好的發(fā)展前景。本文在對目前已有的交流接觸器永磁操動機構進行詳細分析的基礎上，提出了一種結構新型的單穩(wěn)態(tài)、雙線圈（分閘與合閘線圈）結構的永磁操動機構。本文對永磁操動機構的智能交流接觸器的原理、靜態(tài)吸力、動態(tài)特性進行了研究分析，通過用ANSYS仿真，得到了電流激磁下的永磁操動機構線圈電流、電磁力、動鐵心的位移及線圈電壓隨時間變化的曲線，并分析了各項電參數(shù)對動態(tài)特性的影響。關鍵字：永磁操動機構；靜態(tài)特性計算；動態(tài)特性計算

2、Research on the permanent magnetic actuator (PMA) intelligent AC contactorAbstract The Permanent Magnetic Actuator (PMA) intelligent AC contactor as a new kind of AC contactor , has simple structure, high reliability, remarkable electricity saving, which are the traditional electromagnetism Actuator

3、 AC contact device is unable to compare. so it will have a good prospects for development .Based on the detailed analysis of permanent magnetic actuator of current existing AC contactor, this paper proposed a single steady-state structure and dual-coil structure of the permanent magnetic actuator. T

4、he principle , suction static , dynamic characteristics are researched in this paper. Through the ANSYS simulation, this paper obtained the coil currents, electromagnetic force, the displacement and the curve about the relationship between core coil voltage and time of the PMA under the current ince

5、ntives the magnetic.Keywords：permanent magnetic actuator(PMA)； static characteristics computation；dynamic characteristics computation目錄摘 要IAbstractII1 緒論11.1 課題的發(fā)展狀況11.1.1 永磁操動機構及永磁式交流接觸器的發(fā)展狀況11.1.2 國內外智能交流接觸器的發(fā)展狀況21.2 本課題研究的發(fā)展前景31.3 本課題的研究背景和意義31.4 本課題的難點及主要的關鍵問題41.5 本課題研究的內容42 永磁材料與永磁操動機構52.1 永磁材料

6、52.2 永磁操動機構62.2.1 單線圈單穩(wěn)態(tài)永磁機構62.2.2 雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機構接觸器72.2.3 電磁斥力分閘永磁機構接觸器82.2.4 現(xiàn)有各種永磁操動機構優(yōu)缺點比較82.2.5 新型雙線圈單穩(wěn)態(tài)永磁機構的智能交流接觸器92.3 本章小結103 智能交流接觸器永磁操動機構的結構設計113.1 永磁操動機構設計前處理113.2 永磁操動機構的結構設計123.2.1 永久磁鐵的工作狀態(tài)和工作點的確定123.2.2 磁路法進行永磁機構的靜態(tài)特性計算133.3 永磁操動機構靜態(tài)磁場分布特性173.3.1 永磁磁場基本方程組173.3.2 永久磁體模型的處理183.4 本章小結194 永磁

7、操動機構的動態(tài)仿真分析204.1 永磁機構動態(tài)分析數(shù)學模型的建立204.2 永磁機構動特性微分方程組的求解224.3 求解電磁場逆問題的算法234.4 ANSYS軟件仿真分析244.5 本章小結29結論30致謝31參考文獻321 緒論 交流接觸器是電力拖動和自動化控制系統(tǒng)中不可缺少的量大面廣的低壓電器產(chǎn)品。傳統(tǒng)交流接觸器是基于“通電吸合，帶電保持，斷電釋放”的工作原理之上的，運行過程中，鐵心的磁滯損耗和渦流損耗很大，且功率因數(shù)低，噪聲大、觸頭彈跳多、線圈溫升高，加大了電能損耗，降低了接觸器的可靠性以及線圈的使用壽命。針對這些問題，有必要研究新型操動機構的交流接觸器，從而使交流接觸器的控制技術和

8、生產(chǎn)技術發(fā)生根本的改變。基于此，性能優(yōu)良、控制可靠、節(jié)電率高的永磁式智能交流接觸器正在逐步發(fā)展，它對于節(jié)約電能，保護用電設備，切實提高企業(yè)的經(jīng)濟效益具有十分重要的意義。1.1 課題的發(fā)展狀況1.1.1永磁操動機構及永磁式交流接觸器的發(fā)展狀況永磁操動機構技術是二十世紀世界新興的技術之一，它采用全新的工作原理和結構，通過將電磁鐵和永磁鐵相結合，實現(xiàn)了傳統(tǒng)接觸器操動機構的全部功能。而永磁操動機構與傳統(tǒng)操動機構的最大區(qū)別在于實現(xiàn)了高效的節(jié)電運行。國外永磁操動技術的研究開始于二十世紀八十年代末，歐洲以英國及德國為代表。1989年英國曼徹斯特大學(The University of Manchester)

9、系統(tǒng)與能量組為GEC公司設計了一臺永磁操動機構模型。1992年前后永磁操動技術開始在英國工業(yè)應用。1995年英國的Whipp&Boume公司進一步改進了結構，與此同時，德國的ABB公司也做了一些技術改進。1997年ABB Calor Emag開關設備公司在德刊上介紹了它們最新研制的VM1型配永磁操動機構的真空斷路器，這種真空斷路器采用了雙穩(wěn)態(tài)結構的機構，并實現(xiàn)了電子控制，達到完全免維護。1999年Alsthom T&D EIB S.A公司推出了中壓斷路器用的非對稱電磁操動機構，并把它用于VBL型真空斷路器。 國內從二十世紀九十年代末開始研究永磁操動機構，至今已取得了一些成果。西安森源電氣有限責

10、任公司和沈陽工業(yè)大學合作于1998年就開始了12kV VSm永磁真空斷路器的開發(fā)，并取得突破性進展。2000年6月首批樣機在西高所國家高壓電器質量監(jiān)督檢測中心通過了12kV，12503lkA規(guī)格的VSm的全部型式試驗。額定短路電流開斷次數(shù)50次，斷路器機械壽命6萬次，機構壽命10萬次，整機通過了EMC試驗，達到了國際先進水平。這引起了國內同行的關注，相繼北京華東開關廠、常州森源開關有限公司等著名的斷路器生產(chǎn)廠紛紛研制出了類似的永磁機構真空斷路器，使得高性能的永磁材料在斷路器操動機構中得到了應用。盡管如此，目前國內外永磁操動機構的接觸器的研發(fā)工作仍處于起步和探索階段，文獻5研究了永磁操動機構在低

11、壓接觸器中應用的可能性。而將永磁操動機構應用到交流接觸器中也具有諸多優(yōu)點，它能夠克服普通電磁式交流接觸器在運行時，因線圈長時間得電而造成的線圈燒毀，以及由于電壓降而低產(chǎn)生的震顫噪聲等，實現(xiàn)了接觸器的節(jié)電、安全、可靠運行。綜上所述，近年來國內外一些企業(yè)和科研院所已將永磁操動機構真空斷路器作為研制和開發(fā)的重點，在理論上和實際應用中都取得了很大的進展。然而，對永磁操作機構的交流接觸器的研究還是比較少的，永磁式交流接觸器的產(chǎn)品更未得到廣泛應用。目前國內僅有西安交通大學和河北工業(yè)大學等采用ANSYS等有限元軟件分析接觸器的動態(tài)吸反力特性，為優(yōu)化接觸器的結構和參數(shù)提供了一定的理論依據(jù)；國內一些專家、學者也

12、針對永磁機構的接觸器申請了一些專利，為以后的設計和研發(fā)提供了一定的啟發(fā)和指導。1.1.2 國內外智能交流接觸器的發(fā)展狀況縱觀國內外低壓智能電器的發(fā)展，交流接觸器的智能化是21世紀電器的發(fā)展方向之一。而智能電器的概念是隨著智能電器的發(fā)展而不斷充實、豐富、新和提高的。不同的電器設備，其智能的實現(xiàn)和程度均不同?；诖吮疚奶岢隽擞来挪僮鳈C構的智能交流接觸器的概念。隨著智能交流接觸器研究工作的全面展開，專業(yè)化的公司經(jīng)過大量的試驗研究和理論分析，將智能化技術成功的引入交流接觸器，中、小容量的交流接觸器，可采用單片機系統(tǒng)對接觸器的起動、保持、分斷過程實現(xiàn)優(yōu)化控制，尤其實現(xiàn)了無弧、少弧分斷，大大提高了接觸器的

13、電壽命，實現(xiàn)了交流接觸器技術的重大突破。大容量交流接觸器其分斷電弧能量大，機構分散性大，動作不穩(wěn)定，對零電壓接通、同步分斷(電流零點分斷控制)造成極大困難而無法實現(xiàn)。為了解決這個難題，必須將人工智能等技術引入接觸器的控制中，保證大容量交流接觸器實現(xiàn)零電壓接通、無弧或少弧分斷，提高其性能指標，實現(xiàn)接觸器控制技術的新突破。 在現(xiàn)有智能交流接觸器基礎上研制成功的帶通信功能的新型交流接觸器，將微處理器和計算機技術應用于交流接觸器產(chǎn)品中，實現(xiàn)與中心計算機之間的雙向通信，為智能低壓電器網(wǎng)絡系統(tǒng)打下了良好的基礎。主控計算機即可以顯示智能交流接觸器的工作狀態(tài)信息，又可控制交流接觸器的接通和分斷狀態(tài)，從而實現(xiàn)了

14、遠程控制，大大提高了應用場合的智能化程度。1.2 本課題研究的發(fā)展前景隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼材料性價比的不斷提升，以及電力電子器件的進一步發(fā)展，永磁操作機構的智能交流接觸器將得到更廣泛的應用。隨著微電子技術、微處理器技術和微機通信技術的不斷發(fā)展，永磁操動機構的智能交流接觸器，將會發(fā)展成為兼有監(jiān)測、保護、控制和通信功能的智能化、節(jié)能型、高可靠性的開關電器裝置。而隨著信息、網(wǎng)絡技術的發(fā)展，永磁操動機構的智能交流接觸器將與中央控制計算機進行雙向通信，成為監(jiān)控、保護與信息傳遞的網(wǎng)絡系統(tǒng)的一部分，使智能交流接觸器的發(fā)展進入可通信、網(wǎng)絡化的新時代。 永磁操動機構的智能交流接觸器以其

15、高效節(jié)能無聲運行、不斷完善的功能、小型化的體積有著十分良好的發(fā)展前景，必將得到更廣泛的應用。1.3 本課題的研究背景和意義 本課題的研究背景是優(yōu)秀青年科學研究基金項目，該項目主要研究永磁操動機構的交流接觸器。接觸器作為控制電能的開關電氣元件被廣泛地應用于工業(yè)電氣系統(tǒng)中，其性能的好壞將影響電氣設備的安全和可靠運行。接觸器的主要功能體現(xiàn)在觸頭的分、合動作上，而分、合動作又是通過操動機構來實現(xiàn)，因此操動機構工作性能的優(yōu)劣，對接觸器的可靠性起著重要的作用。據(jù)統(tǒng)計傳統(tǒng)的電磁操動機構的故障是造成接觸器故障的主要原因。因此，研究高可靠性的操動機構對電氣設備的安全穩(wěn)定運行具有重要的意義。同時本課題研究的基于永

16、磁操動機構的智能接觸器還實現(xiàn)了漏電、欠壓、過壓、過載、短路等故障保護，并具有通信功能。 本課題研究的基于永磁操作機構的智能交流接觸器與傳統(tǒng)電磁式操動機構的交流接觸器相比具有以下優(yōu)點：a. 接觸器永磁操動機構較其它機構的最大優(yōu)勢就是非常經(jīng)久耐用，解決了操動機構的可靠性問題，同時又不受網(wǎng)電壓干擾。b. 接觸器永磁操動機構，采用永磁作為保持力，不會產(chǎn)生傳統(tǒng)操動機構因線圈長時間得電而造成的線圈燒毀，以及由于電壓降低而產(chǎn)生的震顫噪聲。 c. 節(jié)電效率高，運行安靜，無交流噪音，不受灰塵、油污影響。 d. 永磁操動機構結構簡單，分合閘線圈的勵磁電流產(chǎn)生的磁場與永久磁鐵產(chǎn)生的磁場直接驅動動鐵心分合閘，因而可控

17、性更強。e. 由于我國永磁材料的資源豐富，開發(fā)高磁場永磁材料具有得天獨厚的條件。目前，我國制造的永磁材料的特性已達到了世界先進水平，并具有較先進的加工制造能力和成熟的應用經(jīng)驗。因此，永磁操動機構的智能交流接觸器在我國前景十分廣闊。1.4 本課題的難點及主要的關鍵問題a. 永磁操動機構的設計是整個課題的難點，它涉及的知識點多，而且應用的輔助設計工具也多，包括磁路、場的數(shù)值計算方法，材料的選用等等。在計算中還需引入一些修正系數(shù)，需要進行大量的試驗和仿真來確定這些系數(shù)。b. 永磁操動機構的分、合閘特性分析涉及到電路、磁場、動鐵心運動耦合問題的求解，針對以上問題建立數(shù)學模型并用計算機進行數(shù)值求解，是本

18、課題的關鍵。1.5 本課題研究的內容本課題的研究內容主要包括以下幾方面：a. 永磁操動機構的結構設計并進行靜態(tài)特性分析。b. 永磁操動機構動態(tài)特性分析并利用ANSYS軟件仿真。c. 永磁靜態(tài)保持力的計算結果分析并與仿真結果進行比較。2 永磁材料與永磁操動機構永磁材料作為永磁操動機構的重要組成部分，其性能直接影響永磁操動機構磁路和外形尺寸的設計，同時也影響永磁操動機構的性能指標和工作特性。永磁操動機構形式多樣，原理上也有一定的差異，各種永磁操動機構均有各自的優(yōu)、缺點，設計者應根據(jù)工程實際合理地加以選用。2.1 永磁材料 隨著社會的發(fā)展，永磁材料的應用越來越廣泛。永磁材料(也叫硬磁)被外磁場磁化(

19、充磁)后，它的周圍就會建立一個恒定磁場，利用這一恒定磁場產(chǎn)生永磁機構的保持力。了解永磁材料對研究永磁機構具有重要意義。衡量永磁材料的質量標準主要有以下三個參量：剩磁Br（Residual Induction）從飽和狀態(tài)去除磁場后，剩余的磁通密度，代表了磁鐵對外所能提供磁場強弱。矯頑力Hc（Coercive Force）就是把磁體放在一個反向外加磁場中，當外加磁場增加到一定強度時磁體的磁性就會消失，把這個抵抗外加磁場的能力稱為矯頑力，代表了衡量抗退磁能力。磁能積BHmax就是單位體積材料所產(chǎn)生的磁場能量，是磁鐵所能存儲能量多少的一個物理量。永磁材料種類多，目前常用的永磁材料有鋁鎳鈷永磁材料、鐵氧

20、體永磁材料、稀土類永磁材料等。鋁鎳鉆永磁材料是最早被廣泛應用的永磁材料，它的剩余磁感應強度值高，溫度系數(shù)低。鐵氧體永磁材料是繼鋁鎳鉆永磁材料之后興起的又一大類永磁材料，目前常用的有鋇鐵氧體永磁材料和腮鐵氧體永磁材料兩類。這種永磁材料的優(yōu)點是矯頑力值較高，可達300KA/m，而且價格低廉。在二十世紀六十年代中期出現(xiàn)被稱為“三高”的稀土永磁材料是永磁材料領域的又一次重大突破。它既具有鋁鎳鉆永磁材料的剩余磁感應強度高的優(yōu)點，又具有比鐵氧體永磁材料矯頑力大得多的優(yōu)點，其最大磁能積也很高。同時還具有直線型退磁曲線，不易退磁，性能穩(wěn)定等優(yōu)點。二十世紀八十年代，日本研制出了被譽為“永磁之王”的釹鐵硼稀土永磁

21、材料。隨后，我國一些科研單位、大專院校相繼也成功研制了釹鐵硼永磁材料，其性能達到或接近世界先進水平。釹鐵硼永磁材料工業(yè)產(chǎn)品室溫下的性能為剩余磁感應強度可達1. 29T，矯頑力可達987KA/m，最大磁能積達318KJ/。另外，這種永磁材料的退磁曲線基本呈線性，所以它是用來制造永磁機構的理想材料。然而，釹鐵硼永磁材料中含有大量的鐵元素，因此很容易氧化、銹蝕。這樣就增加了這種材料制造的復雜性，從而使其造價提高。釹鐵硼永磁材料的不足之處是居里溫度較低，一般僅有312，溫度系數(shù)較高，一般Br的溫度系數(shù)在0.123%/?？梢娾S鐵硼永磁材料的熱穩(wěn)定性較差，溫度上升時，這種永磁材料的內稟矯頑力急劇下降，當溫

22、度上升到一定溫度時，其退磁曲線下部開始彎曲。這一點必須引起我們的注意，以免由于考慮不周而造成設計的失敗。釹鐵硼永磁材料的機械加工技術較成熟，為了提高機械加工性能，近年來又研制了粘結釹鐵硼永磁材料。這種粘結釹鐵硼永磁材料的特點是加工性能好，并且直接成型(磁極和鐵心一體)。2.2 永磁操動機構永磁機構就實質而言，是用永磁體實現(xiàn)合閘保持和分閘保持(有時只用永磁體作合閘保持而不作分閘保持)的一種新型操動機構。目前國內西安交通大學和河北工業(yè)大學等，對永磁操動機構的交流接觸器的做了一些研究，并采用ANSYS等有限元軟件分析了接觸器的動態(tài)吸反力特性，為優(yōu)化接觸器結構和參數(shù)提供了一定的理論依據(jù)；國內一些專家、

23、學者也針對永磁機構的接觸器申請了一些專利，為以后的設計和研發(fā)提供了一定的啟發(fā)和指導。 當前接觸器的永磁機構大體可分為三種：單線圈單穩(wěn)態(tài)式永磁機構、雙線圈雙穩(wěn)態(tài)式永磁機構和電磁斥力分閘永磁機構。所謂單穩(wěn)態(tài)就是依靠永久磁鐵保持合閘一個狀態(tài)，而雙穩(wěn)態(tài)就是依靠永久磁鐵保持分、合閘兩個狀態(tài)。2.2.1 單線圈單穩(wěn)態(tài)永磁機構單線圈單穩(wěn)態(tài)永磁機構接觸器是一種利用電磁吸力完成分合閘操作、分閘狀態(tài)和合閘狀態(tài)均不需電流的永磁機構接觸器，其結構如圖2.1所示。 1-動鐵芯 2-靜鐵芯 3-永久磁鐵 4-線圈 5-反力彈簧 6-塑殼 7-觸頭彈簧 8-靜觸頭 9-動觸頭圖2.1 單線圈單穩(wěn)態(tài)永磁機構接觸器結構簡圖該結

24、構的接觸器利用分閘位置時，動靜鐵芯間大的氣隙，使得彈簧的反力大于永久磁鐵產(chǎn)生的吸力，從而維持分閘；合閘時，串聯(lián)線圈通正向直流，使動靜鐵芯間的電磁吸力增加，動鐵芯向下運動直至保持位置；此時氣隙減少至最小，永久磁鐵產(chǎn)生的磁吸力大于彈簧反力，斷掉線圈電流，接觸器即可保持在合閘位置；分斷時，給串聯(lián)線圈通反向電流，使線圈產(chǎn)生的磁場和永久磁產(chǎn)生的磁場互相抵消，在彈簧反力的作用下，接觸器完成分閘。 2.2.2 雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機構接觸器雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機構接觸器分別設立了分閘線圈和合閘線圈。其結構如圖2.2。1-下靜鐵芯 2,3-合閘線圈 4-動鐵芯 5-永久磁鐵 6,7-分閘線圈 8-上靜鐵芯 9-塑殼

25、10-動觸頭 11,12-靜觸頭 13-觸頭彈簧圖2.2 雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機構接觸器簡圖這種結構的接觸器處于分閘位置時，動鐵芯和上靜鐵芯的氣隙最小，動鐵芯受到的永久磁鐵產(chǎn)生的向上的磁吸力足以使接觸器保持在分閘位置而不需電流；合閘時，分閘線圈通反向電流，合閘線圈通正向電流，由于沒有反力彈簧，當動鐵芯受到的向下的電磁力與重力之和大于受到的向上的電磁力時，開始合閘。合閘后，動鐵芯和下靜鐵芯的氣隙最小，永久磁鐵產(chǎn)生的向下的磁吸力足以使動鐵芯克服觸頭彈簧的反力，使接觸器保持在合閘位置，分閘和合閘線圈中沒有電流；分閘時，合閘線圈通反向直流，分閘線圈通正向電流，動鐵芯受到向上的電磁力和觸頭彈簧的作用力，從而

26、完成分閘過程。2.2.3 電磁斥力分閘永磁機構接觸器電磁斥力分閘永磁機構接觸器是一種具有失壓保護功能的永磁接觸器，其結構如圖2.3。 1-永久磁鐵 2-動鐵芯 3-靜鐵芯 4-線圈 5-反力彈簧 6-塑殼 7-觸頭彈簧 8-靜觸頭 9-動觸頭圖2.3 永磁機構接觸器的結構簡圖 該機構的分合閘過程與單線圈單穩(wěn)態(tài)永磁機構相同。只是合閘保持位置時，永久磁鐵產(chǎn)生的電磁吸力小于彈簧反力，但兩者差不多，線圈中需要一定的維持電流，即使線圈電流和永久磁鐵的電磁合力大于彈簧反力，從而保持合閘。正因如此，當接觸器在合閘位置出現(xiàn)失壓故障時，線圈即失去電流，此時永久磁鐵對動鐵芯的吸力，小于彈簧反力，在彈簧反力作用下自

27、然完成分閘，因而不需要失壓保護電路就具有失壓保護功能，這是其獨特之處。 2.2.4 現(xiàn)有各種永磁操動機構優(yōu)缺點比較從上述工作原理可以看出單線圈單穩(wěn)態(tài)永磁機構結構簡單，在分、合閘位置時線圈中不需電流，因此具有良好的節(jié)能效果。但在合閘位置永久磁鐵產(chǎn)生的磁力大于彈簧反力，當線圈電源發(fā)生故障時接觸器無法分斷，接觸器必須具有失壓保護裝置。雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁機構接觸器也具有良好的節(jié)能效果，但由于采用雙磁路，操作機構體積較大，由于采用雙線圈，控制電路需要兩套電源輸出，增加了成本，控制難度加大，同時也不具有失壓保護功能。電磁斥力分閘永磁機構雖然具有失壓保護功能，但節(jié)電效果要受到一定的影響?；诖?，本文在對現(xiàn)有經(jīng)

28、驗和理論進行借鑒和吸收的基礎上，并參照西安交通大學榮命哲等學者對永磁接觸器的研究，提出了一種新型永磁操動機構的智能交流接觸器。2.2.5 新型雙線圈單穩(wěn)態(tài)永磁機構的智能交流接觸器這種新型的雙線圈單電源供電的單穩(wěn)態(tài)永磁機構，具有良好的節(jié)能效果，只需簡單的控制電路即可實現(xiàn)失壓保護功能。其結構如圖2.4。 1-永久磁鐵 2-動鐵芯 3-靜鐵芯 4-觸頭彈簧5-反力彈簧 6-塑殼 7-動觸頭 8-靜觸頭 9-合閘線圈 10-分閘線圈圖2.4 新型雙線圈單穩(wěn)態(tài)永磁機構智能交流接觸器簡圖其工作過程如下，接觸器處于分閘位置時，由于動鐵心與永久磁鐵見氣隙較大，靠彈簧反力即可維持在分閘位置；合閘時，合閘線圈通直

29、流電，產(chǎn)生同永久磁鐵磁場相同方向的磁場，使動靜鐵芯間電磁吸力增加，動鐵芯向下運動直至保持位置，完成合閘；此時氣隙較小，永久磁鐵產(chǎn)生的磁吸力大于彈簧反力，斷掉合閘線圈電流，依靠永久磁鐵產(chǎn)生的磁力，即可保持在合閘位置；分斷時，給分閘線圈通電，產(chǎn)生與永久磁鐵反向的磁場，二者互相抵消，動鐵芯在彈簧反力作用下，完成分閘過程。在合閘位置當線圈電源發(fā)生故障時，雖然永久磁鐵產(chǎn)生的磁力大于彈簧反力，但是單片機檢測到故障時會立即觸發(fā)開關管，使分閘線圈與儲能電容接通，使接觸器完成分斷。這種雙線圈單穩(wěn)態(tài)永磁機構的智能交流接觸器接觸器融合了傳統(tǒng)電磁式接觸器和現(xiàn)有永磁機構接觸器的結構特點，因而具有更加鮮明的技術特點。a.

30、 在分合閘狀態(tài)中，分閘線圈和合閘線圈均不需帶電，靠永磁力即可保持，因此節(jié)電效果非常明顯。b. 更高的安全性，具有失壓保護功能；線圈不發(fā)熱，由于分合閘線圈在接觸器運行時均不帶電，所以無發(fā)熱源，可避免線圈的燒毀。c. 結構簡單、可控能力強，通過智能化的電氣控制可使接觸器觸頭獲得高的剛分速度，降低觸頭損耗，提高電壽命。d. 采用高磁能積的永久磁鐵，減小了整個操動機構的尺寸，因此有助于實現(xiàn)接觸器的小型化，同時降低材料消耗。2.3 本章小結本章主要是對現(xiàn)有的電磁操動機構和永磁操動機構進行了分析和比較。對電磁操動機構的工作原理和運行中存在的問題進行了闡述；對現(xiàn)有的典型永磁操動機構的工作原理和優(yōu)缺點進行了比

31、較分析，并提出了一種新型永磁操動機構的智能交流接觸器。3 智能交流接觸器永磁操動機構的結構設計3.1 永磁操動機構設計前處理 交流接觸器是一種適用于遠距離頻繁地接通和分斷交流電路及大容量控制電路的電器。它主要用作控制交流感應電動機的起動、停止、反轉、調速，并與熱繼電器或其它適應的保護裝置組合，保護電動機可能發(fā)生的過載或斷相，也可用于其它電力負載如電熱器、電照明、電焊機、電容器組等。本文是基于CJ20-10交流接觸器進行改進的永磁操作機構的智能交流接觸器。CJ20-10交流接觸器適用于交流50HZ主回路額定電壓380V/660V，額定電流至10安的電力系統(tǒng)中，接通與分斷線路及啟動和控制交流電動機

32、用。CJ20-10的主要技術經(jīng)濟指標有：a. 主要技術指標最高額定工作電壓：660V額定工作電流：380V AC-3、10A約定發(fā)熱電流：12A控制電動機功率：380V、660V、4KW機械壽命：1000萬次電壽命：AC-3 100萬次 AC-4 4萬次操作頻率：AC-3 1200次/h、AC-4 300次/hb.經(jīng)濟指標外形安裝尺寸、重量、用銀等必須和國外同類產(chǎn)品接近。 由于本文是針對CJ20-10交流接觸器進行改進的永磁操作機構的智能交流接觸器的設計，所以觸頭及滅弧系統(tǒng)的參數(shù)等，可參照經(jīng)驗數(shù)據(jù)及低壓電器設計手冊，文中不再做詳細敘述。3.2 永磁操動機構的結構設計3.2.1 永久磁鐵的工作狀

33、態(tài)和工作點的確定永久磁鐵的工作狀態(tài)有兩種:一種為工作點位于祛磁曲線上，另一種為工作點位于回復線上。前者有時稱為靜態(tài)式，后者稱為動態(tài)式。永久磁鐵的工作點位于祛磁曲線上：必須指出，只有在工作過程中磁路內的磁阻(主要取決于氣隙磁阻)不變，并且磁系統(tǒng)在工作過程中無祛磁效應(電流祛磁或磁導祛磁)，永久磁鐵才能可靠地工作于祛磁曲線上。 永久磁鐵的工作點位于回復線上：大多數(shù)電器產(chǎn)品中，永久磁鐵的工作點都位于回復線上，因為工作在祛磁曲線上很容易受到磁阻的變化(例如，工作氣隙的變化)和外界磁場的干擾而改變其工作點，如圖3.1。 圖3.1 干擾磁場或磁阻變化對工作點的影響假定永久磁鐵原來工作于祛磁曲線上的A點，其

34、磁感應強度為。如果有一干擾磁場或工作氣隙發(fā)生了變化，使永久磁鐵祛磁，導致工作點沿祛磁曲線下降至C點，那么當此干擾磁場消失后或工作氣隙又恢復到原來的狀態(tài)，永久磁鐵的工作點不會再回到A點，而是上升到點，此時磁感應強度為?？梢?，在干擾磁場作用后或工作氣隙發(fā)生了變化，永久磁鐵的磁感應強度由下降為，因而使工作氣隙中的磁通發(fā)生變化。為了使永久磁鐵的工作點不受外界干擾磁場或工作氣隙的變化的影響，往往在裝配后要對磁鐵進行一次所謂“交流去磁”的處理，使永久磁鐵工作于一條穩(wěn)定的回復線上。經(jīng)過這樣處理后，永久磁鐵的工作點將處在回復線C上，只要外界干擾磁場不大于C點處的磁場強度，永久磁鐵的工作點就不至于降到C點以下。

35、而是穩(wěn)定地處于回復線C上，磁通也不會再有所減少。永磁機構中永久磁鐵的工作點在不斷地變化，機構在合分閘過程中，永磁機構的動鐵心在不斷地從合閘位置運動到分閘位置，永久磁鐵的磁路的磁阻不斷地發(fā)生著變化，因此，永久磁鐵不可能工作在祛磁曲線上，而是工作在回復曲線上，其永磁體也要做以上的處理，使永久磁鐵工作于一條穩(wěn)定的回復曲線上。這樣在保證激磁線圈產(chǎn)生的反向磁場不大于永磁體的矯頑力，永久磁鐵的工作點就能穩(wěn)定地工作在其回復曲線上，永久磁鐵的磁性也就不會發(fā)生永久性的改變。 本文采用釹鐵硼永磁材料，其磁能比一般永磁材料的磁能大許多，矯頑力也很大，磁化曲線基本上為一條直線，祛磁曲線也幾乎是一條直線,而且回復曲線與

36、祛磁曲線基本重合，這些特點對永磁操動機構的設計都十分有利。永磁體的具體工作點在實際設計計算中是難以確定的，通常都是采取經(jīng)驗值，并通過計算永磁操動機構中的磁路來確定。在一些關于永磁操動機構設計的文獻中，也有采用最大磁能作為設計依據(jù)，并根據(jù)永磁體的Br來確定工作點。本文永磁體工作點的確定是根據(jù)永磁操動機構的具體結構形式及現(xiàn)有經(jīng)驗來選取的。3.2.2 磁路法進行永磁機構的靜態(tài)特性計算在實際永磁機構設計時，必須保證永磁機構的合閘保持力足以克服反作用彈簧和觸頭彈簧的反力。參照電磁式接觸器經(jīng)驗數(shù)據(jù)分析結果，可確定每相觸頭初、終壓力以及反作用彈簧力的大小，得到其合力，從而為確定合閘保持力提供依據(jù)。永磁磁路在

37、工作過程中，氣隙磁場(或磁通)不變化的磁路，稱為靜態(tài)磁路。計算機構的保持力，就是計算永磁機構的靜特性。圖3.2為本文新型永磁機構處于合閘狀態(tài)的結構簡圖。圖3.2 永磁機構合閘狀態(tài)的結構簡圖根據(jù)并考慮安全系數(shù)得到合閘保持力F，由麥克斯韋公式： （3.1）求得S。式中：F動鐵心所受的永磁吸力，其大小根據(jù)反作用彈簧和觸頭彈簧的反力來確定；B為動鐵心端面氣隙的工作磁密；S為動鐵心的端面積； 為空氣的磁導率，?？梢姡珺數(shù)值大小的選取很為重要，因為它決定著動鐵心端面積的確定，從而影響整個機構尺寸的確定。為了便于分析和計算，作以下假定：a. 認為磁場分別在動鐵心、靜鐵心及永久磁鐵的截面上均勻分布。b. 動鐵

38、心在合閘位置時，它與永久磁鐵看起來是緊密接觸的，由于制造工藝的原因零件表面是粗糟的，實際上存在一個小間隙，如圖3.2中的氣隙1，設長度為。c. 當動鐵心在合閘位置時，由于漏磁影響很小，可以忽略。由于永磁機構在合閘位置時，氣隙很小，磁路基本處于閉合狀態(tài)，動鐵心中的磁場基本處于飽和狀態(tài)，一般情況下，動鐵心中的磁通密度取1.8-2.OT之間，對于電工純鐵材料（本文為DT4），磁場在1.8T以上時，已經(jīng)接近于飽和狀態(tài)，此時，鐵磁材料磁阻較大。另外，由于磁路基本處于閉合狀態(tài)，氣隙較小，氣隙的磁阻較小，鐵磁材料的磁阻與氣隙的磁阻的大小可以比擬，因此，如果忽略了鐵磁材料的磁阻，就會引起較大的誤差。圖3.3是

39、其磁路圖，磁路中包括三部分，動鐵心、氣隙部分和永久磁鐵與靜鐵心部分。加工制作時，使靜鐵心與永磁鐵直接接觸，氣隙可忽略。圖中表示的是磁動勢和磁位降。圖3.3 等效磁路圖根據(jù)磁路基爾霍夫第二定律，磁路中各處的總磁動勢的代數(shù)和等于各部分的磁壓降的代數(shù)和，即 （3.2）式中左邊表示永久磁鐵的磁動勢，為鐵磁材料的磁場強度，它與鐵磁材料的工作點有關；為鐵磁材料沿NS磁極方向的長度，等式右邊第一項表示各部分鐵磁材料所產(chǎn)生的磁位降，第二項表示各部分氣隙產(chǎn)生的磁位降，圖3.3為永磁機構的等效磁路圖。圖中所示，為磁位降。其中，氣隙長度，為磁通通過的有效截面積，空氣導磁率。根據(jù)圖(3.3)和式(3.2)可以得: （

40、3.3）式中為動鐵心平均磁場強度；為動鐵心平均長度；為靜鐵心平均磁場強；為靜鐵心的平均長度；為氣隙的截面積；為氣隙的磁感應強度，也近似等于動鐵心中的磁感應強度；為氣隙長度；、為氣隙的磁阻，則有： （3.4）顯然氣隙的磁阻。 （3.5） （3.6） 在上邊各式中，與之間的關系可以根據(jù)鐵磁材料的磁化曲線獲得，與之間的關系可以根據(jù)永久磁鐵的退磁曲線獲得。但由于鐵磁材料的非線性，無法從式中求出鐵磁材料的磁場強度和永久磁鐵中的工作點的位置，此時，則需要采用迭代法進行求解。先設一個，由式（3-5）求出，由式（3.4）求出，根據(jù)動鐵心的材料特性，查出材料所對應的B-H磁化曲線，求出。根據(jù)，同時根據(jù)永久磁鐵的

41、退磁曲線求出永久磁鐵的磁場強度。由于靜鐵心與永久磁鐵的磁通和截面積都相同，所以磁感應強度也相同即為，靜鐵心的磁場強度，由靜鐵心材料所對應的B-H磁化曲線求出。根據(jù)式（3.3）求出，即由，求出，再根據(jù)動鐵心材料所對應的B-H磁化曲線求出。比較與，如果二者差值在所規(guī)定的誤差范圍內，則認為就是所求的值。如果二者差值超過了誤差范圍，再將作為下一步計算的初試值進行迭代計算，直到與差值小于所規(guī)定的誤差，此時，可以認為所求出的為永磁機構動鐵心中的磁感應強度。根據(jù)式（3.1）,就可以求出合閘保持力。 用等效磁路法計算的值存在一定的誤差，但對于實際工程設計，計算值可以作為一個參考數(shù)據(jù)，用來對永磁機構的合閘保持力

42、進行近似計算，以指導設計。本文永磁操動機構動、靜鐵心和永磁體選材如下表所示。表3.1 永磁操動機構選材表元件材料型號永久磁鐵 動鐵心靜鐵心釹鐵硼電工純鐵電工純鐵NTP-256HDT4DT43.3 永磁操動機構靜態(tài)磁場分布特性 隨著計算機技術的發(fā)展，使得用數(shù)值計算方法來求解磁場問題得到了迅速的發(fā)展?，F(xiàn)在對電磁場的計算最有效的方法是有限元數(shù)值計算，由于永磁磁場可以不含電流區(qū)域，而且磁體的充磁方向任意，所以它與電磁場的計算有所不同。本文采用離散化場的方法，直接考慮體積磁化強度的有限元法討論具有任意充磁方向的永磁磁場的計算。 有限元法FEM (Finite Element Method)的基本原理是將

43、復雜的的場空間看成由有限個單元組成的整體，然后對每個單元進行分析，得出單元的方程式，在此基礎上，將所有單元綜合進行總體合成，建立系統(tǒng)的聯(lián)立方程組。有限元算法的幾何剖分靈活能，能有效地解決區(qū)域形狀不規(guī)則的問題，可用統(tǒng)一的格式處理各種單元和不同的邊界條件，能編制成通用的計算機程序。有限元中的系數(shù)矩陣一般是對稱、稀疏陣，計算時便于節(jié)約內存。從工程和物理的角度看，有限元法是把連續(xù)性問題變?yōu)殡x散問題并求解的一種方法；從數(shù)學角度看，有限元法是把偏微分方程變換為代數(shù)方程并求解的一種方法。有限元法對于非線形問題及多媒質材料和機構參數(shù)復雜的問題均十分有效，已經(jīng)在實際問題中得到了廣泛的應用。3.3.1 永磁磁場基

44、本方程組由于機構中存在具有飽和效應的鐵磁材料，磁導率是磁感應強度B的函數(shù)，即 （3.7）其中為矢量磁位由麥克斯韋方程組可推得非線性磁場的偏微分方程為 （3.8）其中為源電流密度。 對于方形永磁機構，忽略端面效應時可采用二維平面場計算。在平面坐標系(, )下，(3.8)式可展開為：+= (3.9) 邊界條件為 ；=式中為磁場強度的切向分量；為邊界法向方向的單位向量。采用二維場域計算時，和均為只有一個方向的分量。3.3.2 永久磁體模型的處理 由于機構中存在永磁體，永磁體提供機構保持在合閘位置所需的動力，進行磁場分析計算首先要建立永磁體的數(shù)學摸型。 a. 經(jīng)預先磁化的永磁體，不但具有剩余磁化強度，

45、而且還能被外磁場磁化，其特性滿足： (3.10)式中永磁體工作點的磁場強度；永磁體工作點的磁感應強度；永磁體的感應強度，是永磁體工作點磁場強度的函數(shù)，即=。其中永磁體磁化系數(shù)，它與相對回復磁導率之間存在固定關系=1+。因而=(-1)，將其代入式(3.10)得=+ (3.11)b. 電流與磁場的基本關系表明，任何磁場都可以認為是分布電流產(chǎn)生的。由于永磁操動機構中永磁體被均勻磁化，永磁體內部各點上的剩余磁化強度的大小及方向都相同，永磁體內的等效體電流密度為零，因此，永磁體可等效為一個在平行于的永磁體側面上，存在一層等效面電流，這是由于永磁鐵與其以外區(qū)域的交界面上，出現(xiàn)不連續(xù)。等效面電流可用面電流密

46、度來表示： （3.12）式中永磁體側面外法向單位向量。在模擬永磁體的等效面電流層與其他媒質的交界處，滿足以下交界條件: （3.13） 計算前，令等效的面電流密度=，(為永磁體磁感應強度矯頑力)3.4 本章小結本章對永磁體的工作狀態(tài)和工作點進行了分析，利用磁路方法進行了永磁機構的靜態(tài)特性計算，針對永磁操動機構的主要結構進行了研究和設計，給出了一些具體的計算步驟，并對永磁操動機構的靜態(tài)磁場分布特性進行了分析和研究。4 永磁操動機構的動態(tài)仿真分析永磁機構動態(tài)特性是由電磁和機械綜合的過渡過程決定的，或者說是由電磁吸力和負載反力配合過程決定的。研究永磁機構的動態(tài)過程的目的在于：一是可以計算機構的動作時間

47、，進而計算開關觸頭的動作時間及觸頭的運動速度；二是確定動作過程中吸力與反力的合理配合，使之既保證動作的可靠性，又能改善機械碰撞，提高電氣和機械壽命。對于接觸器而言，為了保證有效熄弧，觸頭的動作速度應適當快些，這就要求在規(guī)定的行程下，機構動鐵心要有較高的運動速度。但是這將引起碰撞能量的增加，對電氣和機械壽命的提高不利。由此可見，加快動作與減輕碰撞兩個技術要求是有矛盾的，必須在研究動態(tài)過程中統(tǒng)籌考慮，所以精確地計算與分析永磁機構動特性，對合理設計永磁操動機構有著重要的理論和現(xiàn)實意義。4.1 永磁機構動態(tài)分析數(shù)學模型的建立對于永磁機構，可以采用兩種不同的勵磁方式，如圖4-1所示。其中圖4.1a）為直

48、流電壓勵磁下的電路簡圖，b）為用充電電容放電時的勵磁電路。 a)直流勵磁電路 b)電容放電勵磁圖4.1 勵磁電路永磁機構的動態(tài)特性的計算相當復雜，必須將永磁機構的電路方程、動力學方程以及永磁機構中的磁場變化綜合起來考慮。永磁機構的動態(tài)過程，在電路上必須遵循電壓平衡方程，在運動上必須遵循達朗貝爾運動方程，在磁場上必須遵循麥克斯韋方程，以及在熱路上遵循熱平衡方程，這些方程間存在相互的聯(lián)系，構成了描述動態(tài)過程的微分方程組。對于直流電壓勵磁下的機構，計算動特性的微分方程組見式(4.1)。對于充電電容放電勵磁下的機構，其計算動特性的微分方程組見式(4.2)所示 。 (4.1) (4.2)式中，是直流電壓

49、，是電容兩端電壓；分別是線圈電流和電磁系統(tǒng)全磁鏈；是時間；是系統(tǒng)運動部件歸算到鐵心處的質量；是動鐵心位移；,分別為鐵心受到的電磁吸力和運動反力，彈簧負載反力是位移的函數(shù)，而空氣阻力則是速度的函數(shù)；是電磁系統(tǒng)的磁能，是i的函數(shù)；, 分別為線圈工作溫度和周圍環(huán)境溫度；是永磁機構的功耗；是電容的電容量；, 分別為線圈外徑和高度。 （4.3） (4.4)由上述方程組可以看出，永磁機構動態(tài)過程包含著電、磁、熱和機械參量的變化，其中以熱的變化最小，主要由于動態(tài)過程歷時極短(一般機構的動作時間為幾十毫秒)，電磁系統(tǒng)又存在熱慣性，所以項極小，可忽略不計。為此動態(tài)微分方程組(4.1)、（4.2）可轉換為如下描述

50、機構吸合特性的狀態(tài)方程組(4.3)、(4.4)。式中，為動鐵心的運動速度。求解方程組(4.3)及（4.4）可以獲得永磁機構的動態(tài)特性。4.2 永磁機構動特性微分方程組的求解 (4.5)比較上邊兩式可知，兩種勵磁方式下的系統(tǒng)狀態(tài)方程組得差別僅在于電容兩端電壓變化dU/dt與電流i之間的關系。忽略鐵心中渦流，式(4.4)及其初值條件可以直接用數(shù)值法求解，將時間變量t離散化，用四階Runge-Kutta法求解，對每一時間步長t可以采用如式（4.5）的迭代格式。式中，、和（j=1,2,3,4）分別是內四個不同點上的變化率、，它們的計算公式為(4.6)式中，4.3 求解電磁場逆問題的算法 求解式(4.4

51、)的關鍵在于求解式(4.5)和式(4.6)問題，而式(4.4)中的變量i , 是在、以及都是給定的條件下的,的函數(shù)。因此，其求解實質是在已知磁系統(tǒng)的磁鏈和給定銜鐵位移的條件下，反求電流及吸力的問題。對于這樣一個電磁場反求問題可描述為如下一個一維搜索的數(shù)學問題: 設=f(i) (4.7)求，使 (4.8)式中，為已知值，函數(shù)為一非線性函數(shù)。對于這里需要解決的電磁場反求問題，由于與之間無明確的數(shù)學表達式，因而無法用解析的方法求解，只能采用數(shù)值解法。可采用收斂速度較快的牛頓法來求解電磁場逆問題，具體求解算法如下。對式(4.8)可變形為 (4.9)設函數(shù) (4.10)于是所要求解的一維搜索問題變?yōu)榍笫?/p>

52、 (4.11)采用牛頓法的迭代格式為 (4.12)當步長足夠小時，可用下式近似表示= = (4.13)把式（4.13）及（4.10）代入式（4.12），可得 (4.14) 當，(為預先給定的小正數(shù)即控制誤差)時，迭代終止，以作為近似最優(yōu)解。4.4 ANSYS軟件仿真分析 仿真方法在工程實際應用中具有指導意義，本文采用的ANSYS軟件可解決結構靜力、動力學，熱、電磁場，流體動力學和非線性等多學科有限元分析問題，其圖形輸出能清晰、直觀地反映計算結果。ANSYS軟件主要包括三個部分：前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。軟件工作流程，如圖4.2所示。前面已分析了永磁機構電、磁、運動耦合場的方程及求解

53、方法。在此基礎上，對接觸器永磁操動機構進行計算和相關的研究，以獲得反映接觸器動態(tài)特性的參數(shù)變化規(guī)律。所謂永磁操動機構的動態(tài)特性是指激磁電流不為零，即在永磁機構執(zhí)行開關狀態(tài)轉換的過程中，與永磁體共同形成的力學特性、運動特性、磁場分布特性和電流電壓變化特性，以及相互關系，它是永磁機構機械系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)、特別是電源與控制系統(tǒng)的設計基礎和性能的評判依據(jù)。圖4.2 電磁機構三維電磁場有限元分析總流程圖對于配永磁機構的接觸器，機構的出力特性并不是位移的簡單函數(shù)，在求解動特性時必須考慮永磁機構中磁場的變化及對出力特性的影響。也就是說，需在求解耦合場的基礎上進行動力學分析才能獲得觸頭的運動特性。進行接觸器永磁操動機構的動特性分析，大致可以分為以下幾個步驟：a. 進行前期的數(shù)據(jù)準備。包括對觸頭彈簧、反力彈簧的壓力特性、機構運動部件的質量、以及各零部件的尺寸等方面的研究與計算，獲得進行動態(tài)特性分析所必須的一些相關數(shù)據(jù)。b. 求解永磁機構動態(tài)特性。得出機構出力端的位移等參量與時間的關系，以及機構中電流等電磁參量與時間的關系。c. 通過仿真結果對系統(tǒng)進行研究。將得到仿真結果與理論計算結果進行比較，驗證計算的準確性。圖4.3 動鐵心B-H曲線參數(shù)的設置本文從