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摘要：现阶段国内使用的高压隔离开关大多都是加速或减速开关，不仅零件较多，成本较高，并且发生故障的概率较大。因此，为了提升隔离开关的安全性、可控性以及实用性，经过相关学者多年的探索和研究，设计出一种高压开关新型操动机构。本文主要对高压开关新型操动机构的设计原理、设计要求，以及定、转子结构的相关参数进行分析研究，希望能够为高压开关新型操动机构的设计、研究以及生产应用提供有价值的信息。
关键词：高压开关；新型操动机构；设计
前言
在科学技术不断发展的今天，各种新型的仪器设备被广泛的使用于各行各业。电机机构作为开关设备的主要组成部分，电机机构质量和相关性能的好坏直接关系到开关设备的使用期限和性能。现阶段传统的高压开关在使用过程中，存在很多电机构问题，例如，传动机构灵动性不足、输出力矩较小、合闸不到位以及自动化程度较低等，不能够更好的适应电力企业的运行要求。下面对高压开关新型操动机构的设计进行分析研究。
1.高压开关新型操动机构的设计
本文主要针对三柱式隔离开关的操动机机构的设计进行分析研究，如下图所示，图1为新型高压开关电机机构的原理图，图2为新型高压开关的总体图。这种新型的机构是利用电子器原件直接控制驱动隔离器的操作杆，当控制单元发出分合闸信号时，得到信号的电动机构就会实现分合闸操作。隔离开关的触头运动到分闸或者合闸位置时，相关信号就会传输到检测器上，控制系统就会发出停止信号，电动机机构发生停电停转，机构就完成了分闸、合闸操作。
图2 电机总体结构图
现阶段，使用的隔离开关的转速为4-10r/min，输出的力矩为1000N?m，目前，国内研究较多就是低转速的电动机50-90r/min，由于转速较低导致无法满足企业的使用要求。本文设计的高压开关新型操动机构是建立在永磁无刷直流电机的背景下，从而提出了低转速大力矩的电动机构。目前，国内使用的高压隔离开关工作时间较短，从电动机机构起始到停止只运转几秒钟，导致不能够把起动机的性能发挥到最大。因此，为了满足电力企业的运行要求，本文提供了电机的主要参数，例如，电磁负荷、总导体数以及长细避等参数的选取方法，从而使电动机的主要性能发挥到最大。
1.1新型操动机结构的设计
1.1.1新型操动机结构定子的设计
永磁无刷电机主要分为两相和三相导通两种工作方式，两相导通工作方式在运行过程中，其中只有一相绕组没有电流；三相导通工作方式在运行过程中，其中只有一相是接通电流的，另外两相接通的电流只有规定的一半；此外，绕组中通有的是正弦电流。通过这样改变绕组电流的形式，能够使绕组电流的电磁力矩达到最大。
当同一电极下绕组电流方向相同时，此时电机的输出力矩最大。但是随着电机转子的运转，当同一电极下有两股相同绕组电流时，电磁力矩就会相互抵消，电磁力矩就会逐渐减小。因此，为了避免电磁力矩减小，导致电动机性能降低的情况出现，采用相应的措施使部分绕组转换方向，使每一个电极下绕组方向尽可能保持一致。
其中电磁绕组分为几个换相单元，如果在运行过程中，一个绕组会经过另外一个绕组，然后再转到下一个绕组，这时可以通过改变电路绕组的方向从而产生方向电流，使电动机机构在稳定状态下输出。
1.1.2新型操动机结构转子的设计
转子励磁一般使用永磁体励磁，而不使用电励磁的主要原因有两个方面，（1）永磁体在运转过程中可以产生较大的磁通密度；（2）使用永磁体励磁结构，当没有励磁电流时，不仅可以减少无励磁损耗，还可以减少做无用功的情况出现，使转子的结构的维护保养更加简单有效。
永磁体励磁结构转子主要分为瓦性永磁体径向转子、矩形永磁体切向转子、环形永磁体径向转子以及矩形永磁体混合式磁化转子。（1）瓦性永磁体径向转子具有漏磁现象较少、极弧系数容易控制、电枢反应电感小以及机械性能较强等特点；（2）矩形永磁体切向转子具有漏磁现象较多、设计成本高以及机械特性较软，但是产生的磁通化较大；（3）环形永磁体径向转子和瓦性永磁体径向转子特点基本相同，不同的是极间有一些永磁体使用没有具体作用，但是精确度较高，且加工使用较为方便；（4）矩形永磁体混合式磁化转子具有径向磁化和切向磁化共同的特点，不仅机构复杂，而且生产成本较高。本文讲授的新型操动机结构转子设计为瓦性永磁体径向转子。
1.2新型操动机结构主要参数的选取
1.2.1电磁负荷参数的选取
对于两个相同功率的操动机，功率密度越高，输出功率的速度越快，电动机的体积越小。因此，我们可以通过提升电负荷、磁负荷以及提高极数等方法，达到提升电磁密度，减小电动机体积的目的。但是，同时要考虑随着电负荷的增加，电机的铜材料消耗就会增加；磁负荷的增加，电机的铁材料消耗就会增加，从而影响电动机的工作效率。因此，为了减小电机体积，电负荷可以选取2500-4000A/cm，并且可以使用高剩磁稀土永磁体，通过增加永磁体的厚度，从而提高气隙密度，那么磁负荷可以选取1-1.5T，大概是普通电磁设计的1.5倍。当增加永磁体厚度时，电枢电感就会随着降低，电枢电感的较小能够避免磁体的畸变，能够提升电机伺服性能和机械性能。增加电磁负荷和电机极数，能够增加电机的功率密度，减小电机的体积。
1.2.2总导线的数和绕组直径的选择
当电动机的体积相同时，能够确定铁心的长度，并且可以结合电磁负荷和输出力矩确定电机绕组的总匝数，新型操动机的电机总匝数可以选择为400-600之间，就能够满足隔离开关的转矩需求。此外，还可以根据电机的额定电流和外加电压，确定绕线圈的总电阻，并且能够根据电动机的结构和相关的实验数据得出，如果要想电动机的电流达到100A以上，绕线圈的电阻不能够大于1Ω。此时，能够根据电阻数和线圈长度，得到电阻的直径大于在1-1.3mm。
1.2.3气隙和极弧系数的选取
气隙作为电动机中电能的转换场地，当气隙磁导率较低时，气隙就会增大，同时气隙中的磁密度就会减小。此外，气隙越大，电枢反应对于磁场的影响就会越小，电枢磁势对于永磁体的影响就会越小，气隙就会越小，对于生产和安装的要求就越高。本文设计的新型操动机的气隙为1mm以内，极弧系数越大，电机的功率就越大，转矩的脉动就越小，本文设计高压开关操动机构的极弧系数为0.8。
1.2.4永磁厚度和电机体积的确定
电机所使用的磁体都是由永磁体产生的，因为，为了使电机中有足够的磁通和磁密度，永磁体的厚度就需要达到相应要求。对于磁路和电机结构的计算和分析，能够分析出气隙密度的大小。然后根据相应的计算结果，确定相应的永磁体厚度，使气密度达到设计要求，本文的电机设计永磁体的度控制在6-10mm之间。可以根据定子内径和气隙的大小，从而确定转子的内径。此外，为了避免齿部磁密度饱和情况的出现，通过磁路的计算结果能够确定齿部的厚度，最后根据齿部的厚度还可以确定定子和转子内径。
1.3操动机基槽配合的分析
根据电机的体积和磁路的计算结果，永磁体的极数可以选择2、4、6极。为了避免电机转子转动时间过长不出现转相，或者转矩输出较低的情况出现，可以将转子分成多相，达到及时更换的目的。但是，要主要绕组的数量不能太多，避免出现系统故障。为了解决上述问题，本文制定出4个不同的方案，从下表中可以看出四级三相和四级四项的性能较好。
2.操动机的仿真分析
通过上文的分析研究可以看出，结合电机运行磁场的分析计算结果，能确定相关电磁设计是否合理，既不发生饱和现象，也不出现饱和过低的现象，从而使相关材料能够充分使用，确保电机的各方面性能达到最佳。使用相关的模拟软件建立电机机构，根据相关的数据和条件对于磁场进行确定。在进行电机磁路设计时，使永磁体、气隙、定子和转子等形成一个闭合的磁路，避免漏磁现象的出现。
3.结束语
本文主要以高压隔离开关的操作要求为依据，提出了新型操动机构的设计原理、相关参数的选取要求以及注意事项，希望能够为智能电网的发展提供有价值的信息。
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论文作者:马占彪
论文发表刊物:《电力设备》2016年第17期
论文发表时间:2016/11/10
标签：永磁论文; 转子论文; 电机论文; 绕组论文; 机构论文; 就会论文; 高压论文; 《电力设备》2016年第17期论文;