一种磁阻隔离式双稳态永磁操动机构

本发明涉及开关设备，特别是一种磁阻隔离式双稳态永磁操动机构。

背景技术：

1、操动机构是断路器、接触器等开关电器工作的核心部件，操动机构的输出动作特性直接影响着整个开关电器的分合闸性能与寿命。随着直流输配电的蓬勃发展，开关电器对操动机构的分断能力及可靠性要求越来越高。传统电磁操动机构分合闸时间长、保持耗能高、结构复杂，难以满足故障时快速开断、保持时可靠节能、操控时灵活可靠等要求。

2、永磁操动机构是一种永磁保持、电磁操动的电器机构，相比于电磁及弹簧机构，它采用新的原理和思路，将电磁铁和永磁铁优势组合，具有结构简单、零部件少、可靠性高、动作速度快、保持耗能低等诸多优点，是电器操动机构的巨大进步。传统双稳态永磁操动机构在工作过程中，通过电磁场与永磁场的配合能够产生分闸方向的磁力，加快分闸速度，提高分闸能力。但双稳态永磁机构由于分合闸线圈共用磁路，导致其磁路中存在不稳定的平衡状态处，即“磁力死区”，动铁心只有在越过死区位置后，方能尽量加大激磁电流来提高分闸速度，同时由于两个线圈共用磁路，一个线圈产生的磁链会与另一线圈相交链，导致分合闸磁路相互耦合，制约着分闸速度的进一步提升。

3、另外，在中高压领域基于电磁斥力技术的机构相比于传统电磁及永磁机构，其分闸速度明显提升，但存在驱动效率低、瞬态电流大、缓冲控制困难等缺陷，难以小型化及精确控制，制约着其在低压领域的应用。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种磁阻隔离式双稳态永磁操动机构，利用“磁路饱和”原理，当电磁与永磁综合作用时，磁路中间部分的磁通达到饱和，永磁机构上下部分的磁路可近似视为相互独立，使机构从双稳态转变为单稳态，减少分合闸磁路间的相互耦合，进而实现分合闸磁路相对独立的控制，提高分合闸动作控制的灵活性。在分、合闸状态保持过程中，分、合闸线圈无需通电，永磁链在中间磁路部位不饱和，可最大限度的产生永磁力，仅依靠永磁体即可实现状态的可靠保持。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种磁阻隔离式双稳态永磁操动机构，包括同轴设置的树脂环、可替换磁路、分闸线圈、合闸线圈、永磁体、静铁心以及磁轭盖；还包括动铁芯和驱动杆；

3、当动铁芯处于底部分闸位置时，向合闸线圈通入电流，动铁芯在线圈电磁力的作用下向上运动，与动铁芯连接的驱动杆也一起向上运动；上驱动杆与灭弧室连轴一起压缩触头弹簧，因此当上驱动杆向上运动时会带着触头弹簧一起压缩灭弧室，使动静触头闭合；固定盖与操动机构底座通过螺杆将操动机构各部件固定在一起；操动机构组装部分先将线圈缠绕在线圈骨架上，再按照内部结构顺序将各部件叠放在底座上，最后放入动铁芯，加固安装顶盖与螺栓，线圈外电路通过静铁芯打孔将线圈导线引出。

4、在一较佳的实施例中，分闸保持状态时，分闸线圈、合闸线圈均不通电，磁路下端的分闸气隙远小于磁路上端的合闸气隙，因此分闸磁路的磁阻远小于合闸磁路的磁阻，永磁磁场走分闸磁路，此时磁路内只有永磁磁通，因此磁路处于不饱和状态，永磁体的磁通使机构所受的保持力达到最大。

5、在一较佳的实施例中，当要执行合闸操作时，给合闸线圈通正向电流，分闸线圈不通电，此时合闸线圈产生沿顺时针方向逐渐增大的磁通，使合闸磁路的磁通逐渐增大；合闸磁路产生的磁通与永磁体产生的磁通方向相反，逐渐削弱分闸磁路的磁通；当合闸磁路磁通产生的磁力超过永磁体磁通产生的磁力时，动铁心被触动，开始向上运动；此时中间磁路部分磁通仍未饱和，合闸线圈产生的电磁场有一部分从分闸工作气隙闭合，削弱永磁场，操动机构仍然属于双稳态机构。

6、在一较佳的实施例中，在操动机构合闸过程中，中间磁路由于导磁路径较窄，磁通更易饱和；当合闸线圈产生的电磁通达到一定大小且分闸气隙达到一定开距时，中间磁路磁通饱和，磁阻增大，操动机构将被隔离为两个相对独立的上下部分，因此操动机构由原来的双稳态转变为两个相对独立的单稳态；中间磁路饱和后，合闸线圈产生的磁通绝大部分只经过上部合闸磁路，从而大大削弱与分闸磁路的耦合，提高电磁与永磁的出力效率；

7、当机构到达合闸位置时，合闸线圈不再通电，合闸线圈产生的磁通消失，中间磁路退出饱和状态，机构重新由相对隔离的单稳态切换为双稳态，动铁心依靠永磁场继续维持在合闸状态；分闸线圈、合闸线圈均不通电，此时动铁心处于机构最上端，合闸气隙近乎为零，远小于分闸气隙，永磁场走合闸磁路。

8、在一较佳的实施例中，当要执行分闸操作时，给分闸线圈通正向电流，合闸线圈不通电，此时分闸线圈产生磁通，在分闸磁路中逐渐增大；分闸磁路产生的磁通与永磁体产生的磁通方向相反，逐渐削弱合闸磁路的磁通；当分闸磁路磁通产生的磁力超过永磁磁通产生的磁力时，动铁心被触动，开始向下运动；此时中间部分磁路仍未饱和，操动机构仍然属于双稳态机构；

9、在操动机构分闸过程中，中间磁路由于导磁路径原因更易饱和，当分闸线圈产生的电磁通达到一定大小且合闸气隙达到一定开距时，中间磁路磁通饱和，磁阻增大，操动机构由原来的双稳态转变为两个相对独立的单稳态；中间磁路饱和后，分闸线圈产生的磁通绝大部分只经过下部分闸磁路，从而削弱与合闸磁路的耦合，提高电磁与永磁的出力效率；

10、当机构到达分闸位置时，分闸线圈不再通电，分闸线圈产生的磁通消失，中间磁路退出饱和，机构重新由相对隔离的单稳态切换为双稳态，动铁心依靠永磁场维持分闸状态。

11、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该操动机构分合闸保持均靠永磁体实现，不需要对线圈进行通电，永磁磁链在两个稳态位置不饱和，能够提高永磁出力效率。在分合闸操动过程中，可通过磁路饱和状态的变化改变磁路磁阻，实现机构的单、双稳态切换，进而更易控制动铁心的分合闸速度。对比传统双稳态永磁机构，本发明通过磁阻隔离削弱了分合闸磁路间的耦合，提高磁场出力，整个过程可控性更强，便于实现更快的开断速度。

技术特征：

1.一种磁阻隔离式双稳态永磁操动机构，其特征在于包括同轴设置的树脂环、可替换磁路、分闸线圈、合闸线圈、永磁体、静铁心以及磁轭盖；还包括动铁芯和驱动杆；

2.根据权利要求1所述的一种磁阻隔离式双稳态永磁操动机构，其特征在于，分闸保持状态时，分闸线圈、合闸线圈均不通电，磁路下端的分闸气隙远小于磁路上端的合闸气隙，因此分闸磁路的磁阻远小于合闸磁路的磁阻，永磁磁场走分闸磁路，此时磁路内只有永磁磁通，因此磁路处于不饱和状态，永磁体的磁通使机构所受的保持力达到最大。

3.根据权利要求1所述的一种磁阻隔离式双稳态永磁操动机构，其特征在于，当要执行合闸操作时，给合闸线圈通正向电流，分闸线圈不通电，此时合闸线圈产生沿顺时针方向逐渐增大的磁通，使合闸磁路的磁通逐渐增大；合闸磁路产生的磁通与永磁体产生的磁通方向相反，逐渐削弱分闸磁路的磁通；当合闸磁路磁通产生的磁力超过永磁体磁通产生的磁力时，动铁心被触动，开始向上运动；此时中间磁路部分磁通仍未饱和，合闸线圈产生的电磁场有一部分从分闸工作气隙闭合，削弱永磁场，操动机构仍然属于双稳态机构。

4.根据权利要求1所述的一种磁阻隔离式双稳态永磁操动机构，其特征在于，在操动机构合闸过程中，中间磁路由于导磁路径较窄，磁通更易饱和；当合闸线圈产生的电磁通达到一定大小且分闸气隙达到一定开距时，中间磁路磁通饱和，磁阻增大，操动机构将被隔离为两个相对独立的上下部分，因此操动机构由原来的双稳态转变为两个相对独立的单稳态；中间磁路饱和后，合闸线圈产生的磁通绝大部分只经过上部合闸磁路，从而大大削弱与分闸磁路的耦合，提高电磁与永磁的出力效率；

5.根据权利要求1所述的一种磁阻隔离式双稳态永磁操动机构，其特征在于，当要执行分闸操作时，给分闸线圈通正向电流，合闸线圈不通电，此时分闸线圈产生磁通，在分闸磁路中逐渐增大；分闸磁路产生的磁通与永磁体产生的磁通方向相反，逐渐削弱合闸磁路的磁通；当分闸磁路磁通产生的磁力超过永磁磁通产生的磁力时，动铁心被触动，开始向下运动；此时中间部分磁路仍未饱和，操动机构仍然属于双稳态机构；

技术总结
本发明提供了一种磁阻隔离式双稳态永磁操动机构，包括同轴设置的树脂环、可替换磁路、分闸线圈、合闸线圈、永磁体、静铁心以及磁轭盖；还包括动铁芯和驱动杆；通过电磁场与永磁场配合，使磁路在饱和与非饱和之间转换，进而改变电磁场及永磁场的流通路径，提高电磁及永磁的出力效率，实现双稳态永磁操动机构分合闸状态的永磁保持及分合闸动作的灵活控制。

技术研发人员：汤龙飞,王锐涛
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/11/11