CN103580409A

CN103580409A - 用于高压断路器操动机构的无刷线圈激磁直流电机

Info

Publication number: CN103580409A
Application number: CN201310582246.XA
Authority: CN
Inventors: 刘爱民; 杨艳辉; 吴志恒; 李昊旻; 史可鉴; 吕志荣
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2013-11-18
Filing date: 2013-11-18
Publication date: 2014-02-12

Abstract

一种用于高压断路器操动机构的无刷线圈激磁直流电机，属于高压断路器操动机构技术领域。本发明能最大限度地提高电机输出转矩、扩大速度范围。本发明包括机壳，在机壳内设置有电机主轴和两组定、转子凸极装置，两组定、转子凸极装置平行排列且完全对称于电机主轴的中间垂直平面；所述定、转子凸极装置由定子铁心和转子铁心组成，所述电机主轴与机壳同轴设置，所述定子铁心固定在机壳的内侧壁上，转子铁心固定在电机主轴上，所述定子铁心与转子铁心之间留有气隙；在所述两组定、转子凸极装置之间的电机主轴上固定设置有卷筒，在卷筒内缠绕有激磁线圈；在所述定子铁心上设置有槽，在槽内缠绕有电枢绕组，所述机壳和电机主轴采用导磁材料。

Description

用于高压断路器操动机构的无刷线圈激磁直流电机

技术领域

本发明属于高压断路器操动机构技术领域，特别是涉及一种用于高压断路器操动机构的无刷线圈激磁直流电机；该直流电机主要应用于高压及超、特高压的操动机构，适应开关设备智能化的操作。

背景技术

高压断路器是电力***中重要的开关设备，具有控制和保护双重功能，对电力***的安全运行具有重要意义。操动机构是断路器的主要运动部件，直接影响着断路器工作的可靠性和稳定性。传统断路器操动机构主要为电磁操动机构、弹簧操动机构、气动操动机构和液压操动机构，这些操动机构结构复杂，运动部件多，可控性和可靠性不佳。电机操动机构用一台电机直接驱动断路器运动，很好的解决了上述问题，且具有结构简单、电磁力较大、调节灵活的特点，这为实现断路器操作的快速性和可控性奠定了基础。目前，现有的电机操动机构的驱动电机多采用永磁直流电机，即采用永磁体励磁的电机，采用永磁体励磁的电机有以下缺点：电机成本上升；永磁磁通无法控制导致有限的功率范围和有限的调速范围；永磁体可被大的反向磁动势和高温退磁以及转子磁轭与永磁体之间装配的机械强度导致的高速性能下降等。这些缺点限制了其在强机械振动、瞬时启动与制动、电机随动控制等智能操动机构等方面的应用，直接影响了断路器操动机构的性能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于高压断路器操动机构的无刷线圈激磁直流电机。该电机能最大限度地利用电磁转矩和转子凸极性磁阻转矩效果以提高电机输出转矩、扩大速度范围，并可提高电机的可控性和工作可靠性；另外，本发明用激磁线圈代替永磁体也有效消除了因高温、机械冲击等因素导致的永磁体退磁和消磁的危险，同时通过对激磁线圈的控制能有效实现对永磁磁通的调控，便于实现电机大范围内调速。。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种用于高压断路器操动机构的无刷线圈激磁直流电机，包括机壳，在机壳内设置有电机主轴和两组定、转子凸极装置，两组定、转子凸极装置平行排列且完全对称于电机主轴的中间垂直平面；所述定、转子凸极装置由定子铁心和转子铁心组成，所述电机主轴与机壳同轴设置，所述定子铁心固定在机壳的内侧壁上，转子铁心固定在电机主轴上，所述定子铁心与转子铁心之间留有气隙；在所述两组定、转子凸极装置之间的电机主轴上固定设置有卷筒，在卷筒内缠绕有激磁线圈；在所述定子铁心上设置有槽，在槽内缠绕有电枢绕组，所述机壳和电机主轴采用导磁材料。

所述电机主轴通过端盖设置在机壳内，在电机主轴与端盖之间设置有轴承。

所述电枢绕组采用单层集中整距的排布方式。

本发明的有益效果：

(1)本发明的直流电机采用激磁线圈，可通过控制激磁线圈中通过的直流电流来调节电机的工作气隙磁密；相比普通永磁直流电机而言，这种结构使电机的运行区间变大，调速的范围和功率范围更宽，进而使得操动机构应用的电压等级更高，可满足126kV以上至超高压等级断路器的峰值分闸速度(6～10m／s)要求和操作功(>4kJ)要求；

(2)本发明采用通电激磁线圈代替永磁直流电机中的永磁体进行励磁，定子铁心和转子铁心采用凸极式结构，通过调节激磁电流来控制气隙磁通，最终提高输出转矩，拓宽调速范围；同时，可以避免永磁体被大的反向磁动势和高温退磁以及转子磁轭与永磁体之间装配的机械强度导致的高速性能下降、永磁体在高温和机械冲击下的损伤，提高了操动机构的可靠性；无旋转式绕组和无永磁体的转子铁心凸极式结构可使其工作于高转速范围和高温场合、消除永磁材料特性的制约、无永磁体退磁风险，且电机成本降低；

(3)本发明的直流电机不仅能够产生与提供有刷直流系列电机特性的磁场电流近似成正比的电磁转矩，而且可产生与提供开关磁阻电机特性的相电流近似成正比的磁阻转矩；同时，减轻了转子铁心的质量，具有转动惯量小、启动时间短和输出转矩大等优势，满足断路器分合闸操作时间要求。

附图说明

图1为本发明应用于高压断路器操动机构的结构示意图；

图2为本发明的高压断路器操动机构的无刷线圈激磁直流电机的结构示意图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为本发明的高压断路器操动机构的无刷线圈激磁直流电机的磁通路径示意图；

图中，1-角位移传感器，2-位置信号传感器，3-槽，4-扭矩传感器，5-法兰盘，6-转轴，7-拐臂，8-拉杆，9-动触头，10-灭弧室，11-静触头，12-无刷线圈激磁直流电机，13-电机主轴，14-定子铁心，15-转子铁心，16-卷筒，17-激磁线圈，18-端盖，19-机壳，20-电枢绕组，21-定、转子凸极装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图2、图3所示，一种用于高压断路器操动机构的无刷线圈激磁直流电机，包括机壳19，在机壳19内设置有电机主轴13和两组定、转子凸极装置21，两组定、转子凸极装置21平行排列且完全对称于电机主轴13的中间垂直平面；所述定、转子凸极装置21由定子铁心14和转子铁心15组成，所述定子铁心14和转子铁心15采用凸极式结构，定子铁心14的凸极数为九个，转子铁心15的凸极数为六个；所述电机主轴13与机壳19同轴设置，所述定子铁心14固定在机壳19的内侧壁上，转子铁心15固定在电机主轴13上，所述定子铁心14与转子铁心15之间留有2mm的气隙；在所述两组定、转子凸极装置21之间的电机主轴13上固定设置有卷筒16，在卷筒16内缠绕有激磁线圈17；在所述定子铁心14上沿圆周均匀设置有九个槽3，在槽3内缠绕有电枢绕组20，所述机壳19和电机主轴13采用导磁材料。

所述电机主轴13通过端盖18设置在机壳19内，在电机主轴13与端盖18之间设置有轴承。

所述电枢绕组20采用单层集中整距的排布方式。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程。

本发明的高压断路器操动机构的无刷线圈激磁直流电机的磁通路径，如图4所示，激磁线圈17通电后产生的磁通经电机主轴13从一端转子铁心15穿过定子铁心14，再经机壳19穿过另一端定子铁心14后到转子铁心15最后形成闭合磁路。与此同时，两端转子铁心15分别形成N极和S极，这样，转子铁心15感应出磁场；并与定子铁心14的电枢绕组20通电后产生的磁场相互作用，从而驱动电机主轴13运转。故在激磁线圈17中施加正向或反向的可调直流电流，就可产生不同方向与幅值的激磁磁势；该磁势作用在转子铁心15感应出的磁场上能产生增磁或弱磁的效果，不仅可以改变电机气隙磁密的大小，同时还可配合调节电枢绕组20中的电流，从而达到调磁目的，最终获得宽泛的气隙磁通调整量和速度控制范围，可大大增加电机的调速范围，提高电机的动态特性。电机主轴13还起到了引导磁场的作用。

本实施例以126kV真空高压断路器为例，根据该高压断路器灭弧室对操动机构驱动电机的要求，选用本发明的无刷线圈激磁直流电机。本发明的无刷线圈激磁直流电机能满足126kV真空高压断路器要求的峰值电磁转矩(1000N·m-1500N·m)和峰值转速(600r／min-800r／min)，运行时间小于70ms，并且具有良好的动态特性和宽泛的调速性能。

本发明应用于该高压断路器操动机构的结构，如图1所示。本发明的无刷线圈激磁直流电机12的电机主轴13通过法兰盘5与传动机构的转轴6固定连接，传动机构的拐臂7的一端与转轴6相铰接，另一端与传动机构的拉杆8的一端相铰接。在无刷线圈激磁直流电机12电磁力的驱动下，拐臂7绕转轴6旋转，进而驱动绝缘拉杆8在竖直方向上运动，最终使得灭弧室10内的动触头9运动，使动触头9与静触头11分开或接触，实现断路器的分合闸操作。

为了便于对本发明的直流电机性能的检测和实现控制本发明，可在本发明上安装位置信号传感器2、角位移传感器1和扭矩传感器4。所述位置信号传感器2安装在机壳19上，角位移传感器1安装在电机主轴13上，扭矩传感器4安装在电机主轴13与法兰盘5之间。

本发明的直流电机的结构在某种程度上类似于开关磁阻电机，但其定子铁心和转子铁心的极数组合和它们的布局、相重叠的区域、能同时激励的相数和转换等与开关磁阻电机完全不同，其电磁特性和调控特性更好，适合断路器瞬时启动、短时工作等要求。

Claims

1.一种用于高压断路器操动机构的无刷线圈激磁直流电机，其特征在于包括机壳，在机壳内设置有电机主轴和两组定、转子凸极装置，两组定、转子凸极装置平行排列且完全对称于电机主轴的中间垂直平面；所述定、转子凸极装置由定子铁心和转子铁心组成，所述电机主轴与机壳同轴设置，所述定子铁心固定在机壳的内侧壁上，转子铁心固定在电机主轴上，所述定子铁心与转子铁心之间留有气隙；在所述两组定、转子凸极装置之间的电机主轴上固定设置有卷筒，在卷筒内缠绕有激磁线圈；在所述定子铁心上设置有槽，在槽内缠绕有电枢绕组，所述机壳和电机主轴采用导磁材料。

2.根据权利要求1所述的用于高压断路器操动机构的无刷线圈激磁直流电机，其特征在于所述电机主轴通过端盖设置在机壳内，在电机主轴与端盖之间设置有轴承。

3.根据权利要求1所述的用于高压断路器操动机构的无刷线圈激磁直流电机，其特征在于所述电枢绕组采用单层集中整距的排布方式。