CN203659728U - 高压断路器无刷线圈激磁直流电机操动机构 - Google Patents

Abstract

一种高压断路器无刷线圈激磁直流电机操动机构，属于高压断路器操动机构技术领域。本实用新型包括无刷线圈激磁直流电机、传动机构、高压断路器及电机伺服控制器，传动机构由转轴、拐臂及拉杆组成；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；无刷线圈激磁直流电机的电机主轴通过法兰盘与转轴固定连接，拐臂的一端与转轴相铰接，另一端与传动机构的拉杆的一端相铰接，拉杆的另一端与高压断路器的动触头固定连接；电机伺服控制器包括中央处理器、电容器储能单元、光电耦合模块、信号幅值转换模块、IGBT驱动模块、第一IGBT模块、第二IGBT模块、直流电源模块、分合闸信号捕获模块、通讯模块及计算机。

Description

高压断路器无刷线圈激磁直流电机操动机构

技术领域

本实用新型属于高压断路器操动机构技术领域，特别是涉及一种高压断路器无刷线圈激磁直流电机操动机构。该操动机构可有效提高输出转矩、拓宽分合闸速度、增强稳定工作性能；适用于断路器的智能化操作。

背景技术

高压断路器是电力***中最重要最复杂的开关设备，它对电网安全稳定的运行起到控制和保护的作用。操动机构作为高压断路器重要的组成部分，它起到驱动高压断路器动触头进行分合闸的作用，操动机构工作性能的优良直接影响到断路器能否正常快速实现分合闸的操作。永磁无刷直流电机(PMBLDCM)操动机构克服了液压和弹簧等传统操动机构零部件多、传动机构复杂、运动过程不可控等缺点，体现出传动简单、结合电力电子技术易于实现控制的特点。而PMBLDCM转子永磁体存在固有的缺陷使电机成本上升、永磁磁通无法控制导致有限的恒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、转子磁轭与永磁体之间装配的机械强度导致高速性能下降；这些缺点在一定程度上限制了永磁无刷直流电机操动机构在高压断路器操动机构的应用。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种高压断路器无刷线圈激磁直流电机操动机构。

该操动机构利用激磁线圈代替永磁体激磁，通过调节通过激磁线圈的直流电流增减气隙磁通密度，获得宽范围气隙磁通实现对永磁磁通的调控，进而获得大输出转矩、宽范围调速；同时，无永磁体退磁的风险增加了该操动机构工作性能的稳定性和可靠性。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案，一种高压断路器无刷线圈激磁直流电机操动机构，包括无刷线圈激磁直流电机、传动机构、高压断路器及电机伺服控制器，所述传动机构由转轴、拐臂及拉杆组成；

所述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；

所述无刷线圈激磁直流电机的电机主轴通过法兰盘与传动机构的转轴固定连接，传动机构的拐臂的一端与转轴相铰接，另一端与传动机构的拉杆的一端相铰接，拉杆的另一端与高压断路器的动触头固定连接；

所述电机伺服控制器，包括中央处理器、电容器储能单元、光电耦合模块、信号幅值转换模块、IGBT驱动模块、第一IGBT模块、第二IGBT模块、直流电源模块、分合闸信号捕获模块、通讯模块及计算机；所述中央处理器经通讯模块与计算机相连接，所述分合闸信号捕获模块包括分闸指令按键、合闸指令按键及重合指令按键，所述分合闸信号捕获模块的输出端与中央处理器的输入端相连接；安装在电机机壳上的位置信号传感器的信号输出端与中央处理器的输入端相连接，与电机三相电枢绕组相连接的电流互感器分别与中央处理器的输入端相连接；中央处理器的PWM信号产生单元依次经信号幅值转换模块、光电耦合模块与IGBT驱动模块的输入端相连接，IGBT驱动模块的输出端分别与第一IGBT模块和第二IGBT模块的驱动端相连接；电容器储能单元经第一IGBT模块与电机的三相电枢绕组相连接，第二IGBT模块与电机的激磁线圈和激磁线圈电源串联连接，设置在电机激磁线圈串联回路中的电流互感器与中央处理器的输入端相连接；所述直流电源模块为电机伺服控制器提供工作电源；

本实用新型还设置有位置信号传感器、角位移传感器和扭矩传感器；所述位置信号传感器安装在机壳上，角位移传感器安装在电机主轴上，扭矩传感器安装在电机主轴与法兰盘之间。

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。

本实用新型的有益效果：

1.本实用新型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，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，以气隙磁通可控可调达到提高输出转矩，拓宽速度范围之目的；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；该操动机构可满足126kV以上至超高压及特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.本实用新型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；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，提高了该操动机构稳定工作的性能，且电机成本降低；产生电磁转矩和转子的凸极性产生的磁阻转矩具有转动惯量小、启动时间短和输出转矩大等优势，很好满足了断路器分合闸操作时间要求；

3.本实用新型同时实现了对电机电流和激磁线圈的控制，为该电机实现大范围调速提供了技术支持。

附图说明

图1为本实用新型的高压断路器无刷线圈激磁直流电机操动机构的结构示意图；

图2为本实用新型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为本实用新型的无刷线圈激磁直流电机的磁通路径示意图；

图5为本实用新型的电机伺服控制器的电路原理框图；

图6为本实用新型的电机伺服控制器的电路原理图；

图7为本实用新型的实施例中操动机构合闸时提供的驱动力特性和真空高压断路器合闸时的反力特性比较图；

图8为本实用新型的实施例中当电容器储能单元电压为220V时，本实用新型的分闸速度曲线图；

图9为本实用新型的实施例中当电容器储能单元电压为220V时，本实用新型的分闸行程曲线图；

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-高压断路器，10-无刷线圈激磁直流电机，11-三相电，12-电机伺服控制器，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，22-第一IGBT模块，23-电流互感器，24-电容器储能单元，25-激磁线圈电源，26-第二IGBT模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

如图1、图2、图3所示，一种高压断路器无刷线圈激磁直流电机操动机构，包括无刷线圈激磁直流电机10、传动机构、高压断路器9及电机伺服控制器12，所述传动机构由转轴6、拐臂7及拉杆8组成。

所述无刷线圈激磁直流电机10，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，激磁线圈17用来产生电机主轴13旋转需要的磁场；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。

所述无刷线圈激磁直流电机10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，拉杆8的另一端与高压断路器9的动触头固定连接。

如图5所示，所述电机伺服控制器12，包括中央处理器、电容器储能单元24、光电耦合模块、信号幅值转换模块、IGBT驱动模块、第一IGBT模块22、第二IGBT模块26、直流电源模块、分合闸信号捕获模块、通讯模块及计算机；通讯模块用于中央处理器与计算机的通讯，所述中央处理器经通讯模块与计算机相连接，所述分合闸信号捕获模块包括分闸指令按键、合闸指令按键及重合指令按键，分合闸信号捕获模块用于捕获分合闸指令信号和自动重合闸指令信号，所述分合闸信号捕获模块的输出端与中央处理器的输入端相连接；安装在电机机壳19上的位置信号传感器2的信号输出端与中央处理器的输入端相连接，位置信号传感器2采用霍尔盘，其用于采集电机的位置信号；与电机三相电枢绕组20相连接的电流互感器23分别与中央处理器的输入端相连接；中央处理器的PWM信号产生单元用于产生控制电机转速的触发信号，光电耦合模块及信号幅值转换模块用于实现强电与弱电的隔离保护控制，同时提高PWM幅值为第一IBGT模块22和第二IBGT模块26工作提供支持，中央处理器的PWM信号产生单元依次经信号幅值转换模块、光电耦合模块与IGBT驱动模块的输入端相连接，IGBT驱动模块用于驱动第一IBGT模块22和第二IBGT模块26开断，实现5V到15VPWM信号的转换，第一IGBT模块22用于开断电机三相电流的流通路径，第二IGBT模块26用于改变加在激磁线圈17上的电压；IGBT驱动模块的输出端分别与第一IGBT模块22和第二IGBT模块26的驱动端相连接；电容器储能单元24用于存储驱动电机旋转所需要的能量，电容器储能单元24经第一IGBT模块22与电机的三相电枢绕组20相连接，第二IGBT模块26与电机的激磁线圈17和激磁线圈电源25串联连接，设置在电机激磁线圈17串联回路中的电流互感器23与中央处理器的输入端相连接，电流互感器23用于采集电机三相电流和激磁线圈17的电流信号；所述直流电源模块为电机伺服控制器12提供工作电源，同时直流电源模块也为激磁线圈电源25提供工作电源，直流电源模块采用的是正负12V、15V和5V的直流电源，电源的最大允许电流值是2A。

为了便于实现该操动机构的控制和对该操动机构性能的监测，本实用新型还设置有位置信号传感器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。

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采用单相单层集中整距的排布方式。

本实用新型选择的器件型号具体为：

角位移传感器1采用的是WDD35D-4精密导电塑料电位器，其独立线性度是±0.1％；位置信号传感器2采用的是由三个型号为3144开关霍尔器件组成的霍尔盘；扭矩传感器4采用的型号是ZNR-501，其独立线性度是0.5％；电机伺服控制器12包括以支持浮点运算的DSP28335为核心组成的中央处理器，以2SC0108T2A0-17及其***硬件电路组成的IGBT驱动模块；在加快数据处理的同时也提高了电机对控制信号的响应效率，为在毫秒级实现对动触头速度的控制提供了支持；光电耦合模块采用的型号为HCPL-63N，信号幅值转换模块采用的型号为74HC245；所述通讯模块是由电子器件MAX3232和SP3485及其工作的***硬件电路组成；电流互感器23采用的型号为CHF-200B。

本实用新型的电机伺服控制器12的具体电路连接关系如下：

如图6所示，中央处理器DSP28335(U1)的PWM1～PWM6引脚分别与信号幅值转换模块74HC245的A0～A5引脚相连，信号幅值转换模块的Q0～Q5引脚分别依次与三个光电耦合模块HCPL-63N的CATHODE1、CATHODE2引脚相连；每个光电耦合模块的输出引脚VO1、VO2分别依次与IGBT驱动模块中的三个2SC0108T2A0-17器件的输入引脚INA、INB相连，作为IGBT驱动模块的输入信号；每个2SC0108T2A0-17器件的输出引脚COLLECTER1、COLLECTER2分别与第一IGBT模块22中的IGBT的栅极相连；六个IGBT组成全桥整流电路，其中全桥整流电路中每个上桥臂的IGBT的集电极相连后与电容器储能单元24的正极相连，每个下桥臂的IGBT的发射极相连后与电容器储能单元24的负极相连，为电机的旋转提供能量；在第一IGBT模块22上桥臂与下桥臂之间分别引出三根导线，该三根导线分别与电机的A、B、C三相电枢绕组20相连；在三根导线上分别安装有电流互感器CHF-200B，三个电流互感器的信号输出端分别与中央处理器的INA、INB、INC三引脚相连，实现对电流信号的采集；霍尔盘的三个3144开关霍尔器件的第三引脚分别与中央处理器的CAP1、CAP2、CAP3三引脚相连，实现对电机位置信号的采集；中央处理器的EPWM0～EPWM3引脚分别与信号幅值转换模块的A0～A3引脚相连，信号幅值转换模块的输出引脚Q0～Q3分别与两个光电耦合模块的CATHODE1、CATHODE2引脚相连；两个光电耦合模块的输出引脚VO1、VO2再分别与两个2SC0108T2A0-17器件的输入引脚INA、INB相连，最后每个2SC0108T2A0-17器件的输出引脚COLLECTER1、COLLECTER2分别与第二IGBT模块26的四个IGBT的栅极相连；中央处理器的SCITXDC、SCIRXDC引脚分别与通讯模块中的MAX3232器件的T1IN、T2IN相连，MAX3232器件的输出引脚T1OUT、R1OUT分别与SP3485的引脚SCIRXDB、SCITXDB相连，该部分实现232与485通讯的转换；SP3485器件的A、B引脚通过数据线与计算机相连，实现中央处理器与计算机的通讯。分合闸信号捕获模块的3384器件的输入引脚1A3、1A4、1A5分别与分闸指令按键、合闸指令按键及重合指令按键相连，3384器件的输出引脚1B3、1B4、1B5分别与74HC14器件的1Y、2Y、3Y引脚相连，74HC14器件的输出引脚4A、5A、6A分别与中央处理器的CAP4、CAP5、CAP6引脚相连。

下面结合附图说明本实用新型的一次使用过程。

本实用新型的无刷线圈激磁直流电机10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。

无刷线圈激磁直流电机10的电机主轴13旋转产生转矩驱动传动机构运动，传动机构驱动高压断路器9的动触头运动进而实现断路器分合闸的操作。具体运动过程如下：无刷线圈激磁直流电机10的电机主轴13通过法兰盘5带动转轴6旋转，转轴6带动拐臂7绕转轴6旋转，进而驱动绝缘拉杆8在竖直方向上运动，最终使得高压断路器9的动触头运动，使动触头与静触头分开或接触，实现断路器的分合闸操作。中央处理器根据电流互感器23采集到的电机三相电流信号和激磁线圈17的电流信号以及位置信号传感器2采集到的位置信号，运用模糊自适应PID控制算法改变PWM信号产生单元产生的PWM信号的占空比，实现动触头的调速。并通过IGBT驱动模块驱动第一IGBT模块22和第二IGBT模块26导通，使电容器储能单元24和激磁线圈电源25分别对电机的三相电枢绕组20和激磁线圈17供电，进而驱动电机的电机主轴13转动，实现对断路器分合闸动触头的速度的控制。

图7为本实用新型的实施例中操动机构合闸时提供的驱动力特性和真空高压断路器合闸时的反力特性比较图，图中，曲线1是126kV真空高压断路器合闸时产生的反力特性曲线，曲线2是本实用新型的操动机构合闸时提供的驱动力特性曲线。通过该图可以看出：本实用新型的操动机构能很好满足126kV真空高压断路器合闸时的性能要求。

图8与图9分别是当电容器储能单元24的电压为220V时，本实用新型的操动机构与126kV真空高压断路器联机试验时实测的分闸速度曲线图和分闸行程曲线图。

本实施例以126kV真空高压断路器为例，根据该高压断路器对操动机构的要求，即：永磁磁通可控、调速范围较宽、输出转矩大、适应高速高温环境、工作性能稳定可靠，选用本实用新型的高压断路器无刷线圈激磁直流电机操动机构。本实用新型的高压断路器无刷线圈激磁直流电机操动机构能满足126kV真空高压断路器要求的峰值分闸速度6～10m/s，操作功大于4kJ。

Claims (3)

1.一种高压断路器无刷线圈激磁直流电机操动机构，其特征在于包括无刷线圈激磁直流电机、传动机构、高压断路器及电机伺服控制器，所述传动机构由转轴、拐臂及拉杆组成； 

所述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； 

所述无刷线圈激磁直流电机的电机主轴通过法兰盘与传动机构的转轴固定连接，传动机构的拐臂的一端与转轴相铰接，另一端与传动机构的拉杆的一端相铰接，拉杆的另一端与高压断路器的动触头固定连接； 

所述电机伺服控制器，包括中央处理器、电容器储能单元、光电耦合模块、信号幅值转换模块、IGBT驱动模块、第一IGBT模块、第二IGBT模块、直流电源模块、分合闸信号捕获模块、通讯模块及计算机；所述中央处理器经通讯模块与计算机相连接，所述分合闸信号捕获模块包括分闸指令按键、合闸指令按键及重合指令按键，所述分合闸信号捕获模块的输出端与中央处理器的输入端相连接；安装在电机机壳上的位置信号传感器的信号输出端与中央处理器的输入端相连接，与电机三相电枢绕组相连接的电流互感器分别与中央处理器的输入端相连接；中央处理器的PWM信号产生单元依次经信号幅值转换模块、光电耦合模块与IGBT驱动模块的输入端相连接，IGBT驱动模块的输出端分别与第一IGBT模块和第二IGBT模块的驱动端相连接；电容器储能单元经第一IGBT模块与电机的三相电枢绕组相连接，第二IGBT模块与电机的激磁线圈和激磁线圈电源串联连接，设置在电机激磁线圈串联回路中的电流互感器与中央处理器的输入端相连接；所述直流电源模块为电机伺服控制器提供工作电源； 

所述高压断路器无刷线圈激磁直流电机操动机构还设置有位置信号传感器、角位移传感器和扭矩传感器；所述位置信号传感器安装在机壳上，角位移传感器安装在电机主轴上，扭矩传感器安装在电机主轴与法兰盘之间。 

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

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