图1 线盘式斥力机构原理
Fig.1 Schematic diagram of wire disc repulsion mechanism
摘要 斥力机构凭借其快速性在中压直流领域得到广泛应用，为解决高压断路器长行程驱动速度和效率低等关键问题，该文对比分析线盘式和螺线管式机构的原理和特点，综合两者优点提出了适合长行程的串联混合式斥力机构的设计思想。基于有限元分析方法建立仿真模型，分析串联混合式、线盘式以及螺线管式机构的运动特性，研究串联混合式机构瞬态磁场分布以及机构间的影响规律，初步验证其可行性。然后对串联混合式机构进行结构紧凑型优化设计，设计一种新型混合式斥力机构，进行运动特性对比分析。研究表明，新型混合斥力机构综合线盘式机构的快速性和螺线管机构的持续性的优点，具有响应速度快、适合长行程快速驱动的特点，在电容电压1 000V，容量5 000mF条件下，响应时间0.5ms，60mm全行程时间5.6ms。该文为高压断路器长行程快速斥力机构的研制提供了参考依据。
关键词：新型混合式斥力机构 长行程运动 快速开关 运动特性 磁场分析
随着柔性直流输配电技术的发展，高压直流（High Voltage Direct Current, HVDC）电网成为未来智能电网的发展趋势，直流断路器作为现代直流电网控制和保护的关键设备，其快速性是保障成功开断的关键，因此研制具有快速响应和迅速动作的新型操动机构是当前的重点[1-3]。
近年来，国内外学者推出了一种快速、高效、可控的推力机构，成为新的研究热点[4-6]。但是由于这一机构脉冲电磁力行程较短，限制了它在高压断路器长行程操动中的应用，这一操动机构还仅仅应用在中压和低压断路器中[7-9]。华中科技大学研制了基于12kV真空灭弧室的快速机械开关样机，运动行程11mm，平均分闸速度达到6～8m/s[10]；清华大学、山东大学研制了6kV高压快速开关样机[11]；大连理工大学、海军工程大学、西安交通大学等都研制了斥力机构样机[12-15]。文献[16-19]主要针对开距12mm左右的中压10kV真空直流开关操动机构，利用有限元软件数值分析和电路模型的解析分析，对线圈参数、金属盘参数、线圈骨架材料、斥力机构外形结构以及外电路参数研究对斥力机构运动特性的影响。文献[20]针对4kV/6kA真空直流断路器，提出使用多斥力机构并联结构替代单一结构，并研究多组机构的排列形式及各斥力机构工作时的相互影响，结果表明，并联多机构较单一机构有效减少斥力机构对真空开关的振动和冲击。快速斥力机构分为线盘式、双线圈式和螺线管式，目前主要研究的是基于涡流效应原理的线盘式和双线圈式机构，然而由于结构和驱动原理导致其脉冲行程较短，在长行程中驱动存在速度慢、效率低的问题，螺线管式机构由于响应时间慢，应用研究较少，为此本文将两种拓扑结构相互组合，综合两者优点，提出一种适合长行程驱动的新型混合式斥力机构。
为解决高压断路器长行程驱动速度慢的问题，本文首先对比分析线盘式和螺线管式机构的原理和特点，综合两者优点提出适合长行程的串联混合式斥力机构（Series Hybrid Repulsion Mechanism, SHRM）的设计思想，基于有限元分析方法建立其仿真模型，对比分析串联混合式、线盘式以及螺线管式机构的运动特性，研究了串联混合式机构瞬态磁场分布以及机构间的影响规律，得到各机构的特性以及混合式机构的可行性。然后考虑到机构是组合结构，对其结构进行紧凑化设计，提出新型混合式斥力机构（New Hybrid Repulsion Mechanism, NHRM）并建立其仿真模型和数学模型，进行运动特性仿真对比分析。
线盘式斥力机构的工作原理如图1所示。基本工作原理为：预充电脉冲电容器组C通过晶闸管VT向分合闸励磁线圈放电，产生一个峰值大、持续时间短的脉冲电流，脉冲电流在空间中产生快速变化的磁场，置于励磁线圈下方的金属盘由于感应磁场的作用而感应出涡流并产生电磁斥力F，推动机构向上运动。斥力盘一般有高电导率的金属组成，空心线圈的等效电感很小，线圈中的电流上升率很高，能在空间中产生快速变化的磁场，因此线盘式机构具有响应时间短、初分速度快、初始电磁斥力大的优点，但作用力时间较短，随位移的增加电磁斥力急速下降，适合短间隙的快速运动。
图1 线盘式斥力机构原理
Fig.1 Schematic diagram of wire disc repulsion mechanism
螺线管式斥力机构的驱动原理如图2所示。基本工作原理为：预充电脉冲电容器组C通过晶闸管VT向内外两励磁螺线管线圈放电，产生一个峰值较低、持续时间较长的脉冲电流，内外线圈同时产生快速变化的磁场，内螺线管和外螺线管串联反向连接，两螺线管在其产生的磁场中相互产生电磁斥力，动螺线管受到电磁斥力开始运动。螺线管铜线圈数较多，等效电感较大，电容放电产生的电流上升率较小、上升时间较长，内外线圈的位置可保证运动一段距离后才完全分开，因此螺线管机构电磁力保持的距离和时间较长，但响应时间亦较长，初分速度较慢。
图2 螺线管式斥力机构原理
Fig.2 Schematic diagram of solenoid repulsion mechanism
在传统的电磁斥力机构中，线盘式斥力机构具有响应时间短、初分速度快的优点，但作用力时间较短，随位移的增加电磁斥力急速下降。螺线管式斥力机构电磁力保持的距离和时间较长，但响应时间较长，初分速度较慢。两种机构各有优点与不足，可以将两种拓扑结构组合运用，以期具有两种结构的优点，因此本文提出一种串联混合式斥力机构，混合式斥力机构结构如图3所示。
图3 混合式斥力机构结构
Fig.3 Structure chart of hybrid repulsion mechanism
混合式斥力机构的工作原理为：两组预充电电容器组分别向螺线管机构和线盘式机构的线圈同时放电，其中两螺线管电流方向相反，线圈盘中电流方向与外螺线管相同，输出传动杆将受到两个力的作用，分别来自铜盘和内螺线管机构，电磁作用力为两种机构的叠加，综合两者的优点，响应时间短、初分速度快、电磁作用力时间长，为解决高压断路器长行程操动提供了一种参考依据。
驱动回路的等效电路如图4所示，斥力线圈和螺线管采用电容分别驱动，内外螺线管串联以增大电感，得到持续的电流作用时间，同时并联二极管可提高电容放电功率的利用效率。图中，C1、C2和R1、R4分别为储能电容器组及储能电容内阻；VD1、VD2和VT1、VT2为整流二极管及晶闸管；R3、R6和L2、L5分别为引线的电阻及电感；L1和R2分别为斥力线圈盘的电感和电阻；L3、L4和R5分别为螺线管的电感和电阻；L5和R7分别为铜盘的电感和电阻；Ma为驱动线圈和斥力盘之间的互感；Mb为两螺线管线圈之间的互感。
图4 混合式斥力机构等效电路
Fig.4 Equivalent circuit of hybrid repulsion mechanism
斥力机构运动过程中涉及到多场耦合，需要建立电路方程、瞬态电磁场转换方程、运动方程进行求解。为简化计算难度，本文采用能量守恒定理进行求解分析。
以线盘式电磁斥力机构为例，根据能量守恒原则可知，电容中存储的能量最终转换为磁场变化dW、线路的热量损耗dQ、机械做功dT，则有
（1）将铜盘等效为电阻和电感电路，斥力机构线圈盘的磁场能量为
（2）
式中，i1、i2为斥力线圈盘和铜盘中的电流；L1、L5为斥力线圈盘和铜盘的电感。
驱动线圈中的总能量和消耗的热能为
（3）
（4）
式中，U1和U2、Ra和Rb分别为驱动线圈和斥力铜盘中的电压、电阻。
联立式（1）～式（4）可得线盘式电磁斥力的表达式为
（5）因此可得新型混合式斥力机构的电磁斥力表达式为
（6）
式中，i3为螺线管内外线圈的电流；Z为开距。
根据受力情况得出运动方程为
（7）式中，m为运动部分的质量；f为永磁机构保持力和运动过程中的阻力。
混合斥力机构的电磁斥力F是两混合机构电磁力的叠加，与斥力线圈电流、螺线圈电流、铜盘上的感应涡流以及铜盘间和两螺线管间的互感系数对位移Z的导数有关；运动特性中除了电磁斥力，运动质量也是重要因素之一。
为了研究混合式斥力机构的动态特性，本文采用电磁场有限元仿真软件Ansoft Maxwell建立2D平面对称模型，如图5所示。图5a为串联混合式模型，图5b为新型混合式模型，计算求解线圈盘中放电电流、电磁斥力、分闸速度、运动行程变化曲线以及磁感应强度图等参量。线盘式斥力机构仿真初始化参数见表1，螺线管式斥力机构仿真初始化参数见表2，串联混合式和新型混合式机构的初始化参数与其保持一致，本文主要为验证新型混合式斥力机构的优势，不必考虑外电路参数变化，所有仿真都是基于外电路电容电压1 000V，容量5 000mF的条件下进行。
为了明确串联混合式机构的仿真质量，需要对线盘式和螺线管式机构的质量分布进行细分。本文仿真的操纵机构的运动部件主要包含灭弧室触头、绝缘拉杆、操纵杆、永磁保持机构动衔铁、驱动盘（内螺线管）等；线盘式机构中，灭弧室触头质量0.5kg，绝缘拉杆质量经实测为1.2kg，操纵杆质量经实测为0.5kg，永磁保持机构动衔铁质量经实测为1kg，铜盘质量根据理论计算得出为1.3kg，线盘式机构总质量为4.5kg；螺线管式机构中内螺线管铜线质量经计算后为1.5kg，内螺线管骨架质量为0.4kg，其他部件与线盘式机构相同，总质量为5.1kg，为方便对比分析，线盘式机构运动部分质量与螺线管保持一致；串联混合式斥力机构质量应为公共部分的质量加铜盘和内螺线管质量，约为6.4kg。
图5 仿真模型
Fig.5 Simulation model
表1 线盘式斥力机构初始化参数
Tab.1 Initial parameters of wire disc repulsion mechanism
参 数数 值 线圈材料纯铜 线圈匝数30 外半径/mm90 内半径/mm30 线圈厚度/mm1 线圈高度/mm8 铜盘厚度/mm6 铜盘半径/mm90 线内阻R2/mΩ24.32 开距Z/mm60 电容器容量C1/mF5 000 电容器电压U1/V1 000 电容器电阻R1/mW17.779 引线电阻R3/mW12.68 引线电感L2/mH2.717 6 分合闸保持力/kN3 线圈骨架材料环氧 初始间隙x/mm2 运动质量/kg5.1
表2 螺线管式斥力机构初始化参数
Tab.2 Initial parameters of solenoid repulsion mechanism
参 数数 值 螺线圈材料纯铜 轴向层数10 匝数5 螺线圈外半径/mm90 螺线圈内半径/mm80 线圈直径/mm3 螺线管高度/mm58 螺线圈内阻R5/mW70 两螺线管间隙/mm1.5 相对位置/mm10 电容器容量C2/mF5 000 电容器电压U2/V1 000 电容器电阻R4/mW17.779 引线电阻R6/mW12.68 引线电感L5/mH2.717 6 分合闸保持力/kN3 螺线圈骨架材料环氧 开距Z/mm60 运动质量/kg5.1
为验证串联混合机构在长行程操动中的可行性和优势，根据表1和表2中模型初始化数据参数以及仿真模型，利用Ansoft Maxwell电磁场仿真软件分别对线盘式、螺线管式、串联混合式机构进行电、磁、力联合仿真分析，计算求解各机构的放电电流、电磁斥力、分闸速度、运动行程，得到的串联混合式机构与传统机构运动特性仿真对比如图6所示，机构性能参数对比见表3，串联混合式机构磁感应强度分布云图如图7所示。
图6 串联混合式机构运动特性
Fig.6 Kinematic characteristics of the series hybrid mechanism
表3 机构性能参数对比
Tab.3 Comparison of mechanism performance parameters
对比参数线盘式机构螺线管式机构串联混合式机构 全开距时间/ms10.07.55.9 响应时间/ms0.41.20.6 电磁斥力峰值/kN48.928.656.9 斥力峰值时间/ms0.41.60.5 最大速度/(m/s)6.210.813.2 最大速度时间/ms1.75.24.5 转换效率(%)3.9211.8811.15
由图6a和图6b可知，线盘式机构的线圈电流和产生的电磁斥力有较大的峰值和上升率，但是作用时间一般为1ms左右，在0.5ms时刻到达峰值，初始斥力大，响应时间短，但电磁斥力作用时间较短，适合短行程的快速操动；螺线管式机构的线圈电流和电磁斥力上升率和峰值都不高，但作用时间一般在4ms左右，在1.8ms时刻到达峰值，螺线管机构在长行程上具有一定的优势；串联混合式机构的电磁斥力输出特性基本为两种机构的叠加，峰值和上升率优于线盘式机构，作用时间与螺线管相当。由图6c和图6d可知，串联混合式斥力机构前期速度与线盘式相当，当线盘式速度到达峰值后，其速度变化率与螺线管式相当。串联混合式斥力机构响应时间0.6ms，能在5.9ms内运动60mm的行程开距。由表3可知，串联混合式斥力机构各项性能都比较适合长行程驱动，并且在驱动效率上与螺线管式机构相当，是线盘式机构的3倍左右。
图7 磁感应强度分布云图
Fig.7 Distribution cloud chart of magnetic induction intensity
由图7a可知，串联混合式斥力机构在0.3ms时刻，磁感应强度主要分布在斥力线圈盘与铜盘间，由图7b可知，在0.6ms时刻，磁感应强度分布开始向螺线管机构转移，因此机构前期的电磁斥力主要由线盘式机构提供，具有响应时间短、电磁斥力上升率大、初始速度快的特点。由图7c和图7d可知，在1.4ms时刻，线盘式机构磁感应强度基本为零，不再产生电磁斥力，螺线管机构开始作为电磁斥力的主要提供对象，在2.5ms时刻，运动一段行程后，螺线管机构依然能够提供电磁斥力，保证机构处于加速状态，因此机构后期的斥力来源主要由螺线管机构提供，具有电磁斥力保持的时间和距离较长的特点。综上所述，串联混合式斥力机构具有响应时间短、初分速度快、作用力时间久的特点，适合长行程快速动作。
串联混合式斥力机构由线盘式和螺线管式机构串联而成，在动作时刻，两者可能存在相互影响。为探究这种影响程度，假设机构运动部件固定不动，改变两串联机构之间的距离D，初始距离D=20mm，在串联混合式斥力机构中分别得到线盘式和螺线管式机构的电流和电磁斥力曲线，与两机构独立工作形成对比。图8所示为线盘式机构影响程度分析，图9所示为螺线管式机构影响程度分析。
图8 线盘式机构影响程度分析
Fig.8 Analysis of the influence degree of wire-disc mechanism
图9 螺线管式机构影响程度分析
Fig.9 Analysis of the influence degree of solenoid mechanism
由图8可知，随着机构间串联距离的减少，串联混合式机构中线盘式机构相对于线盘式机构，电流基本不变，电磁斥力有所上升，当串联距离D=0mm时，电磁斥力峰值提升了6.7%。由图9可知，随着机构间串联距离的减少，串联混合式机构中螺线管机构相对于螺线管机构，电流峰值基本不变，电磁斥力峰值有所下降，当串联距离D=0mm时，电磁斥力峰值下降了4.7%。为了进一步确定机构受影响的原因，需在机构仿真过程中观察其磁感应强度分布云图。
图10为1.7ms磁感应强度分布云图，当串联机构间距离D=0mm时，线盘式机构线圈中磁感应强度基本没有，但铜盘中仍然感应出一定的磁感应强度，主要原因是螺线管线圈产生的变化磁场由于涡流感应原理在铜盘中感应出瞬态变化的电流，瞬态变化的电流产生瞬变的磁场，螺线管中磁感应强度部分作用于铜盘，自身磁感应强度有所下降，铜盘感应的磁场与线圈盘中感应出的磁场相互叠加，因此，线盘式机构产生的电磁斥力增加，螺线管的电磁斥力有所下降。
图10 1.7ms磁感应强度分布云图
Fig.10 1.7ms magnetic field intensity distribution nephogram
为对混合式机构进行紧凑化设计，依据3.2节中得出的结论，将线盘式机构的铜盘与螺线管机构内螺线管合为一体，有利于提升出力效率，混合式机构的结构更加紧密，节省空间，并且机构运动质量减少。为便于对比分析，仿真中新型混合式斥力机构运动质量与串联混合式机构保持一致，图11所示为新型混合式斥力机构结构示意图，其中图11a为结构零件图，图11b为剖面图。新型混合式斥力机构仿真分析如图12所示。
图11 新型混合式斥力机构结构示意图
Fig.11 Schematic diagram of the new hybrid repulsion mechanism
图12 新型混合式斥力机构运动特性
Fig.12 Kinematic characteristics of the new hybrid repulsion mechanism
由图12a和图12b可知，新型混合式斥力机构相对于串联式机构电流曲线基本不变，电磁斥力峰值提升5.9%；由图12c和图12d可知，由于运动结构的优化，新型混合式斥力机构的响应时间和最大运行速度都优于串联混合式机构；在电容电压1 000V，容量5 000mF的条件下，其相对于串联混合式机构，最大分闸速度提升6.0%，满行程运动时间缩短了5.0%，响应时间0.5ms，能在5.6ms内运动60mm的行程开距。机构性能参数对比见表4，由表4可知，在长行程驱动中，新型混合式斥力机构的响应时间、初分速度、电磁斥力峰值、最大速度都具有较大的优势，并且驱动效率得到提升。
表4 机构性能参数对比
Tab.4 Comparison of mechanism performance parameters
对比参数串联混合式机构新型混合式机构 全开距时间/ms5.95.6 响应时间/ms0.60.5 电磁斥力峰值/kN56.960.3 斥力峰值时间/ms0.50.5 最大速度/(m/s)13.214.0 最大速度时间/ms4.53.8 转换效率(%)11.1512.54
本文提出一种适合高压断路器长行程操动的新型混合式斥力机构，初步从理论分析与仿真分析验证了机构的可行性。后续将结合电、磁、力联合仿真，进一步研究得到新型混合式斥力机构中螺线管和线圈式机构的协同配合规则，提出新型混合式斥力机构的参数设计原则和参数优化设计的具体实现方法，并根据最佳参数，设计新型混合式斥力机构样机并进行样机试验，验证其性能。
1）本文提出了一种新型混合式斥力机构，该机构综合了线盘式机构的快速性和螺线管机构持续性的优点，前期主要由线盘式机构提供斥力，后期由螺线管机构提供斥力，具有响应速度快、作用力时间久及适合长行程快速驱动等特点。
2）新型混合式斥力机构相对于串联混合式斥力机构，结构更加紧凑，更加节省空间，运动质量更轻。新型混合斥力机构由于结构的优化，电磁斥力峰值提升5.9%，最大分闸速度提升6.0%，满行程运动时间缩短了5.0%，主要原因是螺线管线圈在铜盘中感应出涡流，铜盘中感应的磁场与线圈盘中感应出的磁场相互叠加。
3）本文设计的新型混合式斥力机构在电容电压1 000V，容量5 000mF的条件下，响应时间0.5ms，能在5.6ms内运动60mm的行程开距。后续将进一步研究其参数设计原则以及参数优化设计的具体实现方法，并根据最佳参数研制样机，验证其性能。
参考文献
[1] 李斌, 何佳伟, 冯亚东, 等. 多端柔性直流电网保护关键技术[J]. 电力系统自动化, 2016, 40(21): 2-12.
Li Bin, He Jiawei, Feng Yadong, et al. Key tech- niques for protection of multi-terminal flexible DC grid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(21): 2-12.
[2] Ge Guowei, Cheng Xian, Liao Minfu, et al. Vacuum arcs and postarc characteristic of vacuum interrupters with external AMF at current zero[J]. IEEE Transa- ctions on Plasma Science, 2018, 46(4): 1003-1009.
[3] Ge Guowei, Cheng Xian, Liao Minfu, et al. A review of the synergy effect in multibreak VCBs[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2019, 47(1): 671- 679.
[4] 温伟杰, 李斌, 李博通, 等. 基于双向电磁斥力机构的高压快速开关缓冲特性研究[J]. 电工技术学报, 2019, 34(7): 1449-1458.
Wen Weijie, Li Bin, Li Botong, et al. Research on the buffering characteristics of high voltage fast mechanical switch based on Bi-directional electromagnetic repulsion mechanism[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(7): 1449-1458.
[5] 吕玮, 方太勋, 杨浩, 等. 基于电弧电压的混合型直流断路器[J]. 电力系统自动化, 2015, 39(11): 83-87, 102.
Lü Wei, Fang Taixun, Yang Hao, et al. Hybrid DC breaker based on arc voltage[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(11): 83-87, 102.
[6] Park S H, Jang H J, Chong J K, et al. Dynamic analysis of thomson coil actuator for fast switch of HVDC circuit breaker[C]//IEEE 2015 3rd Inter- national Conference on Electric Power Equipment- Switching Technology, Busan, South Korea, 2015: 425-430.
[7] 何俊佳, 袁召, 经鑫, 等. 电磁斥力机构研究综述[J]. 高电压技术, 2017, 43(12): 1-10.
He Junjia, Yuan Zhao, Jing Xin, et al. Review of research on repulsion mechanism[J]. High Voltage Engineering, 2017, 43(12): 1-10.
[8] 田宇, 朱苛娄, 许家源, 等. 10kV快速分相断路器样机研制[J]. 电网技术, 2015, 39(8): 2346-2350.
Tian Yu, Zhu Kerou, Xu Jiayuan, et al. Development of 10kV high-speed vacuum breaker prototype[J]. Power System Technology, 2015, 39(8): 2346-2350.
[9] 何俊佳, 袁召, 赵文婷, 等. 直流断路器技术发展综述[J]. 南方电网技术, 2015, 9(2): 9-15.
He Junjia, Yuan Zhao, Zhao Wenting, et al. Review of DC circuit breaker technology development[J]. Southern Power System Technology, 2015, 9(2): 9-15.
[10] 王子建, 何俊佳, 尹小根, 等. 基于电磁斥力机构的10kV快速真空开关[J]. 电工技术学报, 2009, 24(11): 68-75.
Wang Zijian, He Junjia, Yin Xiaogen, et al. 10kV high speed vacuum switch with electromagnetic repulsion mechanism[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2009, 24(11): 68-75.
[11] 李庆民, 刘卫东, 徐国政, 等. 高压快速转换开关的研制[J]. 高压电器, 2003, 39(6): 6-7.
Li Qingmin, Liu Weidong, Xu Guozheng, et al. Research on high voltage fast transfer switch[J]. High Voltage Apparatus, 2003, 39(6): 6-7.
[12] 董文亮, 郭兴宇, 梁德世, 等. 基于电磁斥力机构的直流真空断路器模块[J]. 电工技术学报, 2018, 33(5): 1068-1075.
Dong Wenliang, Guo Xingyu, Liang Deshi, et al. A DC vacuum circuit breaker based on electromagnetic repulsion actuator[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2018, 33(5): 1068-1075.
[13] 毛海涛, 陆恒云. 快速电磁斥力机构的有限元分析[J]. 高电压技术, 2009, 35(6): 1420-1425.
Mao Haitao, Lu Hengyun. Finite element analysis of fast electromagnetic repulsion mechanism[J]. High Voltage Engineering, 2009, 35(6): 1420-1425.
[14] 吴益飞, 郭佳豪, 杨飞, 等. 直流快速开关高速斥力机构运动特性分析[J]. 高电压技术, 2018, 44(5): 1641-1650.
Wu Yifei, Guo Jiahao, Yang Fei, et al. Analysis of the motion characteristics of the high speed repulsion mechanism of DC fast switch[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44(5): 1641-1650.
[15] 杨飞, 王小华, 荣命哲, 等. 一种新的中压真空断路器三相同期在线监测方法[J]. 中国电机工程学报, 2008, 28(12): 139-144.
Yang Fei, Wang Xiaohua, Rong Mingzhe, et al. A novel on-line monitoring method for three phase synchronization of medium voltage vacuum circuit breaker[J]. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(12): 139-144.
[16] 张力, 阮江军, 黄道春, 等. 双盘式线圈结构快速斥力机构设计与运动特性仿真研究[J]. 电工技术学报, 2018, 33(2): 255-264.
Zhang Li, Ruan Jiangjun, Huang Daochun, et al. Study on the design and movement characteristics simulation of a fast repulsion mechanism based on double-coil structure[J]. Transactions of China Elec- trotechnical Society, 2018, 33(2): 255-264.
[17] 温伟杰, 李斌, 李博通, 等. 电磁斥力机构的参数匹配与优化设计[J]. 电工技术学报, 2018, 33(17): 4102-4112.
Wen Weijie, Li Bin, Li Botong, et al. Parameters matching and optimal design of the electromagnetic repulsion mechanism[J]. Transactions of China Elec- trotechnical Society, 2018, 33(17): 4102-4112.
[18] Bissal A, Magnusson J, Engdahl G. Electric to mechanical energy conversion of linear ultrafast elec- tromechanical actuators based on stroke require- ments[J]. IEEE Transactions on Industry Appli- cations, 2015, 51(4): 3059-3067.
[19] Yuan Zhao, He Junjia, Pan Yuan, et al. Research on ultra-fast vacuum mechanical switch driven by repulsive force actuator[J]. Review of Scientific Instruments, 2016, 87(12): 103-125.
[20] 董润鹏, 庄劲武, 武瑾, 等. 中压直流混合型断路器用四触头并联高速斥力机构的特性分析[J]. 中国电机工程学报, 2019, 39(5): 1342-1349.
Dong Runpeng, Zhuang Jinwu, Wu Jin, et al. Characteristic analysis of four contacts in parallel high-speed repulsion mechanism for medium voltage DC hybrid circuit breaker[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(5): 1342-1349.
Analysis of the New Hybrid Repulsion Mechanism Based on Series-Connected Solenoid and Coil Plate
Abstract Repulsion mechanism is widely used in medium voltage DC system because of its rapidity. In order to solve the key problems such as low driving speed and low efficiency in long-stroke operation, a series hybrid repulsion mechanism (SHRM) for long-stroke based on series-connected wire disc and solenoid plates is proposed by the comparative analysis of the wire disc and solenoid mechanisms. This paper also analyzes the motion characteristics of series hybrid mechanism, wire disc mechanism and solenoid mechanisms, and studies the transient magnetic field distribution of SHRM and the influence law between mechanisms. Then, a new hybrid repulsion mechanism (NHRM) is designed by optimizing the structure of the SHRM, and its motion characteristics are compared and analyzed. The results show that the NHRM combines the advantages of rapidity and persistence of two traditional mechanisms. It has fast response speed and is suitable for long-stroke fast drive. When the capacitor parameters are 1 000V/5 000mF, the response time is 0.5ms and the full travel time of 60mm is 5.6ms. This paper provides a reference for the development of long-stroke and fast repulsion mechanism of high voltage circuit breaker.
keywords：New hybrid repulsion mechanism, long stroke motion, fast switch, motion characteristics, magnetic field analysis
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190796
中图分类号：TM561
程 显 男，1982年生，博士，教授，博士生导师，研究方向为高压电器及高电压新技术，着重研究混合断路器技术、多断口真空开关技术。E-mail: chengxian@zzu.edu.cn
葛国伟 男，1987年生，博士，讲师，研究方向为智能化高压电器及高电压新技术，着重研究多断口真空开关技术、真空电弧动态恢复特性。E-mail: ggw@zzu.edu.cn（通信作者）
收稿日期2019-06-30
改稿日期 2019-09-02
国家自然科学基金（51977195，51777025）、中国博士后科学基金（2017M622370）、河南省高校重点科研项目（16A470014，19A470008）和河南省重点研发与推广专项项目（192102210142 ）资助。
（编辑 崔文静）