1 引言
    $高速涡流斥力机构的构想最早是由Samir Basu和K.D.Srivastava等人在1969年提出来的。当时利用电磁铁产生电磁力的原理被广泛用于金属成型，磁性铆接和推动电机，但是利用交变磁场在导电介质中产生涡流，由此提供机械力用于金属成型和磁性锤的应用却被人们忽视。Samir Basu和K.D.Srivastava等人通过理论上的推导，导出了导电线圈产生交变磁场在同轴金属圆盘上产生的力的表达式，同时提出了最初的涡流斥力机构的原型（图1），为后来的涡流斥力机构的研究应用提供良好的理论基础^[1] 。
    由于高速涡流斥力机构具有结构简单和其能在超短时间内能驱动负载快速动作的特点，使得它在快速开关领域越来越引起人们的重视，近年来越来越多的研究机构、学校和公司开始研究这种机构^[2] 。
    文献[3]提出了基于高速涡流斥力机构的快速转换开关的样品，通过实验验证可达到较快的分断时间。
    图1 Samir Basu和K.D.Srivastava提出的原型图
    在基于文献[3]研究的基础上文献[4]提出了基于平行排列的同轴双圆形线圈模型，导出了计算快速涡流斥力机构的电磁斥力的基本分析公式，并据此给出了一种新的$电磁推力机构动态分析的方法，藉此可以方便地实现高速涡流斥力机构的综合优化设计。文献[5]又采用有限元分析和计算的方法，讨论了不同结构参数对涡流斥力机构动态性能的影响，为优化设计提供了一定的指导原则。
    本文简要介绍了涡流斥力机构的基本原理。
    本文还将高速涡流斥力机构应用在接地开关中，并且通过制作样机进行试验，比较了几个影响因素对整个机构的影响，并得出相关结论。
    2 高速涡流斥力机构的基本原理
    图2 高速涡流斥力机构的原理结构图
    高速涡流斥力机构基本原理结构图如图2所示，它主要是由一个储能$电容C，一个可控制开通的晶闸管SCR，一个线圈盘和一个磁阻型金属盘组成。图中的R是由电容寄生电阻和晶闸管导通电阻组成，它对高速涡流斥力机构影响也很大，因此在图中专门标出。
    图3 高速涡流斥力机构原理分析
    高速涡流斥力机构基本原理是，先将储能电容C充满，然后通过控制触发信号给晶闸管SCR触发，SCR导通后，电容与线圈盘构成回路，电容在短时间内向具有小电感量线圈盘放电，假设线圈盘电流方向为图3所示朝外的，此时就能在Z轴方向产生迅速增大的磁场，根据楞次定理，金属盘就会在其本身感应产生如图3所示方向朝里的涡流。由于涡流与线圈盘电流共同作用，实际在线圈盘与金属盘之间产生的磁场方向是沿R轴负方向，根据左手定则，在这个方向的磁场作用下，金属盘里的涡流就将受到朝Z轴正方向的磁场力（即文中涡流斥力），在这个力的作用下，金属盘就会朝着Z轴正方向运动。如果假设线圈盘电流为朝里的，分析方法相同，金属盘受力方向不变。
    由以上介绍可知，涡流斥力与金属盘所产生的涡流以及线圈盘与金属盘之间的磁场有关。金属盘所产生的涡流与线圈盘短时产生的磁场有关，而这个磁场又与线圈盘电流有关，而线圈盘的电流与线圈盘本身电感、内阻，储能电容容量、初始电压和寄生电阻和晶闸管导通电阻有关，同时在整个过程中又伴随着金属板的运动，所以整个高速涡流斥力机构工作是一个电路，涡流电磁场和机械运动共同耦合组成的瞬态问题。
    3 高速涡流斥力机构的应用
    3.1高速涡流机构驱动的高速接地开关的研制
    接地开关是电力系统中一种很重要的电力设备，超高压输电线路90%以上故障是单相接地故障，而单相接地故障中约80%的故障是“瞬时性”故障。在我国330kV、500kV线路大多采用单相重合闸消除单相接地故障，来提高系统的稳定性和供电的可靠性。单相重合闸的成功与否取决于故障点的潜供电弧能否自熄。
    高速接地开关是熄灭潜供电弧的一种有效方法。将故障点的开放性电弧转化为开关内压缩性电弧是其工作的实质，流经开关的电流仅数百安，易开断。它大大降低故障点的潜供电流，从而使电弧容易熄灭。其主要作用是对潜供电流的降低和恢复电压的限制。
    利用高速涡流斥力机构能快速动作的特点，研制了快速接地开关样机，图4所示。其中模型各参数为：斥力盘采用铜盘，外径为100mm，厚度为7mm，线圈盘内径为20mm，外径与斥力盘相同，采用单层单股漆包线绕制，匝数取22，线径取1.8mm，储能电容容值取10mF，电容充电初始电压为311V。
    如图5所示，本接地开关机构主要由3部分组成：
    第一部分，开关驱动部分，即本文研究的高速涡流斥力机构；第二部分，机构保持部分，用于保持开关闭合状态，由于大电流通过开关，会有很大的电斥力，斥开闭合的开关，所以需要一个机构保持开关闭合状态；第三部分，真空灭弧室，为实际开关所在位置，由于开关闭合时，有大电流通过，会出现大电弧，所以需要一个真空灭弧室来灭弧。
    3.2高速接地开关样机实验
    （1）斥力盘厚度对机构动特性的影响
    实验中高速涡流斥力机构的斥力盘分别采用4mm、7mm和10mm厚度，100mm直径的铜盘，储能电容容量10mF，行程距离为8mm，线圈盘采用线径为1.8mm，匝数都是22的$漆包铜导线，外径为100mm，线圈都是紧密排列，观察三种厚度斥力盘对高速涡流斥力机构完成行程时间的影响情况。实验检测波形如图6所示。
    由分析得出：当厚度增大时，斥力盘内阻减小，涡流更易在斥力盘中流动，故电流会随着厚度增加而增加，斥力也随着电流增大而增大；但当厚度增大一定值，等于工作频率下斥力盘的透入深度时，再增加厚度，涡流也不会在变化，斥力也不再变化。
    从图中读出，高速涡流斥力机构完成行程的时间，4mm厚铜斥力盘时为2.8ms，7mm厚时为2.3ms，10mm厚时为2.4ms，这就很清楚可以看出斥力盘厚度设计为7mm和10mm的效果是要好于4mm的。
这就说明了斥力盘确实越厚，涡流效应越明显，效果会越好；但厚度7mm与10mm效果几乎没有差别，说明当厚度增加到一定程度后，对机构已经没有影响了。
    （2）斥力盘材料对机构动特性的影响
    实验中高速涡流斥力机构的线圈盘由匝数为22，线径为1.8mm的漆包铜导线构成，外径为100mm，内径为20mm，斥力盘分别采用4mm厚度铜盘和铝盘，直径都是100mm，储能电容容量10mF，行程距离为8mm，实验检测波形如图7所示。
可以直接从图中读出，高速涡流斥力机构完成行程的时间，铝盘时为3.7ms，铜盘时为2.7ms，这表明铜盘效果确实要好于铝盘。需要说明的是，实验的样机负载较重，所以铜铝的质量影响可以忽略，由于铜的电阻率比铝低，铜盘里面涡流比铝盘强，故实际完成行程的时间铜盘要短于铝盘。
    （3）线圈匝数对机构动特性的影响
    实验中高速涡流斥力机构的斥力盘采用7mm厚度，100mm直径的铜盘，储能电容容量10mF，行程距离为8mm，线圈盘分别采用匝数为22和11，线径为1.8mm的漆包铜导线，外径为100mm，线圈都是紧密排列，观察两种线圈盘对高速涡流斥力机构完成行程时间的影响情况。实验检测波形如图8所示。
    由于随着匝数增加，线圈电感量增加，导致电流上升与下降的时间延长，虽然电流峰值也下降了，但影响涡流斥力是线圈盘产生的总磁链，总磁链增加了，力上升速率变慢，但峰值变大，导致了完成行程时间随匝数增加而减小。
    可以直接从图中读出，高速涡流斥力机构完成行程的时间，22匝线圈盘时为2.3ms，11匝线圈盘时为2.7ms，这就很清楚可以知道22匝线圈盘的效果是要好于11匝线圈盘的。这就说明了线圈盘匝数在这种情况下越多，高速涡流斥力机构完成行程时间越短。
    （4）线圈盘线材对机构动特性的影响
    实验中高速涡流斥力机构的斥力盘采用7mm厚度，100mm直径的铜盘，储能电容容量10mF，行程距离为7.3mm，线圈盘分别采用匝数为22，线径为1.8mm的漆包铜导线和线径为1.85mm，0.1*180mm多股李兹线绕成，外径为100mm，内径为20mm，观察两种线圈盘对高速涡流斥力机构完成行程时间的影响情况。实验检测波形如图9所示。
    可以直接从图中读出，高速涡流斥力机构完成行程的时间，多股李兹线时为3.9ms，单股漆包铜线时为2.3ms。
    这就很清楚可以知道单股漆包铜线的效果是要好于多股李兹线的。这就说明了线圈盘线材的选择对高速涡流斥力机构的影响也是很大的。
    （5）线圈盘线径对机构动特性的影响
    实验中高速涡流斥力机构的斥力盘采用7mm厚度，100mm直径的铜盘，储能电容容量10mF，行程距离为8mm，线圈盘分别采用线径为2mm，线径为1.8mm和线径为1mm的，匝数都是22的漆包铜导线，外径为100mm，线圈都是紧密排列，观察三种线径对高速涡流斥力机构完成行程时间的影响情况。实验检测波形如图10所示。
    可以直接从图中读出，高速涡流斥力机构完成行程的时间，线径为2mm的线圈盘时为2.2ms，线径为1.8mm的线圈盘时为2.3ms，线径为1mm的线圈盘时为3.8ms，这就可以清楚表明线径为2mm的线圈盘的效果是要好于线径为1mm的线圈盘的；线径2mm与线径1.8mm的结果时间相差为0.1ms，可以认为是实验误差所致，这种结果的变化已经不太明显了，这就说明了线圈盘线径在这种情况下越粗，高速涡流斥力机构完成行程时间越短，但当线径增加到一定程度，再加粗线径，反而效果不明显，因为虽然当线径增加后，线圈盘的直流电阻下降，可以提高电流的峰值，但电流峰值的维持时间也将减短，导致涡流斥力的峰值维持减短，最终导致完成行程的时间的延长。
    （6）电容初始电压的对机构动特性的影响
    实验中线圈盘由匝数为15，线径为1mm的漆包铜导线构成，外径为100mm，内径为70mm，斥力盘采用4mm厚度，100mm直径的铜盘，储能电容容量10mF，行程距离相同。实验通过改变储能电容的初始电压值，观察实际高速涡流斥力机构完成行程时间的变化情况。初始电压值分别取值250V，300V和350V，实验波形如图11所示。
    可以直接从图中读出，高速涡流斥力机构完成行程的时间，250V时为5.4ms，307V时为3.7ms，350V时为3.3ms，明显这个时间随着初始储能电压的加大而缩短了，储能电容的初始电压越大，表明储能电容储备的能量越大，最后转化的磁场能也越大，涡流斥力与线圈盘电流也越大，涡流斥力机构完成行程时间也就越短。
    4 结论
    通过样机实验结论可知，在电磁机构中若想提高电磁斥力可以通过以下方法来实现：①提高储能电容电压；②合理选择结构参数，提高能量转化效率，为选择合适的结构参数，可借助有限元仿真优化软件来实现，因篇幅有限本文未涉及。
若要延长电磁斥力作用时间则主要通过增大电容容量的方法，又考虑到实际应用电容体积的限制，电容容值不能取得太大。
    参考文献：
    [1] Samir Basu， K.D.SRIVASTAVA， MEMBER， et al. Electromagnetic force on a metal disk in an alternating magnetic field. IEEE Trans. Power Apparatus and systems， Vol.PAS-88， No.8， pp1281-1285， 1969.
    [2] 董恩源，李博，邹积岩．超高速斥力机构与永磁机构的实验性能对比分析【J】．高压电器，2007，43(2)：125．126．
    [2] 李庆民，刘卫东，徐国政，等．高压快速转化开关的研制．高压电器，2003，39(6)：6-7．
    [4] 李庆民，刘卫东，钱家骊．电磁推力机构的一种分析方法．电工技术学报，2004，Vol.19．
    [5] 毛海涛，庄劲武，杨锋，等．快速电磁斥力机构的有限元分析．2007年的亚太地区船舶机电设备维修技术国际学术会议．
    作者简介：
    刘明明（1985-），男，硕士研究生，主要研究方向为电力电子高频磁技术。
    陈为（1958—），男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为电力电子功率变换、高频磁技术、电磁兼容诊断与滤波器、电磁场分析与应用和电磁检测等
    徐东晟（1960-），男，福州天宇电气股份有限公司总工程师、高级工程师，国务院特殊津贴专家。

 

本文由大比特收集整理(www.big-bit.com)