原文发表在《高压电器》2025年第1期。
https://www.chndoi.org/Resolution/Handler?doi=10.13296/j.1001-1609.hva.2025.01.008
弹簧机构用永磁电磁铁动作特性分析
赵彤1，游一民1，2，桑仲庆1，2，戴冬云1，2，顾晓东1，2，刘书泉1，2
(1. 厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建 厦门361024；2. 厦门市高端电力装备及智能控制重点实验室，福建 厦门361024)
一 内容简介
为满足12 kV柱上真空断路器快速投切的性能指标，在传统弹簧机构的基础上提出一种永磁电磁铁，介绍了其主要结构，并根据铁心运动过程的不同分析对应脱扣与复位过程的动作机理。利用有限元仿真法对不同过程下电磁铁的动作特性进行仿真计算，分析不同线圈电流、永磁力、电磁力以及行程等参数变化情况，最后进行了柱上真空断路器的固分时间测试。试验结果与仿真相符，在满足国家标准要求的情况下，试验样机能够实现在15～20 ms内完成脱扣动作，所设计的复位线圈能够实现电磁铁的可靠复位。
二 主要内容
弹簧操动机构作为柱上断路器的主要执行机构，承担着断路器合分闸的重要功能。在弹簧操动机构中，常用电磁铁作为驱动脱扣的装置，带动传统系统实现断路器的分合操作，其动作时间的长短直接影响断路器的分合闸性能。
弹簧机构的固有分闸时间由机构动作时间与脱扣时间两部分组成，其中机构动作时间与其本身零部件有关，占比小且固定。在不改变机构本体结构的情况下，一般通过减小脱扣动作时间来提升分闸速度。脱扣速度越快，电力系统短路故障切除的时间越短，有利于缩短保护的级差，实现对重要负荷故障的快速切除。因此，获取更快的脱扣速度是当下分闸电磁铁研究的重点方向之一。
目前针对弹簧操动机构用电磁铁的设计与优化分析已经取得相应进展，主要解决实际运行过程电磁铁出现的寿命与可靠性问题，针对动作时间的优化设计研究较少。传统螺管式电磁铁在动作过程中，铁心需经历磁化与加速两个阶段。在DC 24 V电压等级下脱扣动作时间往往在30 ms左右。受限于电压等级、线圈参数以及铁心尺寸，脱扣速度很难进一步提升，因此需更换设计思路。结合当前电磁永磁混合型机构节能、快速以及永磁力不会消失的特性，在接触器、继电器以及永磁机构等方面成功应用，可将其设计思路引入分闸电磁铁中。
文中针对ZW32-12型柱上真空断路器的分闸机构，提出一种电磁永磁复合型电磁铁，对其脱扣过程与复位过程的动作特性进行仿真分析，完成样机的实物测试与验证。首先针对样机结构进行建模，分析其脱扣与复位过程的运行机制。结合Ansys-Maxwell软件与电磁场计算理论，根据运动过程的不同，施加不同的外部激励源，完成对应参数的设置。在满足国家标准要求的前提下，研究永磁电磁铁脱扣与复位过程的动作特性。结果表明，仿真所得参数与试验基本吻合。相较于同电压等级下的普通电磁铁，该永磁电磁铁能够实现在15~20 ms内脱扣动作；结合保护算法测得机构固分时间小于30 ms。所设计的复位线圈能够在分闸过程结束后采用电磁复位的方式完成铁心的可靠复位。
1 永磁电磁铁结构与原理
2 永磁电磁铁仿真计算
2.1 电磁场计算理论
2.2 参数设置
2.3 动作特性
3 试验测试
三 结论
文中以柱上弹簧机构用永磁电磁铁作为研究对象，对其动作特性进行了仿真分析与实测验证，主要得出以下结论：
1)相较于传统螺管式电磁铁，文中所提出的永磁电磁铁能够在低电压15.6 V(65%额定电压)下实现可靠脱扣，在7.2 V(30%额定电压)不动作，满足国家标准要求。在额定电压DC 24 V下，文中所提出的永磁电磁铁实现16 ms内完成脱扣动作，且整体测试结果离散性较小。
2)目前市面上已存的永磁电磁铁采用机械结构完成铁心的复位，而文中所提出的永磁式电磁铁能够凭借自身线圈实现电动复位的功能，不会占用装置空间与提升机械复杂程度。
3)仿真结果与实测结果误差在合理范围以内，说明利用电磁场有限元仿真软件能够分析电磁铁动态特性，减少产品加工成本，提高设计效率，同时样机的设计与分析也为这一类型电磁机构提供设计思路与优化方向。
作者简介
赵彤(1998—)，男，硕士研究生，初级工程师，研究方向为电器智能化技术应用(E-mail：zhaotong2465@163.com)。
游一民(1963—)，女，博士，教授级高级工程师，研究方向为智能电器研究与应用(E-mail：youyimin@126.com)。
本文索引
赵彤，游一民，桑仲庆，等. 弹簧机构用永磁电磁铁动作特性分析[J]. 高压电器，2025, 61(1)：72-79.
ZHAO Tong，YOU Yimin，SANG Zhongqing，et al. Operation characteristic analysis of permanent electromagnet for spring mechanism[J]. High Voltage Apparatus，2025, 61(1)：72-79.
《高压电器》，CN 61-1127/TM，ISSN 1001-1609，邮发代号：52-36，1958年创刊，月刊，国内外公开发行，刊名由当时的人大常委会副委员长、中国科学院院长郭沫若同志亲笔题写。陕西省科技期刊精品期刊。
《高压电器》入选的数据库有：中文核心期刊、中国科技核心期刊、中国科学引文数据库（CSCD）核心刊、RCCSE中国核心学术期刊、世界期刊影响力指数（WJCI）报告。另外，《高压电器》还被国际著名的Scopus数据库收录，同时被俄罗斯的《文摘杂志》（AJ，VINITI）、英国的《科学文摘》（SA）及日本科学技术振兴机构数据库（JST）等著名期刊检索机构列为来源期刊。
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