[发明专利]一种用于高压断路器及其使用的轴向磁通永磁电机

说明书

本发明涉及一种用于高压断路器及其使用的轴向磁通永磁电机，包括沿轴向依次设置的第一定子、第一转子、第二定子、第二转子以及第三定子，形成三定子双转子的三明治结构；所述第一定子和第三定子的外侧设置铁芯；所述第二定子为双层结构，中间设置铁芯；第一转子和第二转子结构相同，均包括沿圆周向排列的三相共9个无刷绕组，9个无刷绕组形成圆环，旋转过程中产生磁场。本发明采用轴向磁场永磁同步电机作为高压断路器驱动电机，降低了铁芯的饱和程度从而提高了输出转矩、降低了转动惯量，可以让电机驱动高压断路器的电压等级进一步提高。绕组的固定材料密度比较低，从而可以提高电机驱动高压断路器的动态响应。

技术领域

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种用于高压断路器及其使用的轴向磁通永磁电机。

背景技术

高压断路器的主要功能体现在动触头的分合闸操作上，而分合闸操作又是通过操动机构来实现的。目前比较常用的操动机构主要有电磁操动机构、弹簧操动机构、气动操动机构和液压操动机构等。这些传统的操控机构存在比较大的不足，体现在灵活性差、动作时间分散性大、不利于生产和维护、低可靠性等。另外，在当前高速发展的智能电网的要求下，也要求对高压断路器的机械状态、电气状态和控制状态等关键参数进行监测，这样就可以全面评估设备的运行状态，带来巨大的经济效益。因此，有必要研究具有在线补偿能力、结构简单、可靠性高、动作冲击小、运行维护安全的新型操动机构，也就是电动机。

电动机驱动高压断路器由来已久，在二十世纪四十年代ABB公司就曾经提出电机驱动断路器运动的概念，截止2005年已经有100多台电动机操动机构的高压断路器在17个国家分别投入使用。目前，国内已有40.5kV和126 kV电压等级的电机驱动断路器研制成功并投放电网运行。但是我国交流输电系统电压等级已经发展到1000kV，电动机驱动高压断路器电压等级发展远远低于我国交流输电系统电压等级。故而，电动机驱动高压断路器的电压等级提高是一个亟待解决的问题。

高压断路器往往需要在十几毫秒的极短时间内完成开闸和合闸。制约电机驱动高压断路器的电压等级发展的因素是它的动态响应特性，即电机带动断路器断开的瞬时加速能力。高瞬时加速能力意味着高输出转矩与低转子转动惯量。随着电压等级的提升，输出转矩要求进一步提高，转子转动惯量要求进一步降低，现有的通用电机不足以满足这样的要求，故而限制了其发展。所以，对于高压断路器的专用驱动电机的电机本体设计十分重要。

国内只有几所高校针对高压断路器的操作机构电机设计进行了研究，电机类型很多但都属于径向电机，所应用电压等级未超过126kV。对于电机的供电类型，采用永磁同步电机提高转矩密度和功率密度是所有研究者的共识的趋势，但在磁通路径上过去的研究方案采用了直线电机、径向磁场电机。

沈阳工业大学林莘、徐建源课题组提出了适用于40.5kV真空断路器的永磁无刷直线电机、永磁同步直线电机、圆筒形直线感应电机等设计。但是对于更高电压等级的驱动电机设计并未提及，但研究始终难以克服高输出转矩和低转动惯量的矛盾。

浙江大学和西安交通大学开发出一种直线电机直接带动真空断路器完成分合闸的电机操作机构。

清华大学采用径向磁场的内转子永磁同步电机，所研发的126kV电机驱动高压断路器2016年在南方电网挂网运行，不过所应用的电压等级已难以进一步提高。

直线电机由于直接驱动负载，负载的变化和外部扰动将毫无衰减地反映到动子上，以及电机存在较大的纵向端部效应和齿槽效应，产生的推力纹波会直接降低电机操动机构的伺服性能，尤其在高精度控制场合，影响了断路器分、合闸的控制效果。

径向磁场电机内转子齿根处的磁通路径是瓶颈状的，容易饱和所以无法进一步提高输出转矩，还有冷却困难和转子铁芯利用率低等方面的缺点。

发明内容