高压断路器凸极式转子无刷线圈激磁直流电机操动机构研究

Due to the uncontrollable permanent magnet flux and the inherent defects of the permanent magnet, the traditional PMBLDCM suffers the limitation of its application in many high-tech fields. To consider the interruption performance limitations of PMBLDCM mechanism for high-voltage circuit breaker and the future needs, this project proposes new coils excitation brushless DC motor mechanism with salient-pole rotors，and studies the new method for reconstruction of the BLDCM structure. To improve the traditional structural principle, the rotor permanent magnet is replaced by an assisted field, and the constraints of the permanent magnet material properties is canceled. The presented motor can generate both the magnetic torque and the reluctance torque that is the important characteristic. Higher output torque characteristic of the new structure BLDCM actuator can be achieved by improving the air-gap flux and the armature winding current. No brushes or slip rings are required, and the permanent magnet has no demagnetization risk. The motor is numerically computed by 3-D FEM, the accuracy and effectiveness of 3-D FE analysis is verified. The new structure BLDCM mechanism experimental platform of control system for 126kV circuit breaker has also been built and tested. It satisfies the interrupting operation requirements and can improve the operational reliability of the high voltage circuit breaker.

传统PMBLDCM无法控制的永磁通量及永磁体固有缺陷限制了其在许多高科技领域中的应用。考虑目前高压断路器PMBLDCM操动机构开断性能的局限性及未来需要，项目提出新型凸极式转子无刷线圈激磁直流电机操动机构，并开展BLDCM结构重建的新方法研究。突破传统结构原理，并用辅助线圈取代转子永磁体激磁，取消永磁材料特性制约。产生电磁转矩和磁阻转矩是所提出电机的重要特性。新结构BLDCM操动机构更高输出转矩特性可通过提高气隙磁通及电枢绕组的电流实现、无需电刷或导电滑环、无永磁体退磁风险。应用三维有限元软件对电机进行数值分析并验证其准确性和有效性。建立126kV断路器新结构BLDCM机构控制系统试验平台并调试与分析，满足机构开断操作要求，提高高压断路器操作可靠性。

传统PMBLDCM无法控制的永磁通量及永磁体固有缺陷限制了其在许多高科技领域中的应用。考虑目前高压断路器PMBLDCM操动机构开断性能的局限性及未来需要，项目提出新型凸极式转子无刷线圈激磁直流电机操动机构，并开展BLDCM结构重建的新方法研究。突破传统结构原理，并用辅助线圈取代转子永磁体激磁，取消永磁材料特性制约。产生电磁转矩和磁阻转矩是所提出电机的重要特性。新结构BLDCM操动机构更高输出转矩特性可通过提高气隙磁通及电枢绕组的电流实现、无需电刷或导电滑环、无永磁体退磁风险。基于新结构BLDCM拓扑演变历程和磁场调制机理，提出了具有响应速度快、可控性好和调速范围宽等优势的断路器新型电机操动机构；分析了新型结构BLDCM的线圈励磁磁场调制能力，确定了获得最佳耦合能力的电机结构参数方案；对新型线圈励磁BLDCM进行了电磁分析和动态特性仿真，并与传统BLDCM的运行性能进行了对比分析；首次设计、研制了新型9/6双凸极BLDCM电机试验样机及机构控制系统实验平台，对电机本体和操动机构运动性能进行了全面的仿真和实验研究；研发了相应的机构控制系统，.重点分析激磁线圈产生的辅助磁场对电机电磁性能的影响：在励磁绕组电压不变时，仅改变激磁线圈的直流电流，就可改变电机的气隙磁通，达到增磁的目的；通过不同电压等级的空载和带载试验，并对各项试验数据进行分析，验证了所提出电机结构及原理设计的正确性和有效性。通过理论与实验研究，形成了该种电机及其操动机构控制系统较为完整的理论体系和分析设计方法。..结合该项目的研究，培养在读博士1名，硕士8名（已毕业5名，在读3名）；在国内外重要学术刊物及国际会议上发表论文15篇，其中EI收录8篇，另有1篇期刊论文已录用待发表；获授权国家专利5项。.本项目研究不仅对推动新结构BLDCM机构的实际应用具有重要工程应用价值，而且所解决的学术问题亦具有重要的科学意义。