1 引言
断路器中操动机构是很重要的组成部分，大多数的开关故障多发生在操动机构部分，因此断路器对操动机构的机械特性要求非常严格。最近几年，一种以电磁操动、永磁保持、电子控制的永磁操动机构受到了广泛关注，永磁操动机构采用一种独特的结构，将电磁线圈和永久磁铁合理的结合在一起， 避免了分合闸位置和机械脱扣、锁扣系统所造成的不利因素，只通过永久磁铁产生的保持力就可以使断路器保持在分、合闸位置上， 由于其结构简单、零部件少，从而使机械系统可靠性大大提高，可实现免维护或少维护运行[1]。 环网柜被广泛应用于配电领域，由于配电网的电压等级较低，因此对操动机构的产生的能量要求并不高，电磁-永磁操动机构所产生的能量足够使用。永磁操动机构的发明降低了环网柜在生产，运行和维护中的成本， 也极大的提高了环网柜的安全性和可靠性，基于以上特点，永磁操动机构在中低压领域具有良好的发展前景。对于永磁操动机构，不仅需要研究其机械特性，还要对其进行磁场分析来验证是否符合实际需求[2]，因此本文针对一款 10kV 环网柜用永磁操动机构进行建模，并利用 COMSOL 软件对其在永磁体单独作用下的合闸状态和分闸状态下的三维磁场仿真计算和研究，同时利用软件对合闸状态下永磁体对动铁芯产生的吸力进行计算，计算结果与实验值进行对比，发现基本符合实际要求。
2 静态磁场计算方法
麦克斯韦方程组：
3 永磁操动机构工作原理及机构
永磁操动机构按照工作原理可以分为单稳态结构和双稳态结构，对于双稳态结构，永磁体对于分闸状态和合闸状态都提供保持力，使动铁芯保持在相应的状态，此种结构需要两个线圈来产生分闸和合闸时所需要的能量。对于单稳态结构，与双稳态结构相比最大的区别是在，单稳态机构拥有分闸弹簧和一个线圈，分闸弹簧用来给分闸时动铁芯提供保持力，对线圈通不同方向的电流，来实现合闸和分闸操作[3]。本文所使用的时单稳态永磁操动机构。
本文所使用的永磁操动机构模型如图 1 所示，由图可知，永磁操动机构的零件很少。相对于二维静态磁场分析，三维磁场分析会更加直观的显示出各部分的磁感应强度分部情况。
本文旨在观察分合闸状态下整体的磁感应强度分布，所以采用三维建模仿真，永磁操动机构的三维结构模型如图 1 所示。
本文采用 COMSOL Multiphysics 对模型的磁场分布进行计算和分析[4]。使用四面体网格对该模型进行剖分， 并对磁回路部分网格进行加密，最终整个模型剖分单元为 1446015个， 精度满足要求， 其中合闸状态下的动铁芯和静铁芯网格剖分如图 2 所示。
4 静态磁场分析计算
4.1 材料预设
对合闸状态下的三维静态磁场进行仿真，本文选取的永磁体型号为 N45SH，充磁方向为径向， 通过查阅资料，选择剩余磁通密度为 1.34T，矫顽力为 933A/m。对于永磁操动机构导磁部分，采用的是 Q235 钢， 相关的 B-H 曲线如图 3 所示
4.2 合闸状态仿真
动铁芯处于闭合位置时，整体磁感应强度分布和动静铁芯磁感应强度分布如图 4 所示 由图 4 可以看出，由于永磁体的作用， 使得动铁芯与静铁芯互相吸合，与其他导磁部分形成闭合的磁回路，动铁芯和静铁芯的面积比较大且 Q235 钢导磁性能好，所以这两处的磁感应强度比其他区域要大，根据图 3 的 Q235 钢 B-H 曲线分析，此时，这两处的磁感应强度已经趋于饱和状态，最大的磁感应强度为 1.9T。在动铁芯闭合位置时，永磁体对动铁芯产生的保持力为 3919.1N，足以保持动铁芯始终处于闭合状态。
4.3 分闸状态仿真
当动铁芯处于分闸状态时，整体的磁感应强度和动静铁芯磁感应强度分布如图 5 所示
由图 5 可以看出，在分闸状态下，磁感应强度主要集中在动铁芯部分，而对于静铁芯，仅有少量磁力线经过动、 静铁芯之间的空气进入到静铁芯中，这部分漏磁对于整个操动机构来说可以忽略不计。 对于动铁芯， 与合闸状态相比， 此时整体并没有达到饱和状态，仅有少部分拐角处出现磁力线转向的拥堵现象，导致磁通饱和的情况，最大的磁感应强度为 1.84T，这是由于上半部分存在非导磁材料。 由于本模型为单稳态永磁操动机构，所以需要弹簧设置预拉力，使动铁芯保持在分闸状态。对于上部端盖，由于是材料是铝，导磁性能差，但是永磁体产生的磁场比较强，使其下部与导磁材料接触部分（还包括气隙部分）中有磁力线通过，因此与动铁芯部分形成磁回路。
5 结束语
利用 COMSOL 的三维静态磁场分析永磁操动机构在永磁体单独作用下的合闸状态和分闸状态的磁感应强度分布和磁路走向，同时求出合闸状态下永磁体对动铁芯产生的保持力，与现有的实验结果进行对比，发现永磁体对动铁芯产生的磁场力足以使操动机构保持在合闸状态。同时三维仿真的结果更加接近真实情况， 对产品设计提供了一个参考。
参考文献
[1] 游一民,陈德桂,孙志强,张敬菽.基于动态分析的永磁机构最佳设计参数的选择[J].电工电能新技术,2004(01):43-46.
[2] 谈丽娜,房淑华,林鹤云.断路器用永磁操动机构软件分析系统[J].江苏电器， 2006(06):9-11.
[3] 卢芸,林莘.双稳态及单稳态永磁操动机构的研究[J].沈阳工业大学学报,2002(02):103-106.
[4] 陈庆东,王俊平.基于 COMSOL 软件的静磁场仿真与分析[J].大学物理实验,2018,31(02):88-91.
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