专利名称：一种高压断路器旋转伺服电机操动机构的制作方法
技术领域：
本实用新型属于输变电设备技术领域，特别涉及一种用于高压断路器的旋转伺服电机操 动机构，适用于断路器的智能化操作。 技术背景
断路器的主要功能体现在触头的分/合闸，而分/合闸又是通过操动机构来实现的，因此操 动机构的工作性能和质量的优劣，对高压断路器的工作性能和可靠性起着极为重要的作用。 断路器在电网中起控制和保护作用，是输变电领域的一种重要设备，它不但要保证断路器长 期的动作可靠性，而且要满足灭弧特性对操作机构的要求。对高压断路器而言，要求操动机 构既能获得较高的分合闸速度，又能快速实现自动重合闸操作。现有的操动机构主要有液压 操动机构、弹簧操动机构或气动技术等，大都由一整套机械装置构成，零部件多，传动机构 复杂，制造工艺要求高，且运动过程不可控。
实用新型内容
为了解决现有断路器存在的问题，本实用新型提供一种用于高压断路器的旋转伺服电机操 动机构，采用高性能数字处理器DSP的伺服控制器进行控制，通过对旋转电机的转矩、转速 及转动位置的控制，实现对断路器的智能控制。
本实用新型包括旋转电机、伺服控制器和传动机构，旋转电机的电机主轴通过传动机构 与高压断路器的动触头连接，旋转电机通过电枢绕组以及位置传感器和速度传感器与伺服控 制器连接。
旋转电机包括定子铁心、转子铁心、电枢绕组、永磁体、外壳、位置传感器和速度传感 器以及制动保持装置，沿径向由内到外依次分布为转子铁心、永磁体、电枢绕组、定子铁 心、外壳，定子铁心由硅钢片叠压而成若干个槽形结构，在相对转子铁心侧的槽中置有电枢 绕组，转子铁心上依次嵌放有极性相反的永磁体，永磁体构成旋转电机的磁极，相邻两磁极 之间置有非导磁材料，电枢绕组形式采用单层集中整距；位置传感器安装在旋转电机定子铁 心上，速度传感器装在旋转电机的转子铁心上。位置传感器为霍尔元件，速度传感器为编码 器。
其中制动保持装置，当制动器线圈通电时，线圈产生的磁场使衔铁吸向磁轭，衔铁与制 动盘脱离(释放)，当线圈断电时，磁通消失衔铁被释放，弹簧施压与衔铁，将制动盘上的摩
擦片压紧，从而产生制动力矩，达到制动的目的，从而实现断路器的分/合闸位置的保持。 本实用新型中的伺服控制器由以下几个单元组成
(1) 电源单元——电源单元为直流电源或者蓄电池，分别连接控制单元和储能单元，
(2) 储能单元——电容器作为断路器动作的储能单元，通过电源充电；
(3) 输入输出单元——输入输出单元主要是接收分/合闸指令，包括键盘、显示器以及通讯 接口，连接控制单元，实现分/合闸命令的输入和旋转电机状态的输出，显示断路器运行情况和 下载运行记录及与计算机等设备的通讯等等；
(4) 控制单元——控制单元主要由微处理器DSP和存储器构成，发送操作指令及控制驱动 电路使旋转电机进行分合闸操作，并且存有预定的行程曲线，接收传感器发送的旋转电机位置 信号和预定行程曲线相比较，控制旋转电机的运动。它分别连接输入输出单元，旋转电机上 的位置传感器和速度传感器分别与控制单元相连，将旋转电机的位置以及速度信号传给控制单 元，控制驱动单元向旋转电机提供能量；当旋转电机实现了分/合闸操作后，利用控制单元控制 制动保持装置使旋转电机保持在分/合闸的位置。
本实用新型中伺服控制器的控制过程，按以下步骤执行
1. 初始化；
2. 判断断路器处于分/合位置；
3. 等待分/合命令；
4. 调用分/合闸中断服务过程；
5. 分/合闸过程结束；
6. 保持分/合闸状态；
7. 结束返回等待分/合闸命令。
上述步骤4中分/合闸服务中断子过程，按以下步骤执行
1. 磁极位置判断；
2. 读取速度；
3. 比较速度；
4. 调节速度；
5. 读取电流；
6. 调节电流；
7. 确定PWM占空比；
8. 更新PWM寄存器；
9. 判断是否结束；
10. 返回。
本实用新型有益效果是减少了机械传动链，结构简单可靠。伺服控制的使用可以取消传 统的缓冲装置，缓冲由旋转电机的反向力提供，而且可以将剩余的能量返回给储能单元。控 制规律由程序来实现，旋转电机提供的转矩带动转轴运动以驱动断路器的分合闸，通过检测 断路器的运动状态，能够自动调节输出能量的大小。旋转电机操动机构的电子驱动系统依赖 电力电子器件控制动力源，保证执行指令的时间精度可以达到微秒级，可以通过程序实现各 种运动控制策略，对动触头的运动过程进行优化控制，有助于断路器的熄弧，减小操作过电 压，减小涌流提高断路器开断能力。减小了对结构件的冲击应力，保证断路器可靠运行，便 于实现开关的智能化。
图1是本实用新型的结构示意图，
图2是本实用新型中旋转电机的结构示意图，
图3是本实用新型的伺服控制器框图，
图4是本实用新型旋转电机的电气控制原理图，
图5是本实用新型伺服控制器的控制流程图，
图6是图5中分/合闸服务过程流程图，
图7是制动保持装置的结构示意图，
图8是实施例中的预设速度曲线图中l旋转电机、2电机主轴、3法兰、4传动机构、5触头弹簧、6三脚架、7动触头、 8静触头、9灭弧室、IO永磁体、ll非导磁材料、12电枢绕组、13槽、14前端盖、15外壳、16 转子铁心、17定子铁心、18制动保持装置、19编码器，20显示器、21通讯接口、 22位置传感 器、23编码器、24旋转电机、25电流传感器、26电源。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步描述如图1所示，本实用新型包括旋转电机
1、伺服控制器和传动机构4，其中传动机构4为四连杆，旋转电机的电机主轴2通过传动机 构4与高压断路器的动触头7连接，旋转电机通过电枢绕组12以及位置传感器和速度传感器 与伺服控制器连接。 旋转电机结构如图2所示，包括永磁体IO、电枢绕组12、电机主轴2、外壳15、转子铁 心16、定子铁心17、编码器19，沿径向由内到外依次分布为电机主轴2、转子铁心16、 永磁体IO、电枢绕组12、定子铁心17、外壳15，其中定子铁心17由硅钢片叠压而成若干个 槽形结构，在相对转子铁心16侧的槽中置有电枢绕组12，转子铁心16上嵌放有极性相反的 永磁体IO，永磁体IO构成旋转电机的磁极，沿轴向相邻两磁极之间置有非导磁材料11，电 枢绕组12在槽13中按单层集中整距绕组的形式；位置传感器装在定子铁心上，速度传感器 装在旋转电机的转子铁心上。在电枢绕组12中通入电流，电流在永磁体产生的磁场中受到安 培力的作用产生转矩从而推动旋转电机转子铁心16的转动，不同磁极下的绕组通入方向相反 的电流，使得同一时刻所产生的推力最大。
本实用新型中的伺服控制器，如图3、图4所示，包括电源单元、储能单元、输入输出 单元、控制单元及驱动单元，电源单元为电源或者蓄电池，其分别连接控制单元和储能单元， 为控制器供电以及为储能单元输送能量；电容器作为断路器动作的储能单元，通过电源充电， 通过驱动单元将能量输送给旋转电机；输入输出单元包括键盘、显示器以及通讯接口，连接 控制单元，实现分合闸命令的输入和旋转电机状态的输出，显示以及与计算机等设备的通讯； 控制单元主要由微处理器DSP构成，驱动单元由功率管及IPM驱动模块IR2130组成，功率 管有两个IGBT和二极管组成的单桥臂驱动电路构成，驱动单元分别与控制单元、储能单元 和旋转电机相连；电流传感器安装在IPM与储能电容相连的导线上，监测电流的大小；本例 中的控制单元采用TMS320x2407型号的芯片，分别连接输入输出单元、驱动单元以及旋转电 机和电流传感器，接收旋转电机和电流传感器的反馈信号，控制芯片的IOPB4和IOPB5与键 盘相连，接收分/合闸命令；IOPE1-IOPE6与显示器相连，将断路器的状态输出到显示器；IOPA0 和IOPA1和通讯接口相连，实现与外部设备的通讯；PWM1、PWM2 口分别与IR2130的HIN1 和LIN1相连并通过IR2130的H01和LOl，分别与两个IGBT电路连接，控制IPM的两个功 率管IGBT1、 IGBT2的通断，IGBT1、 IGBT2同一时刻只有一个导通，向旋转电机输送能量 从而控制旋转电机的正反转；CAP1、 CAP2、 CAP3与旋转电机上的位置传感器相连，接收 旋转电机的位置反馈信号，根据位置状态的不同，把得到的位置信号转变成电压信号与输入
的电压进行比较，通过控制输入电压的大小从而控制旋转电机电枢电流的大小；QEP3、QEP4、 CAP6接收旋转电机速度传感器的信号，与图8所示的预设速度曲线相比较，调节旋转电机 的运行速度；VINO 口与电流传感器相连，接收电流的反馈信号实现电流的监测；旋转电机上 装有位置传感器和编码器，将旋转电机的位置以及速度信号传给控制单元。
对于制动保持装置，当制动器线圈30通电时，线圈产生的磁场使衔铁28吸向磁轭29,衔 铁28与制动盘27脱离(释放)，当线圈5断电时，磁通消失衔铁28被释放，弹簧31施压与衔铁28， 将制动盘27上的摩擦片压紧，从而产生制动力矩，达到制动的目的，从而实现断路器的分/合 闸位置的保持。
本实用新型中伺服控制器的控制过程，如图5所示，按以下步骤执行
1. 初始化；
2. 判断断路器处于分/合位置；
3. 等待分/合命令；
4. 调用分/合闸中断服务过程；
5. 分/合闸过程结束；
6. 保持分/合闸状态；
7. 结束返回等待分/合闸命令。
上述步骤4分/合闸服务中断服务过程，如图6所示，按以下步骤执行
1. 判断磁极位置；
检测位置传感器信号，把得到的位置信号变换成电压信号与输入电压进行比较，调整旋 转电机输入电压的大小；
2. 读取速度；
读取预设速度曲线给定的速度值Z以及速度传感器反馈回来的旋转电机实际速度值V;
3. 比较速度；
将速度传感器测得的实际速度与给定的速度值相比较，将其差值作为速度调节的给定 误差，Av二V'-V;
4. 调节速度；
由给定的速度误差确定电流的误差值A/《一电流调节系数；
5. 读取电流；
读取电流传感器反馈回来的电流值/; 6.调节电流；
将电流传感器测得的实际电流值与电流误差值相加，确定电流调节的给定值， /* = A/ + / ; 7.判断是否结束； 8.返回。
权利要求1、一种高压断路器旋转伺服电机操动机构，其特征在于该操动机构包括旋转电机、伺服控制器和传动机构，旋转电机的电机主轴通过传动机构与高压断路器的动触头连接，旋转电机通过电枢绕组以及位置传感器和速度传感器与伺服控制器连接。
2、 根据权利要求1所述的一种高压断路器旋转伺服电机操动机构，其特征在于所述的旋 转伺服电机包括定子铁心、转子铁心、永磁体、位置传感器和速度传感器以及制动保持装置，沿径向由内到外依次分布为转子铁心、永磁体、电枢绕组、定子铁心、外壳，定子铁心由 硅钢片叠压而成若干个槽形结构，在相对转子铁心侧的槽中置有电枢绕组，转子铁心上嵌放 有极性相反的永磁体，永磁体构成旋转电机的磁极，相邻两磁极之间置有非导磁材料，电枢 绕组采用的是单层集中整距；位置传感器安装在旋转电机的定子铁心上，速度传感器和制动 保持装置装在旋转电机的转子铁心上。
3、 根据权利要求1所述的一种高压断路器旋转伺服电机操动机构，其特征在于所述的位 置传感器为霍尔元件，速度传感器为编码器。
4、 根据权利要求1所述的一种高压断路器旋转伺服电机操动机构，其特征在于所述的伺 服控制器由以下几个单元组成(1) 电源单元——电源单元为直流电源或者蓄电池，分别连接控制单元和储能单元，(2) 储能单元——电容器作为断路器动作的储能单元，通过电源充电；(3) 输入输出单元——输入输出单元主要是接收分/合闸指令，包括键盘、显示器以及通讯 接口，连接控制单元，实现分/合闸命令的输入和旋转电机状态的输出，显示断路器运行情况和 下载运行记录及与计算机的通讯；(4) 控制单元一控制单元由微处理器DSP和存储器构成，发送操作指令及控制驱动电路 使旋转电机进行分合闸操作，并且存有预定的行程曲线，接收传感器发送的旋转电机位置信号 和预定行程曲线相比较，控制旋转电机的运动，它分别连接输入输出单元，旋转电机上的位 置传感器和速度传感器分别与控制单元相连，将旋转电机的位置以及速度信号传给控制单元， 控制单元向旋转电机提供能量；当旋转电机实现了分/合闸操作后，利用控制单元控制制动保持装置使旋转电机保持在分/合闸的位置。
专利摘要一种高压断路器旋转伺服电机操动机构，属于输变电设备技术领域，包括旋转电机、伺服控制器和传动机构，旋转电机的电机主轴通过传动机构与高压断路器的动触头连接，旋转电机通过电枢绕组以及位置传感器和速度传感器与伺服控制器连接。旋转电机包括定子铁心、转子铁心、电枢绕组、永磁体、外壳、位置和速度传感器以及制动保持装置。线圈产生的磁场使衔铁吸向磁轭，衔铁与制动盘脱离(释放)，当线圈断电时，磁通消失衔铁被释放，弹簧施压与衔铁，将制动盘上的摩擦片压紧，从而实现断路器的分/合闸位置的保持。本实用新型的有益效果是减少了机械传动链，伺服控制的使用可以取消传统的缓冲装置，而且可以将剩余的能量返回给储能单元。
文档编号H02K41/03GK201188391SQ20082001143
公开日2009年1月28日 申请日期2008年3月5日 优先权日2008年3月5日
发明者徐建源, 李永祥, 莘 林, 马跃乾 申请人:沈阳工业大学