自動轉(zhuǎn)換開關電磁機構(gòu)反力特性的分析方法

蘇秀蘋，李則臣，喬延華，王景新

（河北工業(yè)大學 電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室，天津 300130）

自動轉(zhuǎn)換開關電磁機構(gòu)反力特性的分析方法

蘇秀蘋，李則臣，喬延華，王景新

（河北工業(yè)大學 電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室，天津 300130）

雙電源自動轉(zhuǎn)換開關（ATSE）電磁機構(gòu)的反力特性研究是雙電源自動轉(zhuǎn)換在開關設計和研發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié).通過描繪機構(gòu)的反力特性曲線，可以計算出電磁鐵工作時所需要的最小吸力，從而可以設計出工作更加可靠、性能更加優(yōu)良的電磁機構(gòu).本文針對轉(zhuǎn)換開關電磁機構(gòu)提出了兩種反力特性的分析方法：第一種是動力學仿真分析法.該方法利用虛擬樣機技術使動鐵心運行至某一氣隙，提取阻擋件上的受力情況從而得到相應的反力值.另一種是反力解析法.通過讀取在仿真軟件中得到的各構(gòu)件間的位置信息，建立相關力學分析模型計算出相應氣隙下機構(gòu)的反力值.以某型號雙電源自動轉(zhuǎn)換開關為例，采用以上兩種分析方法分別得出鐵心在不同氣隙下的反力特性，并將兩種方法得到的數(shù)據(jù)進行對比.經(jīng)比較，兩者數(shù)據(jù)相對誤差完全控制在3%以內(nèi).因此可得出結(jié)論：在無實體樣機參與的情況下，該思路對自動轉(zhuǎn)換開關電磁機構(gòu)的反力特性研究具有創(chuàng)新性和可行性.

雙電源自動轉(zhuǎn)換開關；虛擬樣機；反力特性

0 引言

對于一體式ATS，其操動機構(gòu)的驅(qū)動方式大概可以分為2種：一種是由電機驅(qū)動的電動式操動機構(gòu)，另一種是具有電磁機構(gòu)的電磁式操動機構(gòu).電磁驅(qū)動主要是通過對勵磁線圈通以額定電壓或電流使電磁系統(tǒng)磁化產(chǎn)生吸力，從而使鐵心克服反力作用實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化為機械能的目的.電磁機構(gòu)作為ATSE的關鍵部件，在其設計中有很多困難.其中就包括在較大的氣隙下氣隙磁阻很大，當動鐵心受到的吸力小于反力作用時便無法實現(xiàn)吸合[1].一體式ATS電磁操動機構(gòu)的反力特性是指操作機構(gòu)上的反力彈簧對電磁鐵的反作用力在氣隙處的折算值，計算氣隙處的反力特性的目的是使它可以方便的與吸力特性進行配合分析，尋求實現(xiàn)對電磁機構(gòu)的優(yōu)化設計.

目前，學術界對不同類的高低壓電器的反力特性研究主要采用以下3種方法：

1）實驗法.搭接實體電路，通過對位移和相應的力的測量直接實現(xiàn)對目標電器的反力測試.依靠實驗法對力測量的主要方法有：克力計法、壓縮彈簧法和力傳感器法等.對位移測量的主要方法有：塞片法、CCD/高速攝像法[2]以及位移傳感器法[3].文獻 [3-5]介紹了由某種懸臂梁式應變片力傳感器、光柵位移傳感器組成的測量裝置，并輔以單片機做為控制中心實現(xiàn)產(chǎn)品控制和數(shù)據(jù)采集.文獻 [6]采用非接觸光電檢測技術，應用高速線陣CCD對位移信號進行采集，以拉壓傳感器模塊測量反力，以步進電機正反轉(zhuǎn)驅(qū)動簧片位移實現(xiàn)反力測量.

2）解析法.文獻 [7]是通過建立配永磁操動機構(gòu)真空斷路器動特性計算模型，對永磁操動機構(gòu)及其滅弧室的反力特性進行計算并得到歸算至機構(gòu)動電磁鐵上的反力特性曲線.文獻 [8]主要研究具有回跳特征的繼電器的反力特性.與傳統(tǒng)的僅僅計算靜態(tài)反力特性方法不同，它將繼電器簧片結(jié)果等效為彈簧-振子模型，通過計算連續(xù)接觸力的方法，計算出了模型動態(tài)的反力特性，大大減小計算誤差.文獻 [9]是河北工業(yè)大學蘇秀蘋等人通過計算出接觸器主觸頭彈簧和常開觸頭彈簧在不同節(jié)點的反力特性，然后疊加形成接觸器整體反力特性曲線，為神經(jīng)網(wǎng)絡化方法優(yōu)化電磁系統(tǒng)提供支持.

3）計算機輔助法.文獻 [10]是以幾種典型的小型繼電器觸點系統(tǒng)為樣本，應用力學原理建立反力特性數(shù)學模型，并編制計算機仿真程序，實現(xiàn)對繼電器反力特性的仿真分析.文獻 [11]是采用虛擬樣機技術建立某繼電器虛擬樣機，并通過正交實驗法研究分析該繼電器的反力特性并以此優(yōu)化電磁機構(gòu).文獻 [12]利用有限元軟件ANSYS對磁脫扣器進行靜態(tài)磁場分析，分析得出改變反力彈簧的初始長度比改變彈簧的剛度更容易實現(xiàn)斷路器脫扣電流的線性調(diào)節(jié).此外，還有一些是利用多種方法結(jié)合的辦法研究反力特性的.文獻 [13]利用有限元仿真軟件ANSYS仿真分析出動靜鐵心在分斷時主磁通與漏磁通的方向相反的結(jié)論，進而通過單片機智能控制相斥的磁力，實現(xiàn)在不增加反力彈簧剛度的前提下增加分斷時的反力特性達到快速分斷的目的.文獻 [14]是利用試驗測量出的分閘電流波形對電磁鐵進行逆性分析，從線圈電流中提取出有關機械反力的“指紋”特征，為反力研究提供了新的思路.

很明顯，依靠實驗法能夠獲取更加精確的電磁機構(gòu)的反力特性.但是實驗過程需要有實體樣機參與.解析法的優(yōu)勢在于對模型并不復雜的機構(gòu)來說，計算速度快，數(shù)據(jù)可靠性高.但是對于模型相對復雜的產(chǎn)品來說模型受力分析復雜且計算步驟繁瑣，會影響計算結(jié)果的精度且通用性較差.虛擬樣機技術可以實現(xiàn)對模型的參數(shù)化建模，不僅可以完全模擬真實樣機，而且還可以方便的更改樣機參數(shù)和尺寸，優(yōu)化產(chǎn)品性能.虛擬樣機技術已經(jīng)成為電器產(chǎn)品開發(fā)的一種有效手段，越來越廣泛的被各大電器廠商所使用[15].利用虛擬樣機技術，可以仿真計算出電磁機構(gòu)的反力特性曲線，從而擺脫設計盲目性，為電磁機構(gòu)的設計提供有效依據(jù).

本文采用機械動力學仿真軟件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）建立某型號雙電源自動轉(zhuǎn)換開關虛擬樣機，利用動力學仿真的方法測量出該型號雙電源開關電磁鐵在不同氣隙下的反力特性.同時再依靠工程力學原理對該模型機構(gòu)部分進行受力分析，計算出電磁鐵在不同氣隙時的反力特性曲線.最后對兩者得出的數(shù)據(jù)進行對比，用計算數(shù)據(jù)作為對仿真結(jié)果的驗證.

1 模型機構(gòu)的工作原理

雙電源自動轉(zhuǎn)換開關的合閘傳動機構(gòu)主要由杠桿、連桿、連桿連接軸以及定位銷組成，機構(gòu)模型如圖1所示.

四連桿機構(gòu)包括連桿7、8、9和連桿連接軸1和4組成的虛連桿.連桿7通過連桿連接軸1與電磁鐵相連，杠桿5繞固定限位銷6旋轉(zhuǎn).限位銷使連桿7和連桿8能都沿著一定的軌跡運動.在這里連桿8是一個與彈簧同軸的桿件.在機構(gòu)運動過程中，電磁鐵帶動連桿7向下運動從而產(chǎn)生正力矩，同時彈簧產(chǎn)生反力矩.彈簧由于形變產(chǎn)生了形變力帶動觸頭機構(gòu)動作.可以看出彈簧一方面發(fā)生形變產(chǎn)生拉力帶動機構(gòu)動作，使觸頭閉合或者分斷.另一方面彈簧的形變的作用力也是電磁鐵反力的主要來源.

在機構(gòu)動作的不同時刻，氣隙不同且彈簧力也隨之變化.因此選取n個不同時間點，測量出每一點對應的氣隙值以及機構(gòu)彈簧對電磁鐵的反力，即可描繪出一條以氣隙值為橫坐標力為縱坐標的反力特性曲線.

圖1 傳動機構(gòu)四連桿模型Fig.1 Four link model of Driving mechanism

2 機構(gòu)反力特性的動力學仿真分析法

通過建立轉(zhuǎn)換開關操作機構(gòu)虛擬樣機模型計算電磁機構(gòu)的反力特性.仿真步驟大致可分為3步.首先，利用機械動力學軟件ADAMS建立該模型的虛擬樣機，修改各構(gòu)件名稱，添加不同材料的密度和構(gòu)件間的摩擦系數(shù)，正確添加約束和載荷.其次，利用該軟件交互式仿真控制方式對該模型進行動力學仿真.根據(jù)仿真結(jié)果進一步完善模型.最后，對該模型進行不同氣隙下的反力特性測試.

圖2 電磁鐵位移至16 mm時模型圖Fig.2 The model diagram of electromagnet displacement to 16 mm

圖3 氣隙為16 mm時A點接觸力Fig.3 A point contact force with the 16mm air gap

以測量電磁鐵在氣隙16 mm時反力為例，介紹其具體操作方法.首先，利用該軟件的建模功能在電磁鐵一側(cè)建立擋板模型.其次，給電磁鐵施加一個恒力，使該力克服機構(gòu)彈簧反力而方向垂直向下（-Y軸方向）.當電磁鐵與擋鐵之間的氣隙由額定氣隙20 mm運動至所需氣隙16 mm以下時，使該恒力失效，此時電磁鐵因只受機構(gòu)彈簧的反作用力而回彈.當回彈至氣隙為16 mm處時，該位置上的電磁鐵擋板卡住電磁鐵使其由運動狀態(tài)變?yōu)殪o止狀態(tài).此時，讀取電磁鐵與擋板之間的Y軸方向接觸力即為該氣隙下所需反力值.模型如圖2所示.利用ADAMS后處理模塊讀取該氣隙下A點接觸力如圖3所示.待電磁鐵靜止后穩(wěn)定一段時間，讀取該接觸力仿真值約為202.77 N.

依據(jù)以上方法，選取氣隙從20 mm到氣隙1 mm之間的15個采樣點，通過該方法逐一仿真計算出電磁鐵在不同氣隙點下的反力值如表1所示，并以此繪制出電磁鐵在不同氣隙下的反力特性曲線，如圖4所示.

表1 電磁鐵不同氣隙下的反力值仿真數(shù)據(jù)表Tab.1 Simulation data table of the counterforce value of electromagnetic mechanism under the different air gap

圖4 不同氣隙下電磁機構(gòu)反力特性曲線Fig.4 Counterforce characteristic curve of electromagnetic mechanism under the different air gap

3 機構(gòu)反力特性的解析分析法

該機構(gòu)的一個典型特點是當一側(cè)電磁鐵受電磁力作用而向下移動時，該側(cè)電磁鐵同時受到機構(gòu)兩側(cè)彈簧產(chǎn)生的反作用力.因此若分析某一側(cè)電磁鐵的反力特性，思路是先把另一側(cè)主簧對該側(cè)電磁鐵的反作用力折算至該側(cè)，再與該側(cè)主簧產(chǎn)生的反作用力進行疊加，兩者共同決定模型的反力特性.

以圖1所示的右側(cè)電磁鐵運動為例，分析該側(cè)電磁鐵在不同氣隙下時的反力特性.計算步驟可以分成2步：

第1步：計算左側(cè)彈簧反力歸算至右側(cè)機構(gòu)的反力歸算值Fb.左側(cè)機構(gòu)受力模型如圖5所示.當施加電磁力使得右側(cè)電磁鐵向下移動時，左側(cè)主簧形變產(chǎn)生阻礙該側(cè)杠桿（杠桿5）繞限位銷6向右旋轉(zhuǎn)的阻力矩T1.同時，右側(cè)電磁鐵的重力作用也會阻礙杠桿5繞其固定限位銷6向右旋轉(zhuǎn)，故產(chǎn)生阻力矩T2.假定在杠桿5的水平方向設有能夠平衡兩個阻力矩的動力矩Tb，那么根據(jù)力矩平衡原理可以得出Tb=T1+T2.

由圖5可知

圖5 左側(cè)機構(gòu)受力模型Fig.5 Force analysis model of the left driving mechanism

力臂Lb、L1、L2的值可以通過ADAMS仿真軟件讀取相關構(gòu)建的位置坐標計算出來.F1為不同時刻的彈簧力值，可根據(jù)ADAMS仿真軟件的后處理模塊讀取.G為電磁鐵重力.因此由Tb=T1+T2，可以得出

第2步：計算右側(cè)電磁鐵的反力值.Fb即為左側(cè)機構(gòu)的反作用力在右側(cè)機構(gòu)的折算值，那么在建立右側(cè)機構(gòu)受力分析圖時，可以直接由Fb1來代替左側(cè)機構(gòu).右側(cè)機構(gòu)受力模型如圖6所示.

由圖6所示，當右側(cè)電磁鐵受電磁力作用向下運動時，右側(cè)機構(gòu)除了受到來自左側(cè)機構(gòu)對右側(cè)固定限位銷的反力矩Tb外，還受到本側(cè)主簧形變產(chǎn)生的反力矩T3.同時，給電磁鐵施加一個動力以平衡機構(gòu)的反力F吸，該力對該側(cè)限位銷產(chǎn)生動力矩F吸，電磁鐵本身的重力G也對該側(cè)限位銷產(chǎn)生動力矩T4.依據(jù)力矩平衡原理可知：T吸＋T4=Tb2＋T3.

由圖6顯示可知

圖6 右側(cè)機構(gòu)受力模型Fig.6 Force analysis model of the right driving mechanism

因為Lb2、L3、L4可以通過ADAMS仿真軟件讀取相關構(gòu)件的位置坐標計算出來.同時F3和G的值也可以通過該軟件后處理模塊直接讀取.那么根據(jù)力T吸＋T4=Tb＋T3可以得出

因為電磁鐵重力很小，約3～5 N左右，且該重力在兩側(cè)對稱，因此在計算中可以忽略不計.通過公式（9）計算得出的結(jié)果即為在某時刻下電磁鐵受到機構(gòu)的反力值.利用公式（1）～公式（8），分別計算和測量出鐵心在不同時刻下的吸力值以及對應的氣隙值，就可以通過該解析法計算得出該雙電源開關機構(gòu)在不同氣隙值下的反力特性.

利用ADAMS仿真軟件，讀取電磁鐵在不同氣隙下相關構(gòu)件的位置坐標及兩側(cè)彈簧力，計算出機構(gòu)各力臂、及反力的結(jié)果如表2、表3所示（忽略電磁鐵重力影響）.

表2 電磁鐵不同氣隙下Fb數(shù)據(jù)計算表Tab.2 Table of calculating Fbunder the different air gap of electromagnet

表3 電磁鐵不同氣隙下整體反力數(shù)據(jù)計算表Tab.3 Table of calculating total counterforce under the different air gap of electromagnet

反力仿真數(shù)據(jù)與解析計算數(shù)據(jù)對比如表4和圖7所示，并依據(jù)公式計算出相對誤差.

解析法與仿真法得出的反力特性數(shù)據(jù)對比后可知相對誤差的最大值為2.07%，完全控制在工程允許誤差范圍以內(nèi).誤差的主要來源一方面是仿真結(jié)果人為讀取數(shù)據(jù)的不準確，另一方面是在計算過程中產(chǎn)生的截斷誤差.

表4 相對誤差數(shù)值計算表Tab.4 Numerical calculation table of relative error

圖7 反力仿真數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)對比圖Fig.7 Comparison chart of simulation data and calculation data

4 結(jié)論

本文是在產(chǎn)品研發(fā)初期沒有實體樣機參與的情況下，針對某雙電源自動轉(zhuǎn)換開關電磁機構(gòu)的反力特性進行了創(chuàng)新性的研究，提出了兩種反力特性分析方法.首先利用機械動力學仿真分析軟件ADAMS建立某型號雙電源自動轉(zhuǎn)換開關的虛擬樣機模型并對模型進行動力學仿真分析，利用仿真計算得出的反力數(shù)據(jù)描繪該機構(gòu)的反力特性曲線.其次，利用虛擬樣機得到鐵心在不同氣隙下機構(gòu)各零件間的位置信息，根據(jù)工程力學原理建立機構(gòu)在相應狀態(tài)下的受力分析模型，根據(jù)力矩平衡的原理計算出電磁鐵在相應氣隙下的反力值.最后，把兩種方法得出的反力數(shù)據(jù)進行對比.經(jīng)對比：兩種方法得到的反力特性數(shù)據(jù)其相對誤差最大值為2.07%，遠遠小于工程上允許的誤差范圍，從而證實了利用動力學仿真計算的方法進行反力測試的可行性.該思路具有獨創(chuàng)性，同時可以為其他電器產(chǎn)品電磁機構(gòu)的反力特性研究提供了借鑒意義.

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[責任編輯 代俊秋]

An analysis method of the counterforce characteristics of ATSE electromagnetic mechanism

SU Xiuping，LI Zechen，QIAO Yanhua，WANG Jingxin
（Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China）

Research on the characteristics of Dual Power Automatic Transfer Switching Equipment(ATSE)operating mechanism has always been an important part in the design and development of the switch.By describing the mechanism of the counterforce characteristics curve,the minimum suction required for the work of the electromagnet can be easily calculated,which can be designed to be more reliable and more excellent performance of the electromagnetic machine.This paper presents two ways for the analysis of counterforce characteristics of ATSE Electromagnetic Mechanism.One is the dynamic simulation analysis of the counterforce calculation,by which the contact force on the barrier is extracted and the corresponding counterforce is obtained when the magnet running to a certain gap.The other is analytics.On the basis of reading the position of each component in the simulation software,mechanical analysis model can be established as well as the corresponding counterforce characteristics curve.Taking a certain type of ATSE for example and using these two kinds of methods,two anti-force characteristics of the core under the different air gap are drawn.Compared to the two groups of data,simulation results show that the relative error of the mechanism counterforce less than±3%for the calculated value. Therefore the conclusion can be drawn that this method is innovative and feasible for researching anti-force characteristics of the ATSE in the case of the absence of physical prototype.

Dual Power Supply Automatic Switching Equipment;virtual prototype;counterforce characteristics

TM 564.3

A

1007-2373（2017）01-0018-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.01.003

2016-11-08

河北省自然科學基金（E2016202284）

蘇秀蘋（1966-），女，教授，博士生導師.