新型雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)直流速動(dòng)電磁機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

趙靖英 孫政樑 姚帥亮 趙彥飛 蘇秀蘋(píng)

摘 要：雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)對(duì)于保證重要場(chǎng)合正常供電的持續(xù)性至關(guān)重要，新型雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)依賴(lài)電磁機(jī)構(gòu)帶動(dòng)觸頭系統(tǒng)替代斷路器進(jìn)行切換?；谛滦碗p電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的工作原理，深入分析電磁機(jī)構(gòu)的反力特性，研究直流速動(dòng)電磁機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，計(jì)算結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成初步設(shè)計(jì)。利用多軟件聯(lián)合方式建立了電磁機(jī)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)仿真模型，進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性分析；研究對(duì)電磁機(jī)構(gòu)性能影響較大的關(guān)鍵因素，確定優(yōu)化變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件，采用遺傳算法對(duì)電磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后，研制電磁機(jī)構(gòu)樣機(jī)，設(shè)計(jì)電磁吸力測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)靜態(tài)吸力及整機(jī)測(cè)試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性。

關(guān)鍵詞：雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)；電磁機(jī)構(gòu)；靜態(tài)特性；動(dòng)態(tài)特性；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 315

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2018）05-0052-11

Abstract：Automatic transfer switching equipment （ATSE） is a kind of apparatus to ensure the continuous power supply on important occasions. The new type of ATSE relies on electromagnetic mechanism by contact system to realize transformation instead of circuit breaker. Based on work principle of ATSE，the reaction force characteristics of electromagnetic mechanism were analyzed deeply. The design method of DC electromagnetic mechanism with rapid action was studied and the structure parameters were calculated. The preliminary design was completed. The simulation models of the static and dynamic characteristics were established by multi software combined mode. The characteristics were analyzed in detail. The key factors，which have greater influence on the performance of the electromagnetic mechanism，were researched. The optimization variables，the objective functions and the constraint conditions were determined. The structure was optimized by genetic algorithm method. At last，the prototype of the electromagnetic mechanism was developed and the static electromagnetic force tester was designed. Feasibility of the design was proved by the static electromagnetic force data and the whole test result.

Keywords：automatic transfer switching equipment； electromagnetic mechanism； static characteristics； dynamic behavior； optimization design

0 引 言

電能已成為國(guó)家科技快速向前的有力支撐，機(jī)場(chǎng)、醫(yī)院、高樓、消防以及軍事基地等重要場(chǎng)合需要配備雙電源緊急供電系統(tǒng)。為保證其連續(xù)供電，就需對(duì)這些場(chǎng)合配備要雙電源供電系統(tǒng)甚至三電源供電系統(tǒng)。當(dāng)電力供應(yīng)受限制或者電源出現(xiàn)過(guò)載等故障時(shí)，需要將負(fù)載從一路電源切換至另一路電源。雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)為滿(mǎn)足這種需求提供了可能。

電磁機(jī)構(gòu)靜態(tài)特性研究方法主要包括磁場(chǎng)法和磁路法。磁場(chǎng)法計(jì)算精度高，但計(jì)算方法復(fù)雜、工作量大。文獻(xiàn)[1]從能量的角度運(yùn)用解析法對(duì)電磁系統(tǒng)氣隙處的磁場(chǎng)分布情況進(jìn)行分析，并對(duì)比了利用解析法與有限元法獲取的電磁系統(tǒng)的性能。磁路法處理邊界條件及導(dǎo)磁材料的非線(xiàn)性問(wèn)題時(shí)，一般會(huì)做大量的近似，故計(jì)算方法簡(jiǎn)單，但誤差較大。文獻(xiàn)[2-5]用磁路法快速得到電磁系統(tǒng)靜態(tài)特性的初步結(jié)果，然后確定一個(gè)映射系數(shù)來(lái)修正電磁系統(tǒng)幾何尺寸，以獲取更優(yōu)的靜態(tài)特性。文獻(xiàn)[6-7]使用有限元法建立了交流接觸器的三維靜態(tài)特性模型，通過(guò)離散的靜態(tài)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)過(guò)程分析。文獻(xiàn)[8]采用篩選技術(shù)確定幾何參數(shù)對(duì)電磁機(jī)構(gòu)靜態(tài)特性的影響，得出線(xiàn)圈形狀和支撐厚度比對(duì)其性能影響較大。

電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性研究方法主要包括基于靜態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)值求解、動(dòng)力學(xué)方程和控制方程聯(lián)合計(jì)算、有限元軟件與多體動(dòng)力學(xué)軟件建模計(jì)算等方法。在靜態(tài)特性的基礎(chǔ)上耦合電壓平衡方程和達(dá)朗貝爾機(jī)械運(yùn)動(dòng)特征微分方程可準(zhǔn)確獲取操作機(jī)構(gòu)的合閘時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度、位移等動(dòng)態(tài)特性[9]；動(dòng)態(tài)方程和控制方程控聯(lián)合計(jì)算可使計(jì)算更加準(zhǔn)確[10-12]；通過(guò)動(dòng)態(tài)控制合閘相位角、吸合過(guò)程強(qiáng)激磁的接通和斷開(kāi)時(shí)間等，可減小觸頭彈跳和磨損、提高電壽命[13-14]；使用有限元軟件與ADAMS軟件計(jì)算方法可以準(zhǔn)確獲取動(dòng)態(tài)過(guò)程的速度-時(shí)間圖像、加速度-時(shí)間圖像[15-17]；結(jié)合不同的磁路和電路模型，可以采用龍格庫(kù)塔法求解微分方程來(lái)分析電磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)過(guò)程[18]；采用多軟件聯(lián)合的方式可以對(duì)交流接觸器電磁鐵進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，實(shí)現(xiàn)電磁-機(jī)械的耦合[19-20]。

優(yōu)化設(shè)計(jì)可進(jìn)一步改進(jìn)產(chǎn)品性能。遺傳算法中運(yùn)用隨機(jī)采樣的方法從群體中找出最優(yōu)個(gè)體，該方法簡(jiǎn)便，但是由于其隨機(jī)性會(huì)產(chǎn)生一定的誤差[21-22]。文獻(xiàn)[23]采用改進(jìn)的遺傳算法對(duì)新型閥用電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，具有尋優(yōu)精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[24] 將人工魚(yú)群算法引入智能交流接觸器吸合與釋放全動(dòng)態(tài)過(guò)程控制參數(shù)和電磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，保證了機(jī)構(gòu)的快速釋放。文獻(xiàn)[25-26]采用ANSYS軟件研究分析了電磁系統(tǒng)的磁場(chǎng)分布和靜態(tài)特性，利用虛擬樣機(jī)的方法對(duì)電磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)[27]采用正交優(yōu)化方法找出了影響繼電器觸點(diǎn)分?jǐn)嗨俣鹊年P(guān)鍵參數(shù)，提出了調(diào)整參數(shù)的優(yōu)化方法。

傳統(tǒng)雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)多采用斷路器進(jìn)行切換，體積較大，安裝和設(shè)計(jì)不便。此外，斷路器電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)故障率較高，會(huì)影響雙電源開(kāi)關(guān)整體工作的可靠性。本文設(shè)計(jì)的新型雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)為PC級(jí)，用一個(gè)電磁機(jī)構(gòu)替代斷路器嵌于產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)可靠切換，體積較小。設(shè)計(jì)要求電磁機(jī)構(gòu)存放在狹小空間（長(zhǎng)60 mm、寬60 mm、高55 mm），并產(chǎn)生滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)長(zhǎng)行程（22 mm）快速閉合與大吸力的要求。為此，本文對(duì)速動(dòng)電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。在分析反力特性的基礎(chǔ)上，對(duì)采用大電流直流勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)的螺管式電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)電磁機(jī)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)；研究靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性分析方法，并進(jìn)行性能分析；采用遺傳算法完成優(yōu)化設(shè)計(jì)；制作樣機(jī)，搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試以確保設(shè)計(jì)的可行性。

1 直流速動(dòng)電磁機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 電磁機(jī)構(gòu)反力特性的研究

新型雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)左右各有一組四連桿機(jī)構(gòu)關(guān)于中心軸對(duì)稱(chēng)，分別作為 “常用路”和“備用路”。

圖1為雙電源操作機(jī)構(gòu)合閘模型受力簡(jiǎn)化圖。合閘過(guò)程中，電磁吸力垂直向下拉動(dòng)動(dòng)鐵心，動(dòng)鐵心通過(guò)連桿1帶動(dòng)杠桿圍繞固定限位銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)連桿2帶動(dòng)整個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)以及觸頭系統(tǒng)動(dòng)作。產(chǎn)生正力矩的力F2分解為2個(gè)力，一個(gè)為豎直向下的分力F21，一個(gè)為水平方向的分力F22。F22使連桿1偏離豎直方向1個(gè)很小的角度α。產(chǎn)生反力矩的F1由該側(cè)的主簧提供，隨著機(jī)構(gòu)動(dòng)作至不同位置而改變。電磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)鐵心從打開(kāi)到完全閉合這一過(guò)程，四連桿機(jī)構(gòu)一直處于死區(qū)，動(dòng)鐵心閉合時(shí)，四連桿機(jī)構(gòu)通過(guò)死點(diǎn)電磁機(jī)構(gòu)斷電，依靠主簧帶動(dòng)觸頭系統(tǒng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了電磁機(jī)構(gòu)的速動(dòng)性。

通過(guò)建立雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型獲取電磁機(jī)構(gòu)合閘模型的反力特性[28]：首先，利用機(jī)械動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS建立該模型的虛擬樣機(jī)，修改各構(gòu)件名稱(chēng)，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，利用交互式仿真控制方式對(duì)該模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真；最后，通過(guò)改變氣隙長(zhǎng)度，測(cè)量不同氣隙下連桿2（彈簧）的拉力和電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)鐵心反力彈簧彈力，力臂L1、L2的長(zhǎng)度以及連桿1偏移豎直方向角度α，得出了不同氣隙下合閘模型隨氣隙變化的參數(shù)值，如表1所示。從表1中可以看出F2數(shù)值較大，達(dá)到近260 N，電磁機(jī)構(gòu)需要提供較大的吸力。

1.2 電磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算

通過(guò)電磁機(jī)構(gòu)反力特性研究可知，電磁機(jī)構(gòu)需要提供較大的電磁吸力，螺管式結(jié)構(gòu)相比于其他電磁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電磁吸力大，故電磁機(jī)構(gòu)采用直流大電流勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)的螺管式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)磁材料采用電工純鐵，線(xiàn)圈采用銅導(dǎo)線(xiàn)。圖2為電磁機(jī)構(gòu)的軸向截面圖。

垂直于運(yùn)動(dòng)導(dǎo)磁體磁極表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度使運(yùn)動(dòng)導(dǎo)磁體產(chǎn)生軸向吸力，應(yīng)用麥克斯韋方程計(jì)算動(dòng)鐵心軸向應(yīng)力為

要保證電磁機(jī)構(gòu)可靠動(dòng)作，電磁吸力必須大于反力。本文選擇動(dòng)鐵心釋放處作為電磁機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)點(diǎn)，考慮設(shè)計(jì)和制造偏差，給予安全裕度，引入安全系數(shù)k=1.1[29]。

計(jì)算獲取的電磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

2 直流速動(dòng)電磁機(jī)構(gòu)的特性分析

本文采用多軟件聯(lián)合的方式對(duì)電磁機(jī)構(gòu)的靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，流程如圖3所示。

2.1 電磁機(jī)構(gòu)靜態(tài)特性分析

本文利用有限元軟件ANSYS對(duì)電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)仿真，將麥克斯韋方程組轉(zhuǎn)換為矩陣表達(dá)式，求解時(shí)，在導(dǎo)磁區(qū)Ω0和非導(dǎo)磁區(qū)Ω1內(nèi)滿(mǎn)足麥克斯韋本構(gòu)關(guān)系為：

利用虛功原理，首先在可移動(dòng)組件加載力標(biāo)志和虛功邊界條件，通過(guò)ANSYS中宏FMAGBC命令實(shí)現(xiàn)，使物理量Φ的邊界條件和Φ的法向?qū)?shù)在邊界條件上分別滿(mǎn)足狄利克萊邊界條件和諾依曼邊界條件，避免在求解電磁場(chǎng)時(shí)出現(xiàn)病態(tài)舉證，然后通過(guò)能量對(duì)移動(dòng)組件位移進(jìn)行微分求解，最后對(duì)組件表面求和，得到組件力的總和為

不同電流狀態(tài)（0.75I、I、1.2I）以及不同位置下電磁吸力仿真結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出：1）在相同電流氣隙較大（22～5 mm）時(shí)，氣隙磁阻遠(yuǎn)大于非工作氣隙和導(dǎo)磁體磁阻，氣隙越小，磁通越小，所以電磁吸力隨氣隙的減小而增大；2）在相同電流氣隙較?。?～3 mm）時(shí)，由于磁分路的存在引起磁壓降重新分配，使氣隙磁勢(shì)下降，電磁吸力有所下降；3）在氣隙（3～0 mm）時(shí)，磁分路起的作用逐漸減小，故電磁吸力又隨氣隙的減小而增大；4）在電流不同時(shí)，電流越大，磁勢(shì)就越大，工作氣隙磁勢(shì)也就越大，故電磁吸力隨勵(lì)磁電流的增大而增大。

圖4（a）～（f）是在額定電流下，氣隙分別為21、10 mm和1 mm的動(dòng)靜鐵心和軛鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的分布云圖。導(dǎo)磁體與工作氣隙接觸的地方磁導(dǎo)率μ變化非常大，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化比較復(fù)雜，在不考慮磁極端面的情況下，氣隙越小磁路的磁阻越小，分配到氣隙的磁勢(shì)就小，分配到導(dǎo)磁體上的磁勢(shì)就越多，導(dǎo)磁體的磁通就越大，導(dǎo)磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度B也隨之變大。由磁感應(yīng)強(qiáng)度B分布云圖也可以看出不同氣隙下導(dǎo)磁體各個(gè)部分磁感應(yīng)強(qiáng)度B不同，氣隙變小同一位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度B變大。由于軛鐵兩側(cè)的截面積小于動(dòng)鐵心的截面積，故在流過(guò)兩部分磁通相同的情況下，導(dǎo)致軛鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度大，動(dòng)鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度小。

2.2 電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析

雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性遵循動(dòng)力學(xué)和電磁學(xué)的兩個(gè)規(guī)律，分別滿(mǎn)足達(dá)朗貝爾運(yùn)動(dòng)方程和電壓平衡方程，即：

本文使用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS進(jìn)行了樣機(jī)建模、屬性設(shè)置、約束施加、仿真分析等研究，建模時(shí)先建立單個(gè)零部件的模型，根據(jù)零部件之間的配合關(guān)系進(jìn)行裝配得到整個(gè)機(jī)構(gòu)模型，施加約束時(shí)給各部件準(zhǔn)確施加運(yùn)動(dòng)副約束、方向約束、接觸約束和運(yùn)動(dòng)約束，得到電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)，如圖5（a）～（c）所示。

由圖5（a）可知：整個(gè)氣隙閉合過(guò)程大約為18 ms；在2.2 ms之前吸力小于反力，速度為零；2.2 ms之后動(dòng)鐵心開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，直到氣隙閉合速度逐漸變大；在氣隙閉合時(shí)刻速度達(dá)到最大為2.5 m/s；氣隙閉合后速度迅速減到零。

這段時(shí)間線(xiàn)圈電流不再按照指數(shù)增長(zhǎng)。雖然電流變化di/dt逐漸變小，但是這段時(shí)間電流仍然在緩慢增大，直到在6 ms時(shí)電流變化為0。

3）在6～11 ms期間，電流變化di/dt<0，電流開(kāi)始減小，直到磁分路起作用。

4）在11～18 ms期間，在11 ms時(shí)，電磁機(jī)構(gòu)磁分路起作用，磁鏈的變化dψ/dt逐漸變小，所以電流又重新增大，直到氣隙完全閉合。

圖5（c）顯示了電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)吸力變化趨勢(shì)與靜態(tài)吸力變化趨勢(shì)的一致性。吸力在7.6 ms變?yōu)樽畲螅?.6 ms時(shí)動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)到氣隙為6.1 mm的位置，該點(diǎn)同時(shí)也是反力最大處。

3 直流速動(dòng)電磁機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化變量的設(shè)定

從可靠性上講，電磁機(jī)構(gòu)性能穩(wěn)定且電磁吸力足夠大可以使雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)可靠吸合和分?jǐn)?；從?jīng)濟(jì)角度上說(shuō)，電磁機(jī)構(gòu)材料越少，經(jīng)濟(jì)成本越低。對(duì)電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的目的是在適當(dāng)提高電磁機(jī)構(gòu)吸力的前提下，減少制作成本。

線(xiàn)圈的內(nèi)、外徑及導(dǎo)線(xiàn)直徑?jīng)Q定了用銅量，鐵心的半徑及軛鐵的厚度決定了用鐵量，所以選取關(guān)鍵優(yōu)化變量為線(xiàn)圈直徑d、線(xiàn)圈外徑c、鐵心半徑r和磁軛的厚度ET，即

3.2 目標(biāo)函數(shù)的選取

在電磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，將電磁吸力和材料損耗作為電磁機(jī)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)，建立雙目標(biāo)函數(shù)。

3.2.1 吸力目標(biāo)函數(shù)的建立

3.2.2 材料損耗目標(biāo)函數(shù)的建立

電磁機(jī)構(gòu)的材料成本主要包括導(dǎo)磁材料和銅材料，導(dǎo)磁材料主要存在于磁軛和動(dòng)鐵心，鐵心半徑越大、磁軛越厚、導(dǎo)磁材料的成本就越大；銅材料主要存在于線(xiàn)圈，線(xiàn)圈導(dǎo)線(xiàn)匝數(shù)過(guò)多和直徑過(guò)大必然會(huì)使銅的損耗增加，也會(huì)增加線(xiàn)圈的發(fā)熱功率。導(dǎo)磁材料的總造價(jià)M11和線(xiàn)圈的總造價(jià)M22分別為：

3.3 約束函數(shù)的添加

電磁機(jī)構(gòu)約束條件有不等式約束函數(shù)和等式約束函數(shù)，具體約束函數(shù)有：

3.4 優(yōu)化結(jié)果分析

本文采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，遺傳算法中適應(yīng)度函數(shù)是衡量個(gè)體在優(yōu)化過(guò)程中是否達(dá)到或接近最優(yōu)解的好壞程度。適應(yīng)度函數(shù)的選擇要滿(mǎn)足簡(jiǎn)單、連續(xù)等條件，并且函數(shù)計(jì)算量要盡量小。在這里直接以待求解的目標(biāo)函數(shù)f（x）轉(zhuǎn)化為適應(yīng)度函數(shù)為：

圖6為電磁機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖。其中種群大小取N=200，遺傳代數(shù)為300；以概率Pc=0.5使群體中的個(gè)體兩兩隨機(jī)交叉，形成新個(gè)體；以較小的概率Pm=0.005使群體中的少數(shù)個(gè)體發(fā)生變異，循環(huán)迭代計(jì)算獲取最優(yōu)方案。

表4為優(yōu)化后電磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，圖7為優(yōu)化前、后靜態(tài)吸力特性曲線(xiàn)對(duì)比圖。電磁機(jī)構(gòu)優(yōu)化后，動(dòng)鐵心半徑、線(xiàn)圈線(xiàn)徑及外徑分別增大1、0.2、0.9 mm，但磁軛厚度減小0.5 mm，整體材料損耗降低了8%；在0.75I和I時(shí)，電磁機(jī)構(gòu)在釋放狀態(tài)吸力分別增大了將近18 N和25.7 N，提升了9.5%和9.7%；最大電磁吸力增大了將近44 N和50 N，提升了10%和9.8%，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程電磁吸力提升了8.6%～10%。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)優(yōu)化后的電磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)制作樣機(jī)，如圖8所示。

搭建了如圖9所示的電磁機(jī)構(gòu)吸力測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)。通過(guò)定制的連接桿將電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)鐵心和S型拉力傳感器硬鏈接，將拉力傳感器與傳感器顯示儀相連來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、處理和顯示。

測(cè)量電磁機(jī)構(gòu)線(xiàn)圈電壓為Ue和75%Ue時(shí)的吸力特性。首先將電磁機(jī)構(gòu)處于釋放位置，通過(guò)采樣電路記錄此時(shí)的電磁吸力。然后轉(zhuǎn)動(dòng)把手調(diào)節(jié)動(dòng)鐵心的位移間隔為1 mm，記錄動(dòng)鐵心每個(gè)位置的電磁吸力。電磁吸力實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比如圖10所示。

實(shí)測(cè)值與仿真值最大誤差分別為5%和6%，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程誤差在3%左右；實(shí)測(cè)值與仿真值相近，但都略小于仿真值，分析原因如下：1）使用拉力傳感器測(cè)量電磁機(jī)構(gòu)吸力時(shí)，拉力傳感器感應(yīng)到的拉力與動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)方向略有偏移，而且測(cè)試過(guò)程中動(dòng)鐵心與其他部件之間存在摩擦力也影響了吸力的實(shí)測(cè)值略小于吸力仿真值；2）由于實(shí)際的電工純鐵的磁化曲線(xiàn)與仿真所用到的理論曲線(xiàn)略有差異，且實(shí)際飽和區(qū)域的B值較仿真中的B值要稍小；3）電磁機(jī)構(gòu)樣機(jī)由于加工的原因在大氣隙下漏磁比較嚴(yán)重，實(shí)際吸力有所下降。

此外，對(duì)新型雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行了整機(jī)測(cè)試。電磁機(jī)構(gòu)線(xiàn)圈接額定電壓并設(shè)置通電時(shí)間為30 ms，電磁機(jī)構(gòu)帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)順利完成動(dòng)作，充分證明了設(shè)計(jì)的電磁機(jī)構(gòu)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

5 結(jié) 論

本文在新型雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的有限空間設(shè)計(jì)了滿(mǎn)足特殊要求的長(zhǎng)行程大吸力的直流螺管式電磁機(jī)構(gòu)。主要內(nèi)容包括：

1）基于電磁場(chǎng)理論，研究了電磁機(jī)構(gòu)的反力特性，初步計(jì)算了直流速動(dòng)螺管式電磁機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成了電磁機(jī)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)。

2）利用ANSYS軟件建立了電磁機(jī)構(gòu)三維有限元模型，進(jìn)行了靜態(tài)特性仿真，分析了電磁機(jī)構(gòu)在不同電流不同位置下的電磁吸力和磁感應(yīng)強(qiáng)度的特性；采用ADAMS軟件研究了電磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，分析了動(dòng)態(tài)過(guò)程中閉合速度與線(xiàn)圈電流特性。通過(guò)仿真研究表明電磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間為18 ms左右，滿(mǎn)足了新型雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的特殊要求。

3）選擇線(xiàn)圈線(xiàn)徑、外徑、鐵心半徑、軛鐵厚度作為優(yōu)化變量，電磁吸力和材料損耗作為雙目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳算法對(duì)電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后整體損耗減少近8%，電磁吸力提高近10%，使性能指標(biāo)得到了提高。

4）制作了電磁機(jī)構(gòu)樣機(jī)，搭建了靜態(tài)電磁吸力測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了靜態(tài)吸力和整機(jī)測(cè)試及誤差原因分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

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（編輯：張 楠）