趙靖英 孫政樑 姚帥亮 趙彥飛 蘇秀蘋

摘 要：雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)對于保證重要場合正常供電的持續(xù)性至關(guān)重要，新型雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)依賴電磁機構(gòu)帶動觸頭系統(tǒng)替代斷路器進行切換?；谛滦碗p電源轉(zhuǎn)換開關(guān)的工作原理，深入分析電磁機構(gòu)的反力特性，研究直流速動電磁機構(gòu)的設(shè)計方法，計算結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成初步設(shè)計。利用多軟件聯(lián)合方式建立了電磁機構(gòu)的靜態(tài)和動態(tài)仿真模型，進行了靜態(tài)和動態(tài)特性分析；研究對電磁機構(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，采用遺傳算法對電磁機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計。最后，研制電磁機構(gòu)樣機，設(shè)計電磁吸力測試實驗系統(tǒng)，通過靜態(tài)吸力及整機測試驗證了設(shè)計結(jié)果的正確性。

關(guān)鍵詞：雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)；電磁機構(gòu)；靜態(tài)特性；動態(tài)特性；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TM 315

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：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

電能已成為國家科技快速向前的有力支撐，機場、醫(yī)院、高樓、消防以及軍事基地等重要場合需要配備雙電源緊急供電系統(tǒng)。為保證其連續(xù)供電，就需對這些場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)過載等故障時，需要將負載從一路電源切換至另一路電源。雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)為滿足這種需求提供了可能。

電磁機構(gòu)靜態(tài)特性研究方法主要包括磁場法和磁路法。磁場法計算精度高，但計算方法復(fù)雜、工作量大。文獻[1]從能量的角度運用解析法對電磁系統(tǒng)氣隙處的磁場分布情況進行分析，并對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)磁材料的非線性問題時，一般會做大量的近似，故計算方法簡單，但誤差較大。文獻[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，然后確定一個映射系數(shù)來修正電磁系統(tǒng)幾何尺寸，以獲取更優(yōu)的靜態(tài)特性。文獻[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，通過離散的靜態(tài)計算結(jié)果進行電磁機構(gòu)動態(tài)過程分析。文獻[8]采用篩選技術(shù)確定幾何參數(shù)對電磁機構(gòu)靜態(tài)特性的影響，得出線圈形狀和支撐厚度比對其性能影響較大。

電磁機構(gòu)動態(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、動力學(xué)方程和控制方程聯(lián)合計算、有限元軟件與多體動力學(xué)軟件建模計算等方法。在靜態(tài)特性的基礎(chǔ)上耦合電壓平衡方程和達朗貝爾機械運動特征微分方程可準(zhǔn)確獲取操作機構(gòu)的合閘時間、運動速度、位移等動態(tài)特性[9]；動態(tài)方程和控制方程控聯(lián)合計算可使計算更加準(zhǔn)確[10-12]；通過動態(tài)控制合閘相位角、吸合過程強激磁的接通和斷開時間等，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軟件計算方法可以準(zhǔn)確獲取動態(tài)過程的速度-時間圖像、加速度-時間圖像[15-17]；結(jié)合不同的磁路和電路模型，可以采用龍格庫塔法求解微分方程來分析電磁機構(gòu)的動態(tài)過程[18]；采用多軟件聯(lián)合的方式可以對交流接觸器電磁鐵進行動態(tài)分析，實現(xiàn)電磁-機械的耦合[19-20]。

優(yōu)化設(shè)計可進一步改進產(chǎn)品性能。遺傳算法中運用隨機采樣的方法從群體中找出最優(yōu)個體，該方法簡便，但是由于其隨機性會產(chǎn)生一定的誤差[21-22]。文獻[23]采用改進的遺傳算法對新型閥用電磁機構(gòu)進行優(yōu)化，具有尋優(yōu)精度高、速度快等優(yōu)點。文獻[24] 將人工魚群算法引入智能交流接觸器吸合與釋放全動態(tài)過程控制參數(shù)和電磁機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計中，保證了機構(gòu)的快速釋放。文獻[25-26]采用ANSYS軟件研究分析了電磁系統(tǒng)的磁場分布和靜態(tài)特性，利用虛擬樣機的方法對電磁機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化。文獻[27]采用正交優(yōu)化方法找出了影響繼電器觸點分斷速度的關(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)換開關(guān)多采用斷路器進行切換，體積較大，安裝和設(shè)計不便。此外，斷路器電動操作機構(gòu)故障率較高，會影響雙電源開關(guān)整體工作的可靠性。本文設(shè)計的新型雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)為PC級，用一個電磁機構(gòu)替代斷路器嵌于產(chǎn)品中實現(xiàn)可靠切換，體積較小。設(shè)計要求電磁機構(gòu)存放在狹小空間（長60 mm、寬60 mm、高55 mm），并產(chǎn)生滿足機構(gòu)長行程（22 mm）快速閉合與大吸力的要求。為此，本文對速動電磁機構(gòu)進行特殊設(shè)計。在分析反力特性的基礎(chǔ)上，對采用大電流直流勵磁驅(qū)動的螺管式電磁機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)參數(shù)計算，實現(xiàn)電磁機構(gòu)的初步設(shè)計；研究靜態(tài)和動態(tài)特性分析方法，并進行性能分析；采用遺傳算法完成優(yōu)化設(shè)計；制作樣機，搭建實驗系統(tǒng)進行測試以確保設(shè)計的可行性。

1 直流速動電磁機構(gòu)的設(shè)計

1.1 電磁機構(gòu)反力特性的研究

新型雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)傳動機構(gòu)左右各有一組四連桿機構(gòu)關(guān)于中心軸對稱，分別作為 “常用路”和“備用路”。

圖1為雙電源操作機構(gòu)合閘模型受力簡化圖。合閘過程中，電磁吸力垂直向下拉動動鐵心，動鐵心通過連桿1帶動杠桿圍繞固定限位銷轉(zhuǎn)動，并通過連桿2帶動整個四連桿機構(gòu)以及觸頭系統(tǒng)動作。產(chǎn)生正力矩的力F2分解為2個力，一個為豎直向下的分力F21，一個為水平方向的分力F22。F22使連桿1偏離豎直方向1個很小的角度α。產(chǎn)生反力矩的F1由該側(cè)的主簧提供，隨著機構(gòu)動作至不同位置而改變。電磁機構(gòu)的動鐵心從打開到完全閉合這一過程，四連桿機構(gòu)一直處于死區(qū)，動鐵心閉合時，四連桿機構(gòu)通過死點電磁機構(gòu)斷電，依靠主簧帶動觸頭系統(tǒng)動作，實現(xiàn)了電磁機構(gòu)的速動性。

通過建立雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)操作機構(gòu)虛擬樣機模型獲取電磁機構(gòu)合閘模型的反力特性[28]：首先，利用機械動力學(xué)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，利用交互式仿真控制方式對該模型進行動力學(xué)仿真；最后，通過改變氣隙長度，測量不同氣隙下連桿2（彈簧）的拉力和電磁機構(gòu)動鐵心反力彈簧彈力，力臂L1、L2的長度以及連桿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，達到近260 N，電磁機構(gòu)需要提供較大的吸力。

1.2 電磁機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算

通過電磁機構(gòu)反力特性研究可知，電磁機構(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，故電磁機構(gòu)采用直流大電流勵磁驅(qū)動的螺管式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)磁材料采用電工純鐵，線圈采用銅導(dǎo)線。圖2為電磁機構(gòu)的軸向截面圖。

垂直于運動導(dǎo)磁體磁極表面的磁感應(yīng)強度使運動導(dǎo)磁體產(chǎn)生軸向吸力，應(yīng)用麥克斯韋方程計算動鐵心軸向應(yīng)力為

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

計算獲取的電磁機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

2 直流速動電磁機構(gòu)的特性分析

本文采用多軟件聯(lián)合的方式對電磁機構(gòu)的靜態(tài)特性與動態(tài)特性進行分析，流程如圖3所示。

2.1 電磁機構(gòu)靜態(tài)特性分析

本文利用有限元軟件ANSYS對電磁機構(gòu)進行靜態(tài)仿真，將麥克斯韋方程組轉(zhuǎn)換為矩陣表達式，求解時，在導(dǎo)磁區(qū)Ω0和非導(dǎo)磁區(qū)Ω1內(nèi)滿足麥克斯韋本構(gòu)關(guān)系為：

利用虛功原理，首先在可移動組件加載力標(biāo)志和虛功邊界條件，通過ANSYS中宏FMAGBC命令實現(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，避免在求解電磁場時出現(xiàn)病態(tài)舉證，然后通過能量對移動組件位移進行微分求解，最后對組件表面求和，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，氣隙磁阻遠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）在相同電流氣隙較小（5～3 mm）時，由于磁分路的存在引起磁壓降重新分配，使氣隙磁勢下降，電磁吸力有所下降；3）在氣隙（3～0 mm）時，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，電流越大，磁勢就越大，工作氣隙磁勢也就越大，故電磁吸力隨勵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的動靜鐵心和軛鐵的磁感應(yīng)強度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，分配到氣隙的磁勢就小，分配到導(dǎo)磁體上的磁勢就越多，導(dǎo)磁體的磁通就越大，導(dǎo)磁體的磁感應(yīng)強度B也隨之變大。由磁感應(yīng)強度B分布云圖也可以看出不同氣隙下導(dǎo)磁體各個部分磁感應(yīng)強度B不同，氣隙變小同一位置的磁感應(yīng)強度B變大。由于軛鐵兩側(cè)的截面積小于動鐵心的截面積，故在流過兩部分磁通相同的情況下，導(dǎo)致軛鐵的磁感應(yīng)強度大，動鐵心的磁感應(yīng)強度小。

2.2 電磁機構(gòu)動態(tài)特性分析

雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)電磁機構(gòu)動態(tài)特性遵循動力學(xué)和電磁學(xué)的兩個規(guī)律，分別滿足達朗貝爾運動方程和電壓平衡方程，即：

本文使用多體動力學(xué)軟件ADAMS進行了樣機建模、屬性設(shè)置、約束施加、仿真分析等研究，建模時先建立單個零部件的模型，根據(jù)零部件之間的配合關(guān)系進行裝配得到整個機構(gòu)模型，施加約束時給各部件準(zhǔn)確施加運動副約束、方向約束、接觸約束和運動約束，得到電磁機構(gòu)動態(tài)特性曲線，如圖5（a）～（c）所示。

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

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

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

4）在11～18 ms期間，在11 ms時，電磁機構(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）顯示了電磁機構(gòu)動態(tài)吸力變化趨勢與靜態(tài)吸力變化趨勢的一致性。吸力在7.6 ms變?yōu)樽畲螅?.6 ms時動鐵心運動到氣隙為6.1 mm的位置，該點同時也是反力最大處。

3 直流速動電磁機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

3.1 優(yōu)化變量的設(shè)定

從可靠性上講，電磁機構(gòu)性能穩(wěn)定且電磁吸力足夠大可以使雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)可靠吸合和分斷；從經(jīng)濟角度上說，電磁機構(gòu)材料越少，經(jīng)濟成本越低。對電磁機構(gòu)進行優(yōu)化的目的是在適當(dāng)提高電磁機構(gòu)吸力的前提下，減少制作成本。

線圈的內(nèi)、外徑及導(dǎo)線直徑?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)化變量為線圈直徑d、線圈外徑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

在電磁機構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，將電磁吸力和材料損耗作為電磁機構(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圈，線圈導(dǎo)線匝數(shù)過多和直徑過大必然會使銅的損耗增加，也會增加線圈的發(fā)熱功率。導(dǎo)磁材料的總造價M11和線圈的總造價M22分別為：

3.3 約束函數(shù)的添加

電磁機構(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行優(yōu)化設(shè)計，遺傳算法中適應(yīng)度函數(shù)是衡量個體在優(yōu)化過程中是否達到或接近最優(yōu)解的好壞程度。適應(yīng)度函數(shù)的選擇要滿足簡單、連續(xù)等條件，并且函數(shù)計算量要盡量小。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為電磁機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程圖。其中種群大小取N=200，遺傳代數(shù)為300；以概率Pc=0.5使群體中的個體兩兩隨機交叉，形成新個體；以較小的概率Pm=0.005使群體中的少數(shù)個體發(fā)生變異，循環(huán)迭代計算獲取最優(yōu)方案。

表4為優(yōu)化后電磁機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，圖7為優(yōu)化前、后靜態(tài)吸力特性曲線對比圖。電磁機構(gòu)優(yōu)化后，動鐵心半徑、線圈線徑及外徑分別增大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，電磁機構(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%，整個動態(tài)過程電磁吸力提升了8.6%～10%。

4 實驗驗證

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

搭建了如圖9所示的電磁機構(gòu)吸力測試實驗臺。通過定制的連接桿將電磁機構(gòu)動鐵心和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實現(xiàn)信號的采集、處理和顯示。

測量電磁機構(gòu)線圈電壓為Ue和75%Ue時的吸力特性。首先將電磁機構(gòu)處于釋放位置，通過采樣電路記錄此時的電磁吸力。然后轉(zhuǎn)動把手調(diào)節(jié)動鐵心的位移間隔為1 mm，記錄動鐵心每個位置的電磁吸力。電磁吸力實測結(jié)果與仿真結(jié)果的對比如圖10所示。

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

此外，對新型雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)進行了整機測試。電磁機構(gòu)線圈接額定電壓并設(shè)置通電時間為30 ms，電磁機構(gòu)帶動傳動機構(gòu)順利完成動作，充分證明了設(shè)計的電磁機構(gòu)達到了預(yù)期的目標(biāo)。

5 結(jié) 論

本文在新型雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)的有限空間設(shè)計了滿足特殊要求的長行程大吸力的直流螺管式電磁機構(gòu)。主要內(nèi)容包括：

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

2）利用ANSYS軟件建立了電磁機構(gòu)三維有限元模型，進行了靜態(tài)特性仿真，分析了電磁機構(gòu)在不同電流不同位置下的電磁吸力和磁感應(yīng)強度的特性；采用ADAMS軟件研究了電磁機構(gòu)的動態(tài)特性，分析了動態(tài)過程中閉合速度與線圈電流特性。通過仿真研究表明電磁機構(gòu)的動作響應(yīng)時間為18 ms左右，滿足了新型雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)的特殊要求。

3）選擇線圈線徑、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)，采用遺傳算法對電磁機構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，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）制作了電磁機構(gòu)樣機，搭建了靜態(tài)電磁吸力測試實驗系統(tǒng)，進行了靜態(tài)吸力和整機測試及誤差原因分析，通過實驗驗證了設(shè)計方案的可行性。

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（編輯：張 楠）