徐卜一，袁海梅

(沈陽工業(yè)大學(xué) a.電氣工程學(xué)院；b.文法學(xué)院，沈陽110870)

雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)(automatic transfer switching equipment，ATSE)在配電系統(tǒng)中扮演著重要角色，被廣泛應(yīng)用于高層建筑、醫(yī)院、機(jī)場、消防、紡織等重要用電場所。為保障雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)的穩(wěn)定運(yùn)行，其操動機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，已成為該類開關(guān)電器研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。在對一種用于雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)的三穩(wěn)態(tài)操動機(jī)構(gòu)的研究中發(fā)現(xiàn)，該操動機(jī)構(gòu)作為動力裝置會使開關(guān)電器的分閘過程產(chǎn)生震蕩現(xiàn)象，對雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，消除該操動機(jī)構(gòu)所引起的分閘震蕩成為迫切需要解決的技術(shù)問題。

TRIZ(Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch)是前蘇聯(lián)科學(xué)家阿奇舒勒在海量專利的基礎(chǔ)上所總結(jié)出的能夠有效指導(dǎo)創(chuàng)新設(shè)計的理論和方法，TRIZ理論經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，目前已經(jīng)成為發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)問題的主要科學(xué)原理和理論方法[1-3]。學(xué)者S，EN N[4]、AZAMMI N A M等[5]將TRIZ理論應(yīng)用在不同產(chǎn)品的問題解決過程中。知名公司如三星、西門子和華為等許多世界知名企業(yè)也通過引入TRIZ理論指導(dǎo)設(shè)計和研發(fā)，并且取得了成功[6]。TRIZ理論中的功能分析、矛盾分析等手段越來越多地被應(yīng)用到產(chǎn)品的研發(fā)及創(chuàng)新設(shè)計中[7-8]。本文基于TRIZ理論，以在雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)中使用的三穩(wěn)態(tài)操動機(jī)構(gòu)為研究對象，采用TRIZ理論對該機(jī)構(gòu)中所存在的技術(shù)問題進(jìn)行深度挖掘并提出優(yōu)化設(shè)計方案。

1 問題分析

三穩(wěn)態(tài)差動式永磁操動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三穩(wěn)態(tài)永磁操動機(jī)構(gòu)示意圖

圖1中，永磁體以環(huán)狀對稱形式安裝在導(dǎo)磁塊與外缸套間，儲能彈簧由兩個結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同的碳素鋼彈簧構(gòu)成，兩側(cè)儲能彈簧分別固定于圓柱形鋼材質(zhì)的限位套筒中，留有一定的預(yù)壓縮量，以使得動鐵心在兩側(cè)彈簧的作用下穩(wěn)定在中間位置[9]，其他部分結(jié)構(gòu)與雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)類似。該結(jié)構(gòu)的設(shè)計初衷是實(shí)現(xiàn)三個穩(wěn)態(tài)，即動鐵心處于中間位置時的主電源和備用電源均斷開的中間穩(wěn)態(tài)、動鐵心分別吸合于左右兩端蓋處的主電源合閘位置及備用電源合閘位置兩個穩(wěn)態(tài)。該機(jī)構(gòu)采用一體化設(shè)計，用一個操動桿同時帶動主電源和備用電源觸頭系統(tǒng)，因此不需額外的機(jī)械及電氣互鎖裝置，即可實(shí)現(xiàn)兩路電源的切換，降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度。同時，由于存在中間的第三穩(wěn)態(tài)，因此在兩路電源切換過程中可滿足系統(tǒng)對不同負(fù)載切換時的延時要求。

圖2為三穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)樣機(jī)測試平臺及分閘特性曲線。

圖2 樣機(jī)測試平臺及分閘特性曲線

當(dāng)樣機(jī)制造完畢后，按照圖2a所示的電路連接并對樣機(jī)進(jìn)行測試。其中，機(jī)構(gòu)勵磁線圈供電電壓取值180V，儲能電容取值10000μF，選擇分閘脈沖寬度為10ms，采用激光位移傳感器(此處未畫出)對機(jī)構(gòu)動鐵心的動態(tài)特性進(jìn)行測量。在測量動態(tài)特性時，將激光位移傳感器的光點(diǎn)垂直射到導(dǎo)桿的前端，通過測量導(dǎo)桿的運(yùn)動得到動鐵心的動態(tài)特性。

由圖2b的樣機(jī)分閘特性曲線可以看出，動鐵心在從主電源側(cè)或備用電源側(cè)到中間位置的分閘過程中，由于結(jié)構(gòu)本身的特性決定了動鐵心在到達(dá)中間位置后并不能立刻停止，而是繼續(xù)向另一側(cè)運(yùn)動，經(jīng)過數(shù)次震蕩后才能逐步穩(wěn)定在中間位置。不難看出，此種結(jié)構(gòu)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)三個位置的切換，但由于從兩側(cè)向中間位置運(yùn)動時存在震蕩問題，因此該機(jī)構(gòu)作為開關(guān)電器的動力部件存在著一定的弊端。要消除動鐵心在中間位置的震蕩，需要外加驅(qū)動電路及專門的控制系統(tǒng)才能完成，這勢必會增加整個雙電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的復(fù)雜程度，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，若將該三穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)，并使整個雙電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的復(fù)雜程度降低，需要對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化完善，在不引入復(fù)雜控制系統(tǒng)的同時消除機(jī)構(gòu)在中間位置的震蕩，簡化系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。

2 基于TRIZ理論的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

在應(yīng)用TRIZ理論解決問題時，首先要將實(shí)際工程問題轉(zhuǎn)化為問題模型，然后利用TRIZ中的相關(guān)工具進(jìn)行分析以找到對應(yīng)的發(fā)明原理，最終結(jié)合發(fā)明原理和技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)知識形成具體的解決方案。

2.1 三穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的功能模型

三穩(wěn)態(tài)操動機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動桿、去磁線圈、合閘線圈、永磁體、導(dǎo)磁塊、動鐵心和儲能彈簧等零部件組成。動鐵心在線圈和永磁體所產(chǎn)生磁場的作用下向一側(cè)運(yùn)動，同時壓縮另一側(cè)的儲能彈簧形成分閘時的彈簧反力。驅(qū)動桿除了起到連接動鐵心的作用外，還起到固定動鐵心運(yùn)動方向和連接外部電源觸頭系統(tǒng)的作用。為使動鐵心運(yùn)動至中間位置后能夠迅速停止運(yùn)動，需要添加專用的控制系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)；此處優(yōu)化設(shè)計的主要目的是通過優(yōu)化三穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)來消除動鐵心在中間位置的震蕩，所以將驅(qū)動桿連接的觸頭系統(tǒng)和專用控制系統(tǒng)認(rèn)為是三穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的超系統(tǒng)組件。經(jīng)過分析，得到的三穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)組件構(gòu)成及相互作用矩陣如表1和表2所示。

表1 三穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)組件構(gòu)成

表2 三穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)相互作用矩陣

表2中“+”表示兩器件之間有著相互關(guān)系；“-”表示兩器件之間無相互關(guān)系。對于表2的系統(tǒng)組件之間的作用關(guān)系，考慮的是組件之間的直接接觸性的作用關(guān)系及通過磁場所構(gòu)建的場的直接作用關(guān)系。在該結(jié)構(gòu)中，儲能彈簧設(shè)置于端蓋外并套接于驅(qū)動桿上，由于驅(qū)動桿與動鐵心相連，最終儲能彈簧的作用是由驅(qū)動桿傳遞至動鐵心；因此在分析相互作用關(guān)系時，將動鐵心與儲能彈簧之間認(rèn)定為存在相互作用關(guān)系，而驅(qū)動桿與儲能彈簧之間不存在相互作用關(guān)系。最終由表2所示的各組件之間的作用關(guān)系可得系統(tǒng)的功能模型，如圖3所示。

圖3 三穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)功能模型

2.2 沖突分析及發(fā)明原理確定

通過上述分析可知，該操動機(jī)構(gòu)所存在問題的根源在于采用兩個儲能彈簧夾持動鐵心，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主電源側(cè)、中間位置及備用電源側(cè)的三個位置切換。如果在不考慮超系統(tǒng)組件及不改變現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的前提下減小動鐵心在中間位置的震蕩幅度，則需要加大兩個儲能彈簧的剛度，但這樣又會減小整個機(jī)構(gòu)凈輸出力的大小，即改善動鐵心在中間位置的震蕩勢必會使機(jī)構(gòu)的凈輸出力減小，也就是系統(tǒng)中存在著矛盾需要解決。矛盾分析是TRIZ理論進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的常用工具，將系統(tǒng)的技術(shù)缺陷轉(zhuǎn)換為TRIZ系統(tǒng)中的矛盾進(jìn)行處理。矛盾主要分為技術(shù)矛盾和物理矛盾兩類，技術(shù)矛盾指的是在系統(tǒng)中改善一個參數(shù)時將導(dǎo)致另一個參數(shù)的惡化；物理矛盾指的是在系統(tǒng)中單個參數(shù)存在矛盾[10-11]。為使問題的分析更加全面，從技術(shù)矛盾和物理矛盾兩方面分別進(jìn)行分析，然后對得出的發(fā)明原理進(jìn)行取交集處理以得出最終所采用的發(fā)明原理。

首先，從技術(shù)矛盾的角度出發(fā)對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，可以有如下兩種分析思路。

(1)將需要改善的工程參數(shù)視為加大彈簧剛度也就是增大彈簧的力的作用，而此工程參數(shù)的改善會造成機(jī)構(gòu)其它參數(shù)不變情況下凈輸出力的減小，要想保持機(jī)構(gòu)凈輸出力不變，此時需要增大動鐵心與端蓋的接觸面積，這會造成動鐵心質(zhì)量的增大，即運(yùn)動物體的質(zhì)量參數(shù)發(fā)生惡化。

(2)將需要改善的工程參數(shù)視為改善物體產(chǎn)生的有害因素，即改善系統(tǒng)的震蕩，而此工程參數(shù)的改善會造成機(jī)構(gòu)其它參數(shù)不變情況下輸出力的減小，即力的參數(shù)發(fā)生惡化。

綜合上述兩種分析思路，可以得出表3所示的技術(shù)矛盾矩陣查詢結(jié)果。

表3 技術(shù)矛盾矩陣查詢

其次，從物理矛盾的角度出發(fā)對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，為減小動鐵心在中間的震蕩幅度，可以將儲能彈簧的剛度加大，這樣動鐵心每次震蕩所受到的阻尼增大，可以有效減小動鐵心的震蕩幅度。但在不改變機(jī)構(gòu)其他參數(shù)的前提下，增大彈簧的剛度勢必會增加合閘時儲能彈簧的反力，使整個系統(tǒng)的凈輸出力下降，對開關(guān)電器的合閘保持力產(chǎn)生不利影響。要想系統(tǒng)的凈輸出力不變，則需要增大動鐵心的截面積來增加動鐵心和端蓋之間的吸力，導(dǎo)致動鐵心的質(zhì)量變大，進(jìn)而導(dǎo)致動鐵心的動能增大，增大動鐵心在中間位置的震蕩幅度。通過上述分析可以看出，要想保持系統(tǒng)輸出力不變，期望增大動鐵心截面積，但截面積的增大又會導(dǎo)致動鐵心質(zhì)量增大、震蕩幅度變大。一方面需要增大動鐵心截面積，另一方面又不期望動鐵心質(zhì)量增加即不希望動鐵心與端蓋接觸面積增大，這便產(chǎn)生了一對物理矛盾。此處嘗試采用物理矛盾的解決方式之一，即空間分離原理去解決。對于該物理矛盾及其對應(yīng)的發(fā)明問題，解決原理如表4所示。

表4 物理矛盾及對應(yīng)的發(fā)明原理

最后，將兩種不同分析思路得出的技術(shù)矛盾和物理矛盾所采用的發(fā)明原理進(jìn)行如圖4所示的取交集處理，即可得到用來解決該問題的發(fā)明原理為“1-分割原理”，即將一個物體分割成相互獨(dú)立的部分。

圖4 發(fā)明原理交集

2.3 機(jī)構(gòu)優(yōu)化方案及評價

TRIZ原理提供的是一整套系統(tǒng)化解決問題的流程，具有系統(tǒng)性、高效性[12]。通過TRIZ工具分析得到的發(fā)明原理并不能提供直接的技術(shù)解決方案，只是通過TRIZ理論提供給設(shè)計者能夠迅速得到創(chuàng)新問題解的結(jié)構(gòu)化方法[13]，在得出的發(fā)明原理的啟發(fā)下形成最終的優(yōu)化設(shè)計方案。在通過上述分析得出的分割原理的啟發(fā)下，結(jié)合相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的知識，可以獲得如圖5所示的解決方案。

該方案基于單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的設(shè)計思想，將兩個相同的單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)對稱設(shè)置于磁缸分隔部兩側(cè)，即兩個單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)在中間位置共用一個端蓋。在每個單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的動鐵心上固定連接有至少一個限位導(dǎo)桿和開設(shè)有一個限位導(dǎo)向孔，在磁缸分隔部上設(shè)置有可以讓限位導(dǎo)桿穿過的通孔。

當(dāng)該三穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)置于圖5a狀態(tài)時，分別固定設(shè)置于兩個動鐵心上的限位導(dǎo)桿可以穿過位于磁缸分隔部上的通孔插入所對應(yīng)的另一個動鐵心的限位導(dǎo)向孔中。對于動鐵心上的限位導(dǎo)向孔的深度，需略大于插入該限位導(dǎo)向孔的限位導(dǎo)桿位于該動鐵心一側(cè)的長度，以使得機(jī)構(gòu)在圖5a狀態(tài)時限位導(dǎo)桿可以插入另一個動鐵心的深孔中，以達(dá)到對兩側(cè)動鐵心的固定和導(dǎo)向作用。假設(shè)主電源側(cè)和備用電源側(cè)的單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同，此時限位導(dǎo)桿的長度L和動鐵心上深孔的深度H為

(1)

式中：δ為動鐵心行程(mm)；W為磁缸分隔部寬度(mm)；h為圖5狀態(tài)時限位導(dǎo)桿插入限位導(dǎo)向孔的深度；Δh為動鐵心運(yùn)動至中間位置與磁鋼分隔部接觸時，限位導(dǎo)桿端部與限位導(dǎo)向孔底部的距離余量(mm)。

圖5 機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案

通過對觸頭系統(tǒng)的設(shè)計，可以使圖5a狀態(tài)下的主電源側(cè)和備用電源側(cè)均處于分閘狀態(tài)。當(dāng)一側(cè)的動鐵心運(yùn)動至中間位置合閘后，另一側(cè)的動鐵心在限位導(dǎo)桿的作用下不能向中間位置運(yùn)動，兩側(cè)觸頭系統(tǒng)不能同時處于合閘狀態(tài)。由于新方案將兩個相同的單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)對稱設(shè)置于磁缸分隔部兩側(cè)，機(jī)構(gòu)整體上為對稱結(jié)構(gòu)，因此在對新方案進(jìn)行仿真時只需要對單側(cè)機(jī)構(gòu)的分閘過程進(jìn)行分析即可，以此來驗(yàn)證新方案在消除震蕩方面的可行性。假設(shè)位于磁缸分隔部一側(cè)機(jī)構(gòu)的動鐵心已經(jīng)處于合閘狀態(tài)，采用Ansoft軟件對優(yōu)化后的新三穩(wěn)態(tài)永磁操動機(jī)構(gòu)建模仿真，設(shè)置勵磁線圈匝數(shù)為2000匝，勵磁電壓為180V，動鐵心的運(yùn)動距離為16mm，得到分閘過程中動鐵心的動態(tài)特性曲線如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后機(jī)構(gòu)動鐵心動態(tài)特性

由圖6可以看出，當(dāng)對合閘側(cè)勵磁線圈通電30ms后，動鐵心在勵磁線圈和儲能彈簧反力的作用下開始運(yùn)動；當(dāng)動鐵心運(yùn)動16mm時與位于機(jī)構(gòu)一側(cè)的磁缸端蓋接觸后停止運(yùn)動，分閘過程結(jié)束。在分閘過程中，位于磁缸分隔部兩側(cè)的機(jī)構(gòu)實(shí)際上為技術(shù)已經(jīng)成熟的單穩(wěn)態(tài)永磁操動機(jī)構(gòu)，因此可以有效消除分閘時動鐵心的震蕩現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

以TRIZ理論為分析工具，以三穩(wěn)態(tài)操動機(jī)構(gòu)為研究對象，給出了該機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計實(shí)例，解決了依靠經(jīng)驗(yàn)法、試錯法等傳統(tǒng)創(chuàng)新方法在技術(shù)優(yōu)化創(chuàng)新中所存在的弊端。在應(yīng)用TRIZ理論對系統(tǒng)進(jìn)行分析時，可按照組件分析、功能模型建立、矛盾分析、得出對應(yīng)發(fā)明原理的流程進(jìn)行，最終在發(fā)明原理的啟發(fā)下得出優(yōu)化設(shè)計方案。雖然TRIZ理論在優(yōu)化設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計中應(yīng)用廣泛，但采用TRIZ理論進(jìn)行實(shí)際問題分析時仍需要結(jié)合具體研究對象選擇合適的TRIZ工具才能獲得最佳方案。