新型雙電源轉換開關直流速動電磁機構的設計與優化

趙靖英 孫政樑 姚帥亮 趙彥飛 蘇秀蘋

摘 要：雙電源轉換開關對于保證重要場合正常供電的持續性至關重要，新型雙電源轉換開關依賴電磁機構帶動觸頭系統替代斷路器進行切換。基于新型雙電源轉換開關的工作原理，深入分析電磁機構的反力特性，研究直流速動電磁機構的設計方法，計算結構參數，完成初步設計。利用多軟件聯合方式建立了電磁機構的靜態和動態仿真模型，進行了靜態和動態特性分析；研究對電磁機構性能影響較大的關鍵因素，確定優化變量、目標函數和約束條件，采用遺傳算法對電磁機構的結構參數進行了優化設計。最后，研制電磁機構樣機，設計電磁吸力測試實驗系統，通過靜態吸力及整機測試驗證了設計結果的正確性。

關鍵詞：雙電源轉換開關；電磁機構；靜態特性；動態特性；優化設計

中圖分類號：TM 315

文獻標志碼：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。為保證其連續供電，就需對這些場合配備要雙電源供電系統甚至三電源供電系統。當電力供應受限制或者電源出現過載等故障時，需要將負載從一路電源切換至另一路電源。雙電源轉換開關為滿足這種需求提供了可能。

電磁機構靜態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，但計算方法復雜、工作量大。文獻[1]從能量的角度運用解析法對電磁系統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的性能。磁路法處理邊界條件及導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靜態特性的初步結果，然后確定一個映射系數來修正電磁系統幾何尺寸，以獲取更優的靜態特性。文獻[6-7]使用有限元法建立了交流接觸器的三維靜態特性模型，通過離散的靜態計算結果進行電磁機構動態過程分析。文獻[8]采用篩選技術確定幾何參數對電磁機構靜態特性的影響，得出線圈形狀和支撐厚度比對其性能影響較大。

電磁機構動態特性研究方法主要包括基于靜態數據的數值求解、動力學方程和控制方程聯合計算、有限元軟件與多體動力學軟件建模計算等方法。在靜態特性的基礎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確獲取操作機構的合閘時間、運動速度、位移等動態特性[9]；動態方程和控制方程控聯合計算可使計算更加準確[10-12]；通過動態控制合閘相位角、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確獲取動態過程的速度-時間圖像、加速度-時間圖像[15-17]；結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的動態過程[18]；采用多軟件聯合的方式可以對交流接觸器電磁鐵進行動態分析，實現電磁-機械的耦合[19-20]。

優化設計可進一步改進產品性能。遺傳算法中運用隨機采樣的方法從群體中找出最優個體，該方法簡便，但是由于其隨機性會產生一定的誤差[21-22]。文獻[23]采用改進的遺傳算法對新型閥用電磁機構進行優化，具有尋優精度高、速度快等優點。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過程控制參數和電磁機構結構參數的優化設計中，保證了機構的快速釋放。文獻[25-26]采用ANSYS軟件研究分析了電磁系統的磁場分布和靜態特性，利用虛擬樣機的方法對電磁機構的結構參數進行了優化。文獻[27]采用正交優化方法找出了影響繼電器觸點分斷速度的關鍵參數，提出了調整參數的優化方法。

傳統雙電源轉換開關多采用斷路器進行切換，體積較大，安裝和設計不便。此外，斷路器電動操作機構故障率較高，會影響雙電源開關整體工作的可靠性。本文設計的新型雙電源轉換開關為PC級，用一個電磁機構替代斷路器嵌于產品中實現可靠切換，體積較小。設計要求電磁機構存放在狹小空間（長60 mm、寬60 mm、高55 mm），并產生滿足機構長行程（22 mm）快速閉合與大吸力的要求。為此，本文對速動電磁機構進行特殊設計。在分析反力特性的基礎上，對采用大電流直流勵磁驅動的螺管式電磁機構進行結構參數計算，實現電磁機構的初步設計；研究靜態和動態特性分析方法，并進行性能分析；采用遺傳算法完成優化設計；制作樣機，搭建實驗系統進行測試以確保設計的可行性。

1 直流速動電磁機構的設計

1.1 電磁機構反力特性的研究

新型雙電源轉換開關傳動機構左右各有一組四連桿機構關于中心軸對稱，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動，并通過連桿2帶動整個四連桿機構以及觸頭系統動作。產生正力矩的力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。產生反力矩的F1由該側的主簧提供，隨著機構動作至不同位置而改變。電磁機構的動鐵心從打開到完全閉合這一過程，四連桿機構一直處于死區，動鐵心閉合時，四連桿機構通過死點電磁機構斷電，依靠主簧帶動觸頭系統動作，實現了電磁機構的速動性。

通過建立雙電源轉換開關操作機構虛擬樣機模型獲取電磁機構合閘模型的反力特性[28]：首先，利用機械動力學軟件ADAMS建立該模型的虛擬樣機，修改各構件名稱，添加不同材料的密度和構件間的摩擦系數，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值，如表1所示。從表1中可以看出F2數值較大，達到近260 N，電磁機構需要提供較大的吸力。

1.2 電磁機構結構參數的計算

通過電磁機構反力特性研究可知，電磁機構需要提供較大的電磁吸力，螺管式結構相比于其他電磁結構產生的電磁吸力大，故電磁機構采用直流大電流勵磁驅動的螺管式結構，導磁材料采用電工純鐵，線圈采用銅導線。圖2為電磁機構的軸向截面圖。

垂直于運動導磁體磁極表面的磁感應強度使運動導磁體產生軸向吸力，應用麥克斯韋方程計算動鐵心軸向應力為

要保證電磁機構可靠動作，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的設計點，考慮設計和制造偏差，給予安全裕度，引入安全系數k=1.1[29]。

計算獲取的電磁機構結構參數如表2所示。

2 直流速動電磁機構的特性分析

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

2.1 電磁機構靜態特性分析

本文利用有限元軟件ANSYS對電磁機構進行靜態仿真，將麥克斯韋方程組轉換為矩陣表達式，求解時，在導磁區Ω0和非導磁區Ω1內滿足麥克斯韋本構關系為：

利用虛功原理，首先在可移動組件加載力標志和虛功邊界條件，通過ANSYS中宏FMAGBC命令實現，使物理量Φ的邊界條件和Φ的法向導數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病態舉證，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（0.75I、I、1.2I）以及不同位置下電磁吸力仿真結果如表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強度B的分布云圖。導磁體與工作氣隙接觸的地方磁導率μ變化非常大，磁感應強度變化比較復雜，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，分配到導磁體上的磁勢就越多，導磁體的磁通就越大，導磁體的磁感應強度B也隨之變大。由磁感應強度B分布云圖也可以看出不同氣隙下導磁體各個部分磁感應強度B不同，氣隙變小同一位置的磁感應強度B變大。由于軛鐵兩側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，導致軛鐵的磁感應強度大，動鐵心的磁感應強度小。

2.2 電磁機構動態特性分析

雙電源轉換開關電磁機構動態特性遵循動力學和電磁學的兩個規律，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軟件ADAMS進行了樣機建模、屬性設置、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，根據零部件之間的配合關系進行裝配得到整個機構模型，施加約束時給各部件準確施加運動副約束、方向約束、接觸約束和運動約束，得到電磁機構動態特性曲線，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）顯示了電磁機構動態吸力變化趨勢與靜態吸力變化趨勢的一致性。吸力在7.6 ms變為最大，7.6 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 直流速動電磁機構的優化設計

3.1 優化變量的設定

從可靠性上講，電磁機構性能穩定且電磁吸力足夠大可以使雙電源轉換開關可靠吸合和分斷；從經濟角度上說，電磁機構材料越少，經濟成本越低。對電磁機構進行優化的目的是在適當提高電磁機構吸力的前提下，減少制作成本。

線圈的內、外徑及導線直徑決定了用銅量，鐵心的半徑及軛鐵的厚度決定了用鐵量，所以選取關鍵優化變量為線圈直徑d、線圈外徑c、鐵心半徑r和磁軛的厚度ET，即

3.2 目標函數的選取

在電磁機構結構優化設計中，將電磁吸力和材料損耗作為電磁機構優化的目標，建立雙目標函數。

3.2.1 吸力目標函數的建立

3.2.2 材料損耗目標函數的建立

電磁機構的材料成本主要包括導磁材料和銅材料，導磁材料主要存在于磁軛和動鐵心，鐵心半徑越大、磁軛越厚、導磁材料的成本就越大；銅材料主要存在于線圈，線圈導線匝數過多和直徑過大必然會使銅的損耗增加，也會增加線圈的發熱功率。導磁材料的總造價M11和線圈的總造價M22分別為：

3.3 約束函數的添加

電磁機構約束條件有不等式約束函數和等式約束函數，具體約束函數有：

3.4 優化結果分析

本文采用遺傳算法進行優化設計，遺傳算法中適應度函數是衡量個體在優化過程中是否達到或接近最優解的好壞程度。適應度函數的選擇要滿足簡單、連續等條件，并且函數計算量要盡量小。在這里直接以待求解的目標函數f（x）轉化為適應度函數為：

圖6為電磁機構優化設計流程圖。其中種群大小取N=200，遺傳代數為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使群體中的少數個體發生變異，循環迭代計算獲取最優方案。

表4為優化后電磁機構的結構參數，圖7為優化前、后靜態吸力特性曲線對比圖。電磁機構優化后，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，電磁機構在釋放狀態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%，整個動態過程電磁吸力提升了8.6%～10%。

4 實驗驗證

根據優化后的電磁機構結構參數制作樣機，如圖8所示。

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

測量電磁機構線圈電壓為Ue和75%Ue時的吸力特性。首先將電磁機構處于釋放位置，通過采樣電路記錄此時的電磁吸力。然后轉動把手調節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。電磁吸力實測結果與仿真結果的對比如圖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吸力時，拉力傳感器感應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，且實際飽和區域的B值較仿真中的B值要稍小；3）電磁機構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，對新型雙電源轉換開關進行了整機測試。電磁機構線圈接額定電壓并設置通電時間為30 ms，電磁機構帶動傳動機構順利完成動作，充分證明了設計的電磁機構達到了預期的目標。

5 結 論

本文在新型雙電源轉換開關的有限空間設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。主要內容包括：

1）基于電磁場理論，研究了電磁機構的反力特性，初步計算了直流速動螺管式電磁機構的主要結構參數，完成了電磁機構的初步設計。

2）利用ANSYS軟件建立了電磁機構三維有限元模型，進行了靜態特性仿真，分析了電磁機構在不同電流不同位置下的電磁吸力和磁感應強度的特性；采用ADAMS軟件研究了電磁機構的動態特性，分析了動態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的動作響應時間為18 ms左右，滿足了新型雙電源轉換開關的特殊要求。

3）選擇線圈線徑、外徑、鐵心半徑、軛鐵厚度作為優化變量，電磁吸力和材料損耗作為雙目標函數，采用遺傳算法對電磁機構進行了優化設計，優化后整體損耗減少近8%，電磁吸力提高近10%，使性能指標得到了提高。

4）制作了電磁機構樣機，搭建了靜態電磁吸力測試實驗系統，進行了靜態吸力和整機測試及誤差原因分析，通過實驗驗證了設計方案的可行性。

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（編輯：張 楠）