新型双电源转换开关直流速动电磁机构的设计与优化

赵靖英 孙政樑 姚帅亮 赵彦飞 苏秀苹

摘 要：双电源转换开关对于保证重要场合正常供电的持续性至关重要，新型双电源转换开关依赖电磁机构带动触头系统替代断路器进行切换。基于新型双电源转换开关的工作原理，深入分析电磁机构的反力特性，研究直流速动电磁机构的设计方法，计算结构参数，完成初步设计。利用多软件联合方式建立了电磁机构的静态和动态仿真模型，进行了静态和动态特性分析；研究对电磁机构性能影响较大的关键因素，确定优化变量、目标函数和约束条件，采用遗传算法对电磁机构的结构参数进行了优化设计。最后，研制电磁机构样机，设计电磁吸力测试实验系统，通过静态吸力及整机测试验证了设计结果的正确性。

关键词：双电源转换开关；电磁机构；静态特性；动态特性；优化设计

中图分类号：TM 315

文献标志码：A

文章编号：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

电能已成为国家科技快速向前的有力支撑，机场、医院、高楼、消防以及军事基地等重要场合需要配备双电源紧急供电系统。为保证其连续供电，就需对这些场合配备要双电源供电系统甚至三电源供电系统。当电力供应受限制或者电源出现过载等故障时，需要将负载从一路电源切换至另一路电源。双电源转换开关为满足这种需求提供了可能。

电磁机构静态特性研究方法主要包括磁场法和磁路法。磁场法计算精度高，但计算方法复杂、工作量大。文献[1]从能量的角度运用解析法对电磁系统气隙处的磁场分布情况进行分析，并对比了利用解析法与有限元法获取的电磁系统的性能。磁路法处理边界条件及导磁材料的非线性问题时，一般会做大量的近似，故计算方法简单，但誤差较大。文献[2-5]用磁路法快速得到电磁系统静态特性的初步结果，然后确定一个映射系数来修正电磁系统几何尺寸，以获取更优的静态特性。文献[6-7]使用有限元法建立了交流接触器的三维静态特性模型，通过离散的静态计算结果进行电磁机构动态过程分析。文献[8]采用筛选技术确定几何参数对电磁机构静态特性的影响，得出线圈形状和支撑厚度比对其性能影响较大。

电磁机构动态特性研究方法主要包括基于静态数据的数值求解、动力学方程和控制方程联合计算、有限元软件与多体动力学软件建模计算等方法。在静态特性的基础上耦合电压平衡方程和达朗贝尔机械运动特征微分方程可准确获取操作机构的合闸时间、运动速度、位移等动态特性[9]；动态方程和控制方程控联合计算可使计算更加准确[10-12]；通过动态控制合闸相位角、吸合过程强激磁的接通和断开时间等，可减小触头弹跳和磨损、提高电寿命[13-14]；使用有限元软件与ADAMS软件计算方法可以准确获取动态过程的速度-时间图像、加速度-时间图像[15-17]；结合不同的磁路和电路模型，可以采用龙格库塔法求解微分方程来分析电磁机构的动态过程[18]；采用多软件联合的方式可以对交流接触器电磁铁进行动态分析，实现电磁-机械的耦合[19-20]。

优化设计可进一步改进产品性能。遗传算法中运用随机采样的方法从群体中找出最优个体，该方法简便，但是由于其随机性会产生一定的误差[21-22]。文献[23]采用改进的遗传算法对新型阀用电磁机构进行优化，具有寻优精度高、速度快等优点。文献[24] 将人工鱼群算法引入智能交流接触器吸合与释放全动态过程控制参数和电磁机构结构参数的优化设计中，保证了机构的快速释放。文献[25-26]采用ANSYS软件研究分析了电磁系统的磁场分布和静态特性，利用虚拟样机的方法对电磁机构的结构参数进行了优化。文献[27]采用正交优化方法找出了影响继电器触点分断速度的关键参数，提出了调整参数的优化方法。

传统双电源转换开关多采用断路器进行切换，体积较大，安装和设计不便。此外，断路器电动操作机构故障率较高，会影响双电源开关整体工作的可靠性。本文设计的新型双电源转换开关为PC级，用一个电磁机构替代断路器嵌于产品中实现可靠切换，体积较小。设计要求电磁机构存放在狭小空间（长60 mm、宽60 mm、高55 mm），并产生满足机构长行程（22 mm）快速闭合与大吸力的要求。为此，本文对速动电磁机构进行特殊设计。在分析反力特性的基础上，对采用大电流直流励磁驱动的螺管式电磁机构进行结构参数计算，实现电磁机构的初步设计；研究静态和动态特性分析方法，并进行性能分析；采用遗传算法完成优化设计；制作样机，搭建实验系统进行测试以确保设计的可行性。

1 直流速动电磁机构的设计

1.1 电磁机构反力特性的研究

新型双电源转换开关传动机构左右各有一组四连杆机构关于中心轴对称，分别作为 “常用路”和“备用路”。

图1为双电源操作机构合闸模型受力简化图。合闸过程中，电磁吸力垂直向下拉动动铁心，动铁心通过连杆1带动杠杆围绕固定限位销转动，并通过连杆2带动整个四连杆机构以及触头系统动作。产生正力矩的力F2分解为2个力，一个为竖直向下的分力F21，一个为水平方向的分力F22。F22使连杆1偏离竖直方向1个很小的角度α。产生反力矩的F1由该侧的主簧提供，随着机构动作至不同位置而改变。电磁机构的动铁心从打开到完全闭合这一过程，四连杆机构一直处于死区，动铁心闭合时，四连杆机构通过死点电磁机构断电，依靠主簧带动触头系统动作，实现了电磁机构的速动性。

通过建立双电源转换开关操作机构虚拟样机模型获取电磁机构合闸模型的反力特性[28]：首先，利用机械动力学软件ADAMS建立该模型的虚拟样机，修改各构件名称，添加不同材料的密度和构件间的摩擦系数，正确添加约束和载荷；其次，利用交互式仿真控制方式对该模型进行动力学仿真；最后，通过改变气隙长度，测量不同气隙下连杆2（弹簧）的拉力和电磁机构动铁心反力弹簧弹力，力臂L1、L2的长度以及连杆1偏移竖直方向角度α，得出了不同气隙下合闸模型随气隙变化的参数值，如表1所示。从表1中可以看出F2数值较大，达到近260 N，电磁机构需要提供较大的吸力。

1.2 电磁机构结构参数的计算

通过电磁机构反力特性研究可知，电磁机构需要提供较大的电磁吸力，螺管式结构相比于其他电磁结构产生的电磁吸力大，故电磁机构采用直流大电流励磁驱动的螺管式结构，导磁材料采用电工纯铁，线圈采用铜导线。图2为电磁机构的轴向截面图。

垂直于运动导磁体磁极表面的磁感应强度使运动导磁体产生轴向吸力，应用麦克斯韦方程计算动铁心轴向应力为

要保证电磁机构可靠动作，电磁吸力必须大于反力。本文选择动铁心释放处作为电磁机构的设计点，考虑设计和制造偏差，给予安全裕度，引入安全系数k=1.1[29]。

计算获取的电磁机构结构参数如表2所示。

2 直流速动电磁机构的特性分析

本文采用多软件联合的方式对电磁机构的静态特性与动态特性进行分析，流程如图3所示。

2.1 电磁机构静态特性分析

本文利用有限元软件ANSYS对电磁机构进行静态仿真，将麦克斯韦方程组转换为矩阵表达式，求解时，在导磁区Ω0和非导磁区Ω1内满足麦克斯韦本构关系为：

利用虚功原理，首先在可移动组件加载力标志和虚功边界条件，通过ANSYS中宏FMAGBC命令实现，使物理量Φ的边界条件和Φ的法向导数在边界条件上分别满足狄利克莱边界条件和诺依曼边界条件，避免在求解电磁场时出现病态举证，然后通过能量对移动组件位移进行微分求解，最后对组件表面求和，得到组件力的总和为

不同电流状态（0.75I、I、1.2I）以及不同位置下电磁吸力仿真结果如表3所示。从表3中可以看出：1）在相同电流气隙较大（22～5 mm）時，气隙磁阻远大于非工作气隙和导磁体磁阻，气隙越小，磁通越小，所以电磁吸力随气隙的减小而增大；2）在相同电流气隙较小（5～3 mm）时，由于磁分路的存在引起磁压降重新分配，使气隙磁势下降，电磁吸力有所下降；3）在气隙（3～0 mm）时，磁分路起的作用逐渐减小，故电磁吸力又随气隙的减小而增大；4）在电流不同时，电流越大，磁势就越大，工作气隙磁势也就越大，故电磁吸力随励磁电流的增大而增大。

图4（a）～（f）是在额定电流下，气隙分别为21、10 mm和1 mm的动静铁心和轭铁的磁感应强度B的分布云图。导磁体与工作气隙接触的地方磁导率μ变化非常大，磁感应强度变化比较复杂，在不考虑磁极端面的情况下，气隙越小磁路的磁阻越小，分配到气隙的磁势就小，分配到导磁体上的磁势就越多，导磁体的磁通就越大，导磁体的磁感应强度B也随之变大。由磁感应强度B分布云图也可以看出不同气隙下导磁体各个部分磁感应强度B不同，气隙变小同一位置的磁感应强度B变大。由于轭铁两侧的截面积小于动铁心的截面积，故在流过两部分磁通相同的情况下，导致轭铁的磁感应强度大，动铁心的磁感应强度小。

2.2 电磁机构动态特性分析

双电源转换开关电磁机构动态特性遵循动力学和电磁学的两个规律，分别满足达朗贝尔运动方程和电压平衡方程，即：

本文使用多体动力学软件ADAMS进行了样机建模、属性设置、约束施加、仿真分析等研究，建模时先建立单个零部件的模型，根据零部件之间的配合关系进行装配得到整个机构模型，施加约束时给各部件准确施加运动副约束、方向约束、接触约束和运动约束，得到电磁机构动态特性曲线，如图5（a）～（c）所示。

由图5（a）可知：整个气隙闭合过程大约为18 ms；在2.2 ms之前吸力小于反力，速度为零；2.2 ms之后动铁心开始运动，直到气隙闭合速度逐渐变大；在气隙闭合时刻速度达到最大为2.5 m/s；气隙闭合后速度迅速减到零。

这段时间线圈电流不再按照指数增长。虽然电流变化di/dt逐渐变小，但是这段时间电流仍然在缓慢增大，直到在6 ms时电流变化为0。

3）在6～11 ms期间，电流变化di/dt<0，电流开始减小，直到磁分路起作用。

4）在11～18 ms期间，在11 ms时，电磁机构磁分路起作用，磁链的变化dψ/dt逐渐变小，所以电流又重新增大，直到气隙完全闭合。

图5（c）显示了电磁机构动态吸力变化趋势与静态吸力变化趋势的一致性。吸力在7.6 ms变为最大，7.6 ms时动铁心运动到气隙为6.1 mm的位置，该点同时也是反力最大处。

3 直流速动电磁机构的优化设计

3.1 优化变量的设定

从可靠性上讲，电磁机构性能稳定且电磁吸力足够大可以使双电源转换开关可靠吸合和分断；从经济角度上说，电磁机构材料越少，经济成本越低。对电磁机构进行优化的目的是在适当提高电磁机构吸力的前提下，减少制作成本。

线圈的内、外径及导线直径决定了用铜量，铁心的半径及轭铁的厚度决定了用铁量，所以选取关键优化变量为线圈直径d、线圈外径c、铁心半径r和磁轭的厚度ET，即

3.2 目标函数的选取

在电磁机构结构优化设计中，将电磁吸力和材料损耗作为电磁机构优化的目标，建立双目标函数。

3.2.1 吸力目标函数的建立

3.2.2 材料损耗目标函数的建立

电磁机构的材料成本主要包括导磁材料和铜材料，导磁材料主要存在于磁轭和动铁心，铁心半径越大、磁轭越厚、导磁材料的成本就越大；铜材料主要存在于线圈，线圈导线匝数过多和直径过大必然会使铜的损耗增加，也会增加线圈的发热功率。导磁材料的总造价M11和线圈的总造價M22分别为：

3.3 约束函数的添加

电磁机构约束条件有不等式约束函数和等式约束函数，具体约束函数有：

3.4 优化结果分析

本文采用遗传算法进行优化设计，遗传算法中适应度函数是衡量个体在优化过程中是否达到或接近最优解的好坏程度。适应度函数的选择要满足简单、连续等条件，并且函数计算量要尽量小。在这里直接以待求解的目标函数f（x）转化为适应度函数为：

图6为电磁机构优化设计流程图。其中种群大小取N=200，遗传代数为300；以概率Pc=0.5使群体中的个体两两随机交叉，形成新个体；以较小的概率Pm=0.005使群体中的少数个体发生变异，循环迭代计算获取最优方案。

表4为优化后电磁机构的结构参数，图7为优化前、后静态吸力特性曲线对比图。电磁机构优化后，动铁心半径、线圈线径及外径分别增大1、0.2、0.9 mm，但磁轭厚度减小0.5 mm，整体材料损耗降低了8%；在0.75I和I时，电磁机构在释放状态吸力分别增大了将近18 N和25.7 N，提升了9.5%和9.7%；最大电磁吸力增大了将近44 N和50 N，提升了10%和9.8%，整个动态过程电磁吸力提升了8.6%～10%。

4 实验验证

根据优化后的电磁机构结构参数制作样机，如图8所示。

搭建了如图9所示的电磁机构吸力测试实验台。通过定制的连接杆将电磁机构动铁心和S型拉力传感器硬链接，将拉力传感器与传感器显示仪相连来实现信号的采集、处理和显示。

测量电磁机构线圈电压为Ue和75%Ue时的吸力特性。首先将电磁机构处于释放位置，通过采样电路记录此时的电磁吸力。然后转动把手调节动铁心的位移间隔为1 mm，记录动铁心每个位置的电磁吸力。电磁吸力实测结果与仿真结果的对比如图10所示。

实测值与仿真值最大误差分别为5%和6%，整个动态过程误差在3%左右；实测值与仿真值相近，但都略小于仿真值，分析原因如下：1）使用拉力传感器测量电磁机构吸力时，拉力传感器感应到的拉力与动铁心运动方向略有偏移，而且测试过程中动铁心与其他部件之间存在摩擦力也影响了吸力的实测值略小于吸力仿真值；2）由于实际的电工纯铁的磁化曲线与仿真所用到的理论曲线略有差异，且实际饱和区域的B值较仿真中的B值要稍小；3）电磁机构样机由于加工的原因在大气隙下漏磁比较严重，实际吸力有所下降。

此外，对新型双电源转换开关进行了整机测试。电磁机构线圈接额定电压并设置通电时间为30 ms，电磁机构带动传动机构顺利完成动作，充分证明了设计的电磁机构达到了预期的目标。

5 结 论

本文在新型双电源转换开关的有限空间设计了满足特殊要求的长行程大吸力的直流螺管式电磁机构。主要内容包括：

1）基于电磁场理论，研究了电磁机构的反力特性，初步计算了直流速动螺管式电磁机构的主要结构参数，完成了电磁机构的初步设计。

2）利用ANSYS软件建立了电磁机构三维有限元模型，进行了静态特性仿真，分析了电磁机构在不同电流不同位置下的电磁吸力和磁感应强度的特性；采用ADAMS软件研究了电磁机构的动态特性，分析了动态过程中闭合速度与线圈电流特性。通过仿真研究表明电磁机构的动作响应时间为18 ms左右，满足了新型双电源转换开关的特殊要求。

3）选择线圈线径、外径、铁心半径、轭铁厚度作为优化变量，电磁吸力和材料损耗作为双目标函数，采用遗传算法对电磁机构进行了优化设计，优化后整体损耗减少近8%，电磁吸力提高近10%，使性能指标得到了提高。

4）制作了电磁机构样机，搭建了静态电磁吸力测试实验系统，进行了静态吸力和整机测试及误差原因分析，通过实验验证了设计方案的可行性。

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（编辑：张 楠）