（电气工程专业论文）永磁接触器操动机构优化设计.pdf

摘要 摘要 永磁接触器是一种采用电磁分合、永磁保持工作原理的开关电器，它具有节能、降噪和可 靠性高等诸多优点。本文致力于永磁接触器操动机构的优化设计研究，所做工作对于掌握其设 计关键技术，促进其在工业领域的推广应用，具有重要的理论意义和工程应用价值。 本文首先阐述了国内外永磁操动机构的研究与发展状况，介绍了单稳态、双稳态以及分离 磁路三种永磁操动机构的结构形式，分析了它们的工作原理和结构特点，为选取合理的永磁机 构提供了思路。 基于稳定磁场的有限元分析，本文计算了永磁操动机构在不同铁心位移和不同线圈电流情 况下的电磁力、磁链特性，获得了以位移、电流为变量的二维电磁力、磁链静态数据网格，并 将其运用于龙格库塔法求解永磁操动机构动态特性，为永磁操动机构的优化设计提供了有效的 分析方法和手段。 以圆柱形单稳态永磁接触器为具体研究对象，分析了吸反力配合曲线、操动机构体积等多 个因素对永磁操动机构静动态性能的影响。在考虑综合性能要求、制约因数的基础上，采用磁 路的设计方法获得永磁操动机构的初始设计方案。建立了以永磁操动机构的六个主要尺寸为优 化变量，以操动机构体积、0 。到1 8 0 。合闸相角下平均合闸时间和撞击能量为多目标动态优化 函数，包含有关结构尺寸、安全系数、铁材料最大磁密以及合闸过程中速度四个约束条件的最 优化模型。以初始设计方案为出发点，分别采用遗传算法和模拟退火算法求解该最优化模型。 制定了永磁操动机构的设计、优化流程，开发出基于c + + b u i l d e r6 0 编译环境的永磁操动 机构优化设计软件，该软件可实现设计、优化数据的自动输入、输出、保存等功能。本文同时 给出了设计、优化的结果和曲线，分析了优化结果。根据最优化结果，本文研制了一台7 5 a 圆 柱形单稳态永磁接触器样机，对样机静态电磁力、动态位移曲线、线圈电流进行了综合测量， 仿真数据与实验结果的对比验证了本文所述优化设计方法的有效性和正确性。 关键词：永磁机构；接触器；优化设计；遗传算法；模拟退火算法 a b s l r a c t a b s t r a c t p e r m a n e n tm a g n e tc o n t a c t o r ( p m c ) i sak i n do fs w i t c h e rb a s e do naw o r k i n gp r i n c i p l eo f s w i t c h i n go no ro f fb ye l e c t r o m a g n e t i cf o r c ea n dh o l d i n gb yp m ，w h o s ea d v a n t a g e sa r ee n e r g y - s a v i n g , n o i s er e d u c t i o na n ds oo n s t u d y i n go no p t i m i z a t i o nd e s i g no fp ma c t u a t o r ( p m a ) u s i n gi nc o n t a c t o r w i l lh a v ev e r yv a s ti m p a c t so nb o t ht h e o r e t i c a le n d e a v o r sa n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n sf o rm a s t e r i n g p i v o t a lt e c h n o l o g i e so fd e s i g np m ca n db o o s t i n gi t sb r o a da p p l i c a t i o ni ni n d u s t r y t h et h e s i sd e p i c t st h es i t u a t i o no fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta b o u tp m ao fb o t ha th o m ea n d a b r o a da tf i r s t , t h e ni n t r o d u c e st h r e ep m a ss t r u c t u r ea n dt h e i rw o r k i n gp r i n c i p l e s ，i n c l u d i n g s i n g l e s t a b l e ，d o u b l e - s t a b l ea n ds e p a r a t e dm a g n e t i cc i r c u i t t h a tw i l lp r o v i d ei d e a sa b o u tc h o o s i n ga r e a s o n a b l er e s e a r c h i n gs a m p l eo fp m a b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) o fs t e a d ym a g n e t i cf i e l d ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c e a n df l u xa td i f f e r e n td i s p l a c e m e n to fi r o nc o r ea n dc u r r e n to fc o i la r ec a l c u l a t e da n dt h e s es t a t i cd a t a a r eu s e dt ob u i l dap l a n a rg r i d ，w h i c hi su s e df o rs i m u l a t i n gd y n a m i cp e r f o r m a n c e so fp m ab y r u n g e - k u t t a t h et w og e p so f f e ra ne f f e c t i v ea n a l y s i sm e t h o da n da p p r o a c hf o ro p t i m i z a t i o nd e s i g n o f p m a t a k i n gc y l i n d r i c a ls i n g l e s t e a d y s t a t ep m ca sr e s e a r c h i n gs a m p l e ，m a n yf a c t o r st h a t w i l l i n f l u e n c et h es t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e so fp m aa r ea n a l y z e d ，s u c ha st h ec u r v eo fi t sf o r c e a n da n t i - f o r c e ，t h ev o l u m eo fp m aa n ds oo n c o n s i d e r i n gt h er e q u e s to fp e r f o r m a n c e sa n d c o n s t r a i n t s ，t h ei n i t i a lp a r a m e t e r so fp m aa r ed e s i g n e db ym e a n so fm a g n e t i cc i r c u i t a m u l t i - o b j e c t i v ed y n a m i co p t i m i z a t i o nm o d e li st h e ne s t a b l i s h e d ，i nw h i c hs i xp r i m a r ys t r u c t u r a l p a r a m e t e r so fp m a a r es e l e c t e da so p t i m i z a t i o nv a r i a b l e sa n dp m a sv o l u m e ，t h ea v e r a g em a k i n g t i m ea n di m p a c t i n ge n e r g yo fm a k i n gp h a s ef o r m0 。t o18 0 。a r et a k e na so p t i m i z a t i o no b j e c t i v e s ， i n v o l v i n gc o n s t r a i n t sa b o u ts t r u c t u r es i z e ，s a f e t yf a c t o r , m a xf l u xd e n s i t yi ni r o na n dm a k i n gv e l o c i t y t h em o d e li ss o l v e db yg e n e t i ca l g o r i t h ma n ds i m u l a t e da n n e a l i n g a l g o r i t h mr e s p e c t i v e l y t h ep m a so p t i m i z a t i o nd e s i g np r o c e s si sf o r m u l a t e da n ds o f t w a r eb a s e do ni ti sd e v e l o p e di n t h ec o m p i l e re n v i r o n m e n to fc + + b u i l d e r6 0 ，w h i c hp r o v i d e sf u n c t i o n so fi m p o r t i n g ，e x p o r t i n ga n d s a v i n gd a t aa u t o m a t i c a l l y , t h e nt h er e s u l t sa n dc u r v e so fo p t i m i z a t i o nd e s i g na r es h o w e da n da n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，ap r o t o t y p eo f7 5 ac y l i n d r i c a ls i n g l e - s t e a d y - s t a t ep m c i sm a d ea n di t ss t a t i c e l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ，d y n a m i cd i s p l a c e m e n tc u r v e so fi r o n c o r ea n dc u r r e n tc u r v e so fc o i la l e m e a s u r e d c o m p a r i n gs i m u l a t i o nd a t aw i t he x p e r i m e n tr e s u l t sv e r i f i e st h ev a l i d i t ya n dc o r r e c t n e s so f t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o dp r o p o s e di nt h et h e s i s k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e ta c t u a t o r ( p m a ) ；c o n t a c t o r ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ；g e n e t i ca l g o r i t h m ； s i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 期： 第1 章绪论 第1 章绪论 由于永磁接触器相比于传统的电磁接触器具有节能、降噪等诸多优点，因此永磁接触器成 为近年来一个新的热点研究方向，而永磁接触器操动机构不同结构形式及其优化设计的研究对 于掌握永磁接触器设计理论，推广其市场应用具有重要的理论意义和工程价值。 1 1 课题意义及应用前景 1 1 1 意义 电磁接触器由于采用线圈不断通电来维持吸合状态，因此具有能耗大、线圈容易发热烧毁 等缺点，而且由于交流电过零点会在一较短时间内产生吸力小于反力而导致机构抖动，产生噪 音。同时，为克服交流电带来的涡流和磁通不断变化的影响，电磁接触器采用硅钢片重叠，并 带有分磁环的结构形式，这些结构形式导致其工艺复杂性和制造成本的增加。 随着稀土永磁材料如n d f e b 等性能的提高，把稀土永磁材料应用在接触器上，可以有效降 低电磁线圈的耗能情况。永磁接触器采用通脉冲电流和永磁体共同作用完成分合过程，电磁线 圈仅在动作的瞬态时间内耗能。在维持吸合状态时只需依靠永磁体提供的吸力维持状态的稳定 性，线圈不需要通电，因此不存在耗能、涡流、温升、噪音等情况。同时，可采用电工纯铁制 作电磁机构，去掉分磁环结构，降低操动机构的复杂性。永磁接触器的这些特点均大大提高了 其工作性能和使用寿命。 表1 1 详细对比了永磁接触器与传统电磁接触器在节电、温升、噪音以及可靠性等方面的 区别。图1 1 给出了传统c j 2 0 电磁接触器和永磁接触器的节能效果对比。 表1 1 电磁接触器与永磁接触的比较 东南人学硕士学位论文 2 5 0 2 0 0 得 墓瑚 螺1 0 0 5 0 o 1 01 62 54 06 31 0 01 6 0 2 5 0 4 0 0 6 3 0 额定电流a 图1 1 传统c j 2 0 电磁接触器和永磁接触器的节能效果对比 从表1 1 的对比可知，相比于传统的电磁接触器，永磁接触器的最大特点是采用永久磁铁 产生吸力来维持接触器的吸合状态，取代了传统的电磁接触器通过给线圈通电产生吸力保持合 闸状态的方式，这一方式的转变对接触器性能带来了质的提高。由于永磁接触器在闭合状态下 线圈不需要持续通电，在节能方面具有明显优势，节电率最高可达9 9 ，而且也不会产生线圈 温升。同时，因为线圈不通电，所以永磁接触器闭合状态下也不会受电网电压波动的影响，也 没有交流电过零点抖动发出噪声以及触头抖动现象。以上这些因素都极大的提高了永磁接触器 的工作可靠性。 由于永磁接触器所具有的上述诸多优点，因此开展其永磁操动机构优化设计的研究工作， 对于掌握永磁接触器操动机构设计的核心技术，促进永磁接触器的推广应用，达到节能、降噪 和提高工业控制系统可靠性，具有十分重要的理论意义和工程应用价值。 1 1 2 应用前景 据统计，发电设备所发电能的8 0 以上是通过低压电器分配使用的。粗略估计每新增l 万 千瓦发电设备，约需6 万件各类低压电器产品为之配套。也就是说一套3 0 万千瓦的发电设备需 要18 0 万件各类低压电器元件与之配套，其中包括框架式断路器6 , 9 0 0 台，塑壳式断路器6 6 ，0 0 0 台，交流接触器约为3 3 0 ，0 0 0 万台。因此低压电器的市场需求与电力工业的发展密切相关【1 1 。 以2 0 0 4 年为例，全国净增发电装机容量4 , 9 2 9 万千瓦，发电设备总容量达到4 4 ，0 7 0 万千瓦， 比上年增长1 2 6 。因此可以推测带来的低压电器产品的市场需求量接近3 亿件，其中框架式 断路器为约1 1 3 万台，塑壳式断路器约为1 ，1 0 0 万台，交流接触器约为5 , 5 0 0 万刽2 1 。 我国目前的电磁接触器保有量大约为5 , 0 0 0 万台，按每台功率5 0 瓦计算，如果全部采用永 磁接触器，可减少用电功率2 5 0 万千瓦，每天工作1 2 小时计算，年可节电1 0 0 亿度。每度电按 o 5 元计算，年可节约电费为5 0 亿元，经济效益显著。而框架断路器采用永磁操动机构后，同 弹簧操动机构相比，在不增加制造成本的前提下，可有效提高可靠性。 “十一五”期间我国低压电器将继续保持高质快速的发展趋势 3 1 ，预计到2 0 10 年我国低压电 2 第1 章绪论 器市场规模将突破6 0 0 亿元，且近年来电力、石化等产业的大力发展，给低压电器制造业提供 了更巨大的市场，无论是对国内低压电器制造商，还是国外低压电器制造商都是一个难得的机 遇。可以预见，我国低压电器市场容量会继续增长，永磁接触器的应用前景将会是非常乐观的。 1 2 国内外研究现状 国外永磁操动技术的研究开始于二十世纪八十年代末。欧洲以英国及德国为代表。1 9 8 9 年 英国曼彻斯特大学( t h eu n i v e r s i t yo fm a n c h e s t e r ) 系统与能量组为g e c 公司设计了一台永磁 操动机构模型f 4 】。1 9 9 5 年英国的w h i p p & b o u r n e 公司进一步改进了结构，与此同时德国的a b b 公司也做了一些技术改进，进一步降低了操作能耗。a b bc a l o re m a g 开关设备公司研究开发 了采用双稳态永磁操动机构的v m l 型配永磁真空断路器，并实现了电子控制，达到完全免维 护1 5 】【6 1 。1 9 9 9 年a l s t u mt & de i bs a 公司开发出a m d 型磁力操动机构，配它的v b l 型 1 7 5 k v 8 0 0 a 真空断路器，采用动铁心操动，永久磁体锁扣，用电容器储制7 1 。韩国学者j o n g h o k a n g 等研究了真空断路器永磁操动机构的动态特性1 8 l ，k iw o o 等也对永磁型断路器开展了相 关研究一i 。 近年来，我国关于开关电器永磁操动机构的研究工作业已展开，国内一批高校，如浙江大 学、清华大学、西安交通大学、沈阳工业大学以及华中科技大学等率先在理论上进行先期研究。 浙江大学范承志介绍了一种用于真空开关的直线永磁驱动机构。该驱动机构结构简单，工作可 靠。驱动机构具有二个稳定状态，保持力很大，可减小开关器件的接触电刚1 0 】。清华大学钱家 骊从原理上分析了永磁操动机构的控制线圈不同布置情况始动安匝和静态输出机械功的差别， 为永磁操动机构的设计提供原理上的依据【1 1 1 。沈阳工业大学谭东现采用数值计算方法对3 5 k v 真空断路器用永磁操动机构的磁场和操动力进行了计算和分析，研制了3 5 k v 真空断路器永磁 操动机构样机并进行了实验【屹1 。西安交通大学马少华根据真空灭弧室及其机械传动系统负载反 力的非对称性，提出对7 2 5 k v 真空断路器在分闸工作气隙区域内设置由导磁材料构成的磁分 路。引入磁分路后，进入动铁心磁极端面的磁通被分成工作气隙主磁通和边缘扩散磁通，这样 动铁心的电磁吸力特性被有效改善，即使在较长的运动行程下也能获得满足7 2 5 k v 高压真空断 路器开断要求的动能【1 3 1 。西安交通大学游一民从永久磁铁的两种工作状态出发，说明了永磁操 动机构中永久磁铁的工作点位于回复线上，且钕铁硼永磁的祛磁曲线几乎是一条直线，它的回 复曲线与祛磁曲线基本重合，磁感应强度具有重复性，论证了在单线圈式永磁操动机构中，永 久磁铁不会发生退磁现象【h 】。沈阳工业大学林莘从场的角度提出永磁操动机构磁场数值计算方 法，并计算了永磁操动机构模型的磁场分布，进而分析了机构动作原理【1 5 】。沈阳工业大学李岩 针对1 2 k v ，4 0 5 k v 和7 2 5 k v 户内、外真空断路器，研究开发了永磁操动机构设计与分析软件。 该软件工作于w i n d o w 操作系统平台，适用于单、双稳态两种结构与直流和电容两种供电方式 的永磁操动机构的机械和电磁设计以及相应的电子控制部分设计【1 6 1 。华中科技大学王双红根据 双稳态永磁操作机构的结构特点及其工作原理，利用等效磁路法建立了该类操作机构的磁路及 其各电磁量之间的物理关系，同时建立了合闸和分闸操作过程中的电磁方程和动铁心的运动方 程，并讨论了其电磁设计的基本方法【1 7 1 。从文献资料来看，国内外学者以及生产厂商的研究和 制造还主要局限在中压真空断路器上的研究和应用。 3 东南人学硕士学位论文 目前，国内外一些高校和科研院所也已经深入开展永磁接触器设计理论的研究。华中科技 大学苗本健研究了永磁操动机构在接触器领域的应用可能性，介绍了用于真空断路器的永磁操 动机构的基本结构，包括双线圈和单线圈永磁操动机构。分析了其内部电路及电子控制装置。 从永磁材料、交流接触器的特点和控制单元电源等方面，探讨了永磁操动机构在低压接触器中 应用的可能性。指出了永磁接触器设计的一个难点是欠压和失压保护，提出了具有上述保护功 能的控制电路的设计思想【l 引。西安交通大学荣命哲教授针对单线圈单稳态永磁式接触器，采用 仿真和试验的方法对永磁操动机构接触器的静态和动态动作特性进行了研究。首先，利用 a n s y s 软件包采用有限元模型，进行了动铁心静态吸力的仿真；其次，耦合电压平衡和达朗 贝尔机械运动特征微分方程，在上述静态仿真的基础上进行了动铁心动态吸力的仿真。然后， 利用a d a m s 软件构建操动机构的机械模型，仿真动触头和动铁心的位移时间特性，分别对永 磁接触器动铁心和动触头动力学特性进行了仿真和试验研究，取得了一些有益成果【1 9 】【2 0 】【2 。 从目前的资料文献以及接触器产品来看，国内外在永磁材料应用在断路器上已经初具成果， 所获得的相关研究成果也较为丰富，但在永磁接触器方面的研究，尚处于起步和摸索阶段，理 论、技术和模型结构远未达到成熟的阶段。初步的研究结果显示，永磁操动机构用于接触器， 替换电磁接触器线圈，可以实现显著的节能效果；用永磁操动机构替换弹簧操动机构，可以大 幅提高操动机构的可靠性，提高供电的安全性。 1 3永磁操动机构主要结构形式 目前，大多数研究的永磁操动机构可以分为单稳态、双稳态以及分离磁路三种结构形式。 下面将分别对这三种结构形式进行分析。 1 3 1 单稳态结构 单稳态永磁操动机构的普通结构形式如图1 - 2 ( a ) 所示，包括驱动杆、动铁心、线圈、永磁 体、静铁心和弹簧。在分闸状态下，由于动静铁心间气隙很大，单独由永磁体所产生的吸力尚 不足以克服弹簧的反力将动铁心吸合，整个永磁操动机构处于弹簧保持的稳定状态下；合闸时， 线圈通电，产生的磁场与永磁体磁场正向叠加，在永磁力、电磁力的共同作用下克服弹簧反力， 动铁心向下移动直至合闸位置。此时，气隙很小，线圈不必再通电，单独依靠永磁力就足以克 服弹簧反力保持合闸状态的稳定性；由合闸状态过渡到分闸状态则需向线圈中通反向电流，抵 消永磁体的吸力作用，让动铁心在弹簧和电磁力的共同作用下运动至分闸位置。 文献 2 2 1 设计了双e 型6 3 a 永磁接触器，结构形式如图l - 2 ( b ) 所示，研究其磁场分布特点， 并开发了一套参数化的磁场有限元分析软件，可以计算所有动铁心位置的磁场和电磁力。论文 基于磁场有限元分析铁心中的磁场，给出了永磁保持力的计算和测试结果，计算精度满足实际 工程要求。此外，还设计了具有欠压和失压保护功能的分合闸控制单元，并采用m a t l a b 仿 真计算了分合闸过程中的电容充放电过程。由于该操动机构是基于现有双e 型电磁操动机构进 行的改造，可兼容c j 2 0 系列接触器外壳，具有良好的应用和推广前景。 文献 2 3 】研究了一种应用在发动机电磁阀上的永磁操动机构，该机构为串并联结构的单u 型，如图1 - 2 ( e ) 所示，其特征在于，线圈所在部位的静铁心底端部分宽度超过了永磁体的宽度， 4 第l 章绪论 因而，通过静铁心的磁通分成了两部分，一部分通过永磁体，另一部分通过气隙。 驱动杆k 动铁心 ， ， n 鋈 ss霪 7 n 一一 黝礴拉簧 ( a ) 普遍型 ( c ) 单u 型 ( b ) 双e 型 幺 耆参单= ( d ) 提高刚分速度的单线圈单稳态永磁操动机构 图1 2 单稳态结构形式 图1 - 2 ( d ) 所示永磁操动机构为西安交通大学荣命哲教授公布的专利：永磁机构接触器合闸 失压保护和分闸提高刚分速度的方法【2 4 1 ，其方法是将原有的交流接触器的电磁操动机构替换为 永磁操动机构接触器，以实现合闸时的失压保护和分闸时的提高刚分速度，永磁操动机构接触 器的结构为：o ) u 型静铁心一块，静铁心上设置有串联线圈一个；( 2 ) 永久磁铁两块，分别位于 u 型静铁心两端面，其n ，s 磁极反向；( 3 ) 在两永久磁铁上部固定高导磁铁块作为动铁心；该 结构在保持位置，由永久磁铁产生的电磁吸力小于弹簧反力，线圈通特定的维持电流，使接触 器保持在分闸位置。接触器失压后自然分断而具有失压保护功能。分闸时，由电磁斥力和弹簧 反力共同分闸，在超行程内，分闸力较大，接触器触头获得高的刚分速度。 5 东南大学硕士学位论文 1 3 2 双稳态结构 双稳态永磁操动机构是在动铁心的两个终端依靠永磁力来保持，由永磁体代替原来的线圈 通电保持对铁心的吸力，取代复杂的机械结构。该永磁操动机构主要包括：动铁心、静铁心、 分闸线圈、合闸线圈、永磁体和驱动杆，动铁心通过上下驱动杆在静铁心中心线上上下运动， 驱动开关电器实现分合闸功能，结构形式如图1 - 3 ( a ) 所示。 双稳态永磁操动机构的动铁心在理论上有三个平衡状态： 动铁心位于静铁心的最上方，动铁心的上端与静铁心的上磁扼接触，永磁体所产生的磁通 经由动铁心静铁心上端磁轭静铁心外部磁轭返回永磁体，由此产生的吸力克服重力等 外部反力将动铁心牢牢吸持在该位置上。 动铁心位于静铁心的最下方，动铁心的下端与静铁心的下磁极接触，在状态l 中，永磁体 通过上部磁路的磁阻很小而通过下部磁路的磁阻因空气隙很大而很大。永磁体的磁通绝大部分 通过上部磁路，将动铁心牢固地吸在静铁心的上磁极上。在状态2 时，与状态1 相反，永磁体 通过下部磁路的磁阻很小，磁通集中在下部磁路，动铁心被吸在下磁极上，磁通路线为动铁心 静铁心下端磁轭静铁心外部磁轭返回永磁体。 第三个平衡状态是对于上下结构对称的机构，动铁心位于静铁心的中部，永磁体通过上部 和下部空气隙的磁阻完全相等，静铁心的上端和下端受静铁心的吸力完全相等，动铁心处于平 衡状态。但这是一种不稳定平衡，只要上下气隙或外部受力情况有微小变化，就会破坏这种平 衡，过渡到1 或2 的平衡状态。所以动铁心实际上只存在两种平衡状态，即分闸状态和合闸状 态，不存在这种中间状态的工作方式。正因为如此，这种双线圈永磁操动机构又称作双稳态永 磁操动机构。 ( a ) 普通型 分闸 线圈 永磁体 静铁心 合闸 线圈 图1 3 双稳态结构形式 ( b ) 改性型 普通型双稳态永磁操动机构在合闸时不需要给分闸提供能量，合闸能量小，可选择导线直 径细的合闸线圈，需要的电源电流相应也可减i x ；同时，合闸位置下，永磁体仅需克服触头弹 簧反力，所需要的永磁体体积也可减小。然而，该结构类型存在着分闸过程中由于工作气隙越 6 第1 章绪论 来越小，线圈产生的激磁电流所产生的吸力越来越大，永磁力对于分闸中的动铁心由原来的阻 碍作用变为推动作用，导致分闸过程的最后时刻动铁心速度高，冲击能量大，影响机构工作的 稳定性和寿命。因此，文献 2 5 】设计了能提前削弱永磁保持力的短路环的双稳态永磁操动机构 结构，如图1 - 3 ( b ) 所示，在动铁心的分闸端安装有两个磁短路环，其短路环结构由金属导磁性 的两根连杆，转轴和横杆组成，并安装在动铁心的分闸端。短路环转轴穿过动铁心( 拉杆) 为 两个短路环共用。方形的横杆可以自转，在到达静铁心端面( 磁轭) 时可以充分接触。分闸过 程中，静铁心、动铁心和气隙回路产生磁场与永磁体磁场方向在分闸端相同，在合闸端相反。 一旦短路环与静铁心接触并贴合后，便形成磁场短路，由于分闸端的磁阻迅速减小，使原先集 中于合闸端的永磁场迅速被分流到分闸端。同时，分闸线圈电流产生的磁场迅速增强，在合闸 端的磁场方向与永磁磁场相反，合闸保持力迅速减小，可提高永磁机构刚分速度和分闸速度， 且无需多大的分闸电流。 1 3 3 分离磁路结构 除上述单、双稳态永磁操动机构结构外，荷兰h o l e c 公司采用一种如图1 - 4 ( a ) 所示的永磁操 动机构的结构形式，该结构主要包括合闸线圈、静铁心磁轭、永磁体、动铁心和分闸线圈。由 于合闸线圈产生的磁动势与分闸线圈产生的磁动势是相互独立的，因而，此种结构的永磁操动 机构被称为分离磁路型永磁操动机构。 ( a ) 分离磁路永磁操动机构 c o ) 并联磁路永磁操动机构 图1 - 4 分离磁路结构形式 文献【2 6 介绍了一种具有并联分离磁路的永磁操动机构，其结构形式如图1 4 ( b ) 所示。它将 原有接触器的电磁操动机构替换为永磁操动机构，永磁操动机构的静铁心包括u 型静铁心，永 久磁铁和永久磁铁磁路静铁心，u 型静铁心两端固定有串联励磁线圈，永久磁铁镶嵌在永久磁 铁磁路静铁心中。该结构处于保持位置时，克服弹簧反力的吸力由电磁吸力和永磁吸力各承担 一半，可使接触器保持在闭合位置，由于采用并联磁路，串联励磁线圈产生的磁通和永久磁铁 产生的磁通分别流经不同的路径，两者互不干扰，因此串联励磁线圈磁路磁通所通过的磁阻达 7 东南大学硕士学位论文 到最小，实现了永磁接触器的节能。接触器分断或失压时，由于永磁吸力小于弹簧反力，自然 分断由弹簧力驱动实现，实现不需失压保护装置且具备失压保护功能。 实际上，由图1 _ 4 的结构形式可知，分离磁路结构可视为是单稳态结构形式中的一种特殊 结构形式，该类结构把分闸线圈和合闸线圈分离开来，可以满足开关电器分合闸过程的不同负 载特性和速度的要求。 1 4 论文主要工作和章节安排 1 4 1 主要工作 本文围绕永磁接触器操动机构的优化设计展开了以下几个方面的工作： 介绍了永磁操动机构的国内外研究现状以及单稳态、双稳态和分离磁路三种永磁操动机构 的结构形式、工作原理及结构特点。分析对比了永磁接触器相比于电磁接触器在节能、线圈温 升等几个方面所具有的优势以及永磁操动结构的应用前景。 介绍了求解平面稳定磁场问题的基本方程及其边值问题，根据永磁操动机构的磁场有限元 分析，首先计算了不同铁心位移不同线圈电流下电磁力、磁链特性数据，在此基础上，构建了 以位移和电流为变量的电磁力、磁链二维静态网格数据表。介绍了龙格库塔法求解永磁操动机 构磁路、电路和机械运动方程组的具体过程和迭代格式，同时研究了在此过程中利用数据表和 插值法加快动态特性求解的方法。建立了一套基于有限元求解静态数据、机电方程耦合迭代求 解动态特性的流程。 以圆柱形单稳态永磁接触器操动机构为研究对象，阐述了其永磁操动机构各个尺寸的设计 过程和方法，获得初始设计方案。以该初始设计为出发点，选取了永磁操动机构六个主要尺寸 参数作为优化变量，以操动机构体积、o o 到1 8 0 0 合闸相角下平均合闸时间和撞击能量作为多目 标动态优化函数，设置了有关结构尺寸、安全系数、铁材料最大磁密以及合闸过程中速度的四 个约束条件，建立了永磁操动机构的多目标动态优化设计模型。最后分别采用遗传算法和模拟 退火算法求解该优化模型，对比分析了两种优化算法的计算过程和结果，确定了最优化结果。 根据最优化结果，本文研制了一台7 5 a 永磁接触器样机，测量了样机的静态吸力、动态线 圈电流和位移曲线。通过测量结果与仿真数据的对比分析，证明了本文仿真计算方法的有效性 和正确性。最后，本文对导致仿真与测量数据之间误差的原因做了进一步的分析。 开发了一套基于c + + b u i l d e r6 0 编译环境的永磁接触器操动机构优化设计软件【2 7 】【2 8 】1 2 9 1 ，该 软件可实现尺寸、材料参数定义，有限元剖分求解，动态性能仿真，操动机构设计及优化等功 能。 最后，在全文工作总结的基础上，指出了本文工作中仍然存在的一些不足，探讨了还需要 进一步加以研究和分析的工作内容，为永磁接触器操动机构下一步研究工作的开展提供参考。 1 4 2 章节安排 第1 章绪论。介绍了国内外永磁机构的研究现状和进展，分析了主要永磁操动机构的结 构形式、工作原理和结构特点，阐述了永磁接触器的优势及其应用前景。 第2 章 永磁接触器操动机构的电磁计算方法。介绍了用于求解稳定磁场的麦克斯韦基本 r 第1 章绪论 方程及其边值问题，给出了求解永磁操动机构电磁力和磁链的具体步骤与方法。建立了基于有 限元求解永磁操动机构静态数据网格，机电方程耦合迭代求解动态特性的一套流程。同时，研 究了插值法在加快动态特性求解问题中的应用。 第3 章永磁接触器操动机构结构设计。以圆柱形单稳态永磁操动机构为研究对象，分析 了其结构组成和工作原理，给出了其各个部分设计需要考虑的因数、步骤和公式。在此基础上 采用c + + b u i l d e r6 0 作为编译环境开发了永磁接触器操动机构设计程序，介绍了该程序所采用 的磁路与有限元相结合的技术。 第4 章 永磁操动机构多目标动态优化设计。建立了以永磁操动机构六个主要尺寸参数为 优化变量，以体积、平均合闸时间和撞击能量等静动态性能参数为多目标动态优化函数，包含 有关结构尺寸、安全系数、铁材料最大磁密以及合闸过程中速度四个约束条件的最优化模型。 开发了采用遗传算法和模拟退火算法的优化设计程序求解该最优化模型，给出了优化结果和曲 线，并对优化的过程和结果进行了分析，确定了最优化结果。 第5 章永磁接触器仿真与实验。根据最优化结果研制了一台7 5 a 永磁接触器样机，测量 了样机的静态吸力、动态位移曲线和线圈电流。仿真数据与测量结果的对比验证了本文所述优 化设计模型的有效性，同时本章还分析了两者间存在着部分误差的原因。 9 东南人学硕士学位论文 第2 章永磁接触器操动机构电磁计算方法 永磁操动机构的基本方程、边值问题以及永磁材料的处理是其电磁有限元计算的理论基础 和前提条件，在此基础上可进一步获得永磁操动机构在任意铁心位移和线圈电流下电磁力、磁 链的静态特性。该静态特性的求解为插值法在龙格库塔法中的运用，为快速获得永磁操动机构 位移、电流、电磁力等动态特性提供了极大的便利条件【3 0 】【3 1 】【3 2 】【3 3 】【3 4 1 。 2 i 基本方程和边值问题 2 1 1 基本方程与位函数 麦克斯韦方程组是一切宏观电磁场问题的数学描述，也是电磁场有限元分析的理论依据。 对于静磁场，其基本方程为 f v 疗：7 一一 ( 2 1 ) lv b = 0 式中，疗为磁场强度矢量；雪为磁感应强度矢量；7 为电流密度矢量。 对于任何电磁场介质，还有本构方程 b = ( 2 2 ) 式中，为磁导率。 求解式2 1 所描述的静磁场，通常引入矢量磁位来表达磁感应强度 b = v a ( 2 3 ) 式中，么为矢量磁位。 由于本文所研究的永磁操动机构可以是矩形截面也可以是圆形截面，其磁场可分别简化为 二维平行平面场或轴对称场，矢量磁位韵仅有一个分量。二维平行平面场时确g 谚，它满 足以下控制方程 昙( 兰) + 晏罄) ：一以 ( 2 4 ) 呶汕0 xo y 嘞 式中，为线圈z 方向的电流密度。 轴对称场时，a = 4 ( ，z ) 乙，它满足以下控制方程 1 0 第2 章永磁接触器操动机构电磁计算方法 两01 秽0 4 e 珊掣卜 式中，以为线圈0 方向的电流密度。 ( 2 5 ) 2 1 2 位函数的边值问题 前面已经给出了采用矢量磁位求解两种不同结构的永磁操动机构磁场的控制方程，为了能 进行有限元数值分析，还需要给出边界条件，从而构成边值问题。 对于截面为矩形的永磁操动机构，当简化为二维平行平面场分析时，考虑其对称性，其场 域示意图如图2 1 ( a ) 所示，边界上矢量磁位4 为已知值，即为第一类边界。类似地，截面为 圆形的永磁操动机构，当简化为二维轴对称场分析时，考虑其对称性，其场域示意图如图2 1 ( b ) 所示，边界上矢量磁位4 也为已知值，也为第一类边界。 这样求解矩形和圆形截面永磁操动机构磁场的边值问题分别为： ( 2 6 ) k d 。石1 秽0 a e 珊掣卜 亿7 ， 【f l ：4 = 二 表2 1 统一符号表 则统一的能量泛函表达式为 r v ( 们= l l ( 毫d c 匆一f l i d x + 式中，c = n 与式2 8 等价的非线性条件变分问题为 ( 2 8 ) 五 丝秒 一 a 一钞 丝反毛 1 一钉 蜷咆 a 一苏4 c ： 一 东南大学硕士学位论文 p ) 2 ( f 脚刊螂一 ( 2 9 )、qy ， 忆：”= u o ( a ) 矩形截面 2 2 永磁材料处理 图2 1 不同截面形式场域示意图 ( b ) 圆形截面 永磁材料在有限元的计算中，一般有两种处理方法，即直接离散法和面电流等效法。直接 离散法可将永磁体的磁化特性直接地体现在微分方程中，有利于在有限元相关矩阵的基础上加 上相关系数而获得新的求解方程，方便开发相应程序；面电流等效法将励磁等效为激磁电流的 作用，虽然不需要对整个永磁体区域进行计算，节省了计算时间，但须对永磁体和其它媒质的 分界面进行记录。有鉴于此，本文中永磁材料采用了直接离散处理的方法。 永磁体工作在回复线上，对于目前广泛使用的稀土永磁材料而言，其回复线和退磁曲线重 合，永磁体工作点的b h 关系为 一 1 一 h = h 。一二b ( 2 1 0 ) p 式中，詹。为永磁体矫顽力；t = 硒，t o 为真空磁导率，肛为永磁材料回复线相对磁导率。 采用矢量磁位么求解，根据麦克斯韦方程，永磁机构的电磁场问题可表述为 一 1 一 v ( h c 一二v 彳) = 0( 2 1 1 ) 式2 11 在平行平面稳定磁场下其泛函可表示为 1 2 第2 章永磁接触器操动机构电磁计算方法 哪，2 脑营2 + c 蜘 j ( h 。c o s 00 。4 以s 访目爹蚴 + 彤j 2 蚴砒 ( 2 1 2 ) 式中，0 为磁化方向和x 轴的夹角；s 删为平面上永磁区域。 式2 1 2 右端对后一项为常数，对求极值无作用。除第二项外，其余部分与没有永磁体时的 稳定磁场相同，其离散格式也相同。第二项是新增加的，仅需推导其相应的离散格式 呒( 4 ) 一。 j ( h 。c o s t 9 0 。a ，一皿s i l l 伊罢进砂 ( 2 1 3 ) s 呲 。0 v “ 对永磁区域内的每一节点磁位求一阶偏导 薏一扣皿c o s t g - b k h 。s i n 0 ) 。肌 ( 2 ，4 ) 式中，c k 、瓯为单元离散插值系数，与节点磁位无关的常数。 在单元分析中，仅需将下式所表达的系数添加到方程组相应节点的等式右端即可完成永磁 体的处理工作 g = 去( 皿c o s o 一玩皿s i n o ) k = f ，j ，m( 2 1 5 ) 当永磁体各处的磁化方向和矫顽力已知的情况下，不论是否均匀磁化，均可采用直接处理 法。另外，对于轴对称稳定磁场，只需根据表2 1 变换相应的符号变量，上述的推导过程仍然 有效。 2 3 电磁力及磁链计算 在获得每一个节点上磁位值彳的基础上，根据两点i 司彳值之差的绝对值，就。司以计算通过 该两点间的磁通。如已知某单元的一条边处在操动机构动铁心的下表面，该边上的两个节点1 、 2 对应的磁位值分别为a i 、a 2 ，则通过该条边的磁通量为 轴对称：= 2 7 ri ( 4 一a 2 ) ( 1 一，2 ) j ( 2 1 6 ) 平行平面：中= l ：i 彳l 一彳2i ( 2 1 7 ) 式中，1 、，2 分别对应圆形截面上两个节点1 、2 在，方向上的半径；l ：为平面场域在z 方向 上的长度。 则动铁心上的电磁力可表示为其下表面的多个小单元的受力之，和 1 3 东南大学硕士学位论文 f ：皇芝 ( 2 1 8 ) 智2 风s f 、 式中，s ，为单元的表面积。对于轴对称s ，= 万l 2 一学i ；对于平行平面墨= tl 而一x 2l ，而、 矗分别对应矩形截面上两个节点1 、2 在x 方向上的长度。 计算线圈磁链时，首先需计算线圈中每个单元的平均磁位值，然后再计算通过由该单元中 心点和对称线上对应水平点两点构成的垂直平面的磁通。求解每一个这样的磁通量，然后将所 有的磁通量相加再乘以线圈匝数，除以线圈单元总数获得线圈磁链。一个单元的平均磁位为 彳哪= ( 彳。+ a 可+ 彳船) ( 2 1 9 ) 式中，彳“，如，4 时为线圈中单元三个节点上的磁位值。 单元中心点坐标为 轴对称：，嘴= 专( 乙+ + ) ( 2 2 0 ) 平行平面：x 嘴= 吉 鲋+ b + x 妇) ( 2 2 1 ) 通过由该单元中心点和对称线上对应水平点两点构成的垂直平面的磁通为 轴对称：。= 2 剃嘴，嘴 ( 2 2 2 ) 平行平面：f = 三：彳哪x 嘴