基于TRIZ理论的电流互感器的创新设计

现代设计与先进制造技术 李果张宇李勃 等基于 T RI Z理论的电流互感 3 5 基于 TRI Z理论的电流互感器的创新设计 李 果 张 宇 李 勃 董 涛 昆明理 工大 学 机 电工程 学 院 云南 昆 明6 5 0 0 9 3 摘要 首先 介绍了 T RI Z理论中关于解决问题过程的模型和理论方法工具 其次 以电流互感器 传统设计方法为基础 基于 T RI z理论 中关于创新设计的物质 一场的分析和技 术冲突解决的原 理 提 出了电流互感器技术冲突解决的方案 并 阐述 了应用 T RI Z理论对电流互感器进行创新设 计 的详 细过 程 关键词 创新设计 T RI Z 矛盾矩阵 技术冲突解决 电流互感器 中图分类号 T M4 5 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 1 6 1 6 2 0 1 0 0 3 0 0 3 5 0 4 面对 日益激烈的市场竞争 创新设计是增强高 压 电器产品竞争力的根本途径 虽然设计 阶段 的 投入只占产品总成本 的约 5 但设计过程所做 的 决策几乎决定 了产 品全部成本 的约 7 0 因为产 品的性 能 结构 质量 成本 维 护性等诸方 面都是 在产品设计阶段确定 的 正是在这一形势下 创新 设计的重要性变得 日益明显 并成为决定高压电器 产品竞争力的最关键环节l 1 J 运用 T RI Z理论 可 加快创造发 明的进 程 而 且能得到高质量 的创新产 品 它能够帮助系统分 析问题 快速发现问题本质或者矛盾 并能够准确 确定问题探索方向 而且能够帮助我们突破思维障 碍 打破思维定势 以新的视角分析问题 进行逻辑 性和非逻辑性 的系统思维 还能根据技术进化规律 预测未来发展趋势 有助于开发富有竞争力的新产 品 1 TRI Z理论L 2 4 J T RI z理 论 始 于 1 9 4 6年 它 是 以 G S Al t s h u l e r 为首 的 研 究 组 织 研 究 了 世 界 上 近 2 5 0万 项 发明专利 综合各个学科领域的原理和法则形成的 理论体系 它成功地揭示 了创造发 明的内在规律 和原理 着力于澄清和强调系统中存在 的矛盾 而 不是逃避矛盾 其 目标是完全解决矛盾 获得最终 的理想解 而不是采取折衷或者妥协 的做法 而且 它是基 于技 术 的发 展 进 化 规 律 对 整 个设 计 与 开发 过程 进行研 究 而不 再是 随机 的行 为 TRI Z是基 于知识 这 些知识包 括技术本 身 相似或相反的技术 或过程 环境 发展及进化 其 次是 面 向人 的发 明 问题 解决 系统化 方法 学 1 1 T RI Z解 决 问题 过程模型 TR I Z求解问题过程如图 所示 设计者将设 计 中遇 到 的 特 定 问 题 表 述 为 T RI Z 问题 再 用 TR I Z工具 如发 明原理 标准解等求 出 T RI Z问题 的标准解 然后针对特定 问题再应用标准解求 出特 定的解 在实际中求特定解 的关键是应用该 理论 的前处理和后处理 即将特定的问题转化为标准的 问题 和用标 准解 求 出特 定 的解 图 1 TRI Z求 解 问 题模 型 1 2 TRI Z理 论 方 法与 工具 a 技术系统进化法则 技术系统一直处于进化演变之中 在大量专利 分 析 的基 础 上 T RI Z理论 总结 提炼 出 8个 基 本 进 化法则来研究技术系统的进化模式 进化定律和进 化路线 利用这些进化法则 可以分析确认 当前产 品的技术状态 并 预测未来发展趋势 开发 富有竞 争力的新产品 b 物质 一场分析方法 TR I Z 理论 中提供 了如何 系统分析 问题 的科 收稿 日期 2 0 0 9 1 0 2 1 基金项 目 云南省科接创新强省计划项 目 2 0 0 8 A A0 1 2 作者简介 李果 1 9 8 2一 男 云南昆明人 昆明理工大学硕士研究生 主要研究方 向为先进制造技术 2 0 1 0年 2月 中国制造业信息化第 3 9卷第 3期 学方法 而对于复杂问题 的分析 则包含 了科学的 问题分 析建 模 方 法 物 质 一场 S u b s t a n c e F i e l d A n a l y s i s 分析法 它可 以帮助快速确认核心 问题 发现根本矛盾所在 其原理为 所有 的功能 都可以拆分为 3个基本 元件 两种 物质 T o w S u b s t a n c e s 和物质问相互作用的场 F i e l d 其模型 如图 2所示 图中的物质可以是任何复杂程度 的 对象 可以为物体 材料 被控粒子等 场是能量的 总称 如核能 机械能 热能 电磁能 电能等 图中 F为场 S 和 S 2 为物质 场 F通过物质S 2 作用于 物质 S 并改变物质 S 的状态 质量等各种属性 图 2 物 质 一场 c 矛盾解决原理 不同的发明创造往往遵循共 同的规律 T RI Z 理论将这些共 同的规律归纳成 4 0个创新原理 针 对具体的技术矛盾 可以基于这些创新原理 结合 工程实际寻求具体 的解决方案 共有 3 9 3 9条标 准冲突和 4 0条原理可供选用 d 创新问题标准解法 针对具体问题的物质 一场模型的不同特征 分 别对应有标准的模 型处理方法 包括模型的修整 转换 物质与场的添加等等 2 基 于 TRI Z理 论 的 电流 互感 器 的 创新设计 电流互感器在电力系统 中起着重要的作用 是 一 次系统 和二次 系统 之间 的重要联 络元 件 因此 安全 节能 高效 环保将成为未来产 品开发设计的 主要课 题 2 1 电流互感器设计方案 6 J 电流互感器是一种专门用于变换 电流的特种 变压器 工作原理图如图 3所示 一般的设计思路 如下 a 由于一次绕组直接 串连在电力 线路上 如果 是高压电流互感器 一次绕组就处于高压状态 而二 次绕组外部连接着测量仪表或保护装置 这些仪表 和装置都需处于低压安全状态 因此一二次之间必 须建立起可靠的绝缘来保证二次设备和人身安全 如何设计电流互感器一二次间及一次对地的绝缘 是我们在电流互感器设计中需要解决的问题 b 由于有励磁 电流的存在 造成一定的功率损 耗 而且电流越大损耗也越大 如何降低损耗 提升 效率 也是设计者必须考虑的问题 一 次绕组 铁芯 二次绕组 二 次负 荷 图 3 电流互感器工作原理 c 基于实际生产和使用需要 还需使互感器在 满足上述条件下尽量结构简单 质量轻便 便 于降 低生产成本和容易装配 根据一般的设计思路确定的设计方案 只能说 满足了安全标准和使用标准 由于没有更具体的针 对每个细节设计思想的指导 所以不可能对互感器 的每个细节都加以优化 还达不到我们所提倡的安 全 节能 高效 环保 2 2 电流互感器的技 术 系统进化 法则分析 TR I Z理论认为 通过发展和复杂化来导致系 统的成长是一项宇宙规律 一个技术系统的进化有 4个阶段 1 选择系统中的各部分 2 改善各个 部分 3 系统的动态化 4 系统的 自我发展 对于电流互感器来说 由于继电保护 电力系 统检测和系统分析的需要 出现 了电流互感器 这 是系统的第一阶段 开发高性能 高绝缘强度的绝 缘材料 低电阻率 高磁导率的铁芯及导线 外观简 单 质量轻便等属于第二阶段 虽然高压电器生产 厂家对影响电流互感器性能的各个环节进行 了大 量的研究 取得 了一定的进展 但未能更有效地解 决其中存在的问题 现在 的电子技术 光纤技术等 是电流互感器系统发展的第三阶段 但第三阶段没 有得到充分发展 第 四阶段指技术系统在操作过 程中 自己能够重组 自己 即通过理想的人工智能系 统和理想的绝缘及导体材料 使得电流互感器不会 失效 并能根据两端绕 组的 电流需要 自动调节变 比 而电流互感器还远没有发展到这一阶段 2 3 利 用物质 一场分析 方法确 定电流互感 器设计技 术冲 突 利用物质 一场 S u b s t a n c e f i e l d 分析模型确定 电流互感器设计技术冲突 能够直接找到问题的核 心 真实矛盾发生之处 电流互感 器系统 的物 现代设计与先进制造技术 李果张宇李勃 等基于 T RI Z理论的电流互感 3 7 质 一场模型如图 2所示 此模 型表示 当铁芯和导 线通过 电流时产生电磁场 而电磁场又作用到绝缘 子上 在绝缘子的约束下 完成 电流转换任务 根据物质 一场分析模型 电流互感器设计中存 在 的 冲突如 下 冲突 1 电流互感器的生产率和安全性能 的冲 突 以干式电流互感器为例 基 于生产和装配 的需 要 外观简单 质量轻便 能有效地提高生产率和节 约成本 但同时 因为缩减绝缘子厚度会影响到互 感 器 的绝缘 性 冲突 2 功率和效率 的冲突 大功率 的电流互 感器一次线圈要通过很大的电流 同时在 电磁转化 过程中能量损失也增大 导致效率的降低 2 4 利 用技 术冲 突解 决方 法分析 电流互感 器 2 4 1 T R I Z解决技术冲突的基本原理 技术冲突总是涉及到 2个基本特性 技术系统 中的某一特性得到改善 时会引起系统中另一特性 的恶化 T RI Z理论提取了描述技术 冲突 的 3 9个 通用工程参数和 4 0条创新原理 实际应用 时 把 组成冲突的双方特性用该 3 9个通用工程参数 中的 2个来表示 目的是把实际工程设计 中的冲突转化 为一般的或标准 的技术冲突 为了能科 学地选择 创新原理解决技术冲突 Al t s h u l e r 将描述技术冲突 的 3 9个规范特性与 4 0条创新原理建立了对应关 系 形成 了矛盾矩阵 见表 1 应用 的过程为 首先 选取冲突方为恶化的通用工程参数 再选取改进的 通用工程参数 确定两参数在其对应行与列的交叉 处的矩阵元素 该元素所给出的数字为推荐采用的 解决原理序号 应用解决冲突矩阵可以解决绝大 部分工程设计问题 并对产品创新设计提出有效方 案 2 4 2 电流互感器设计中技术冲突分析 用 T RI Z理论的 3 9个通用工程参数将上述 电 流互感器设计 系统 中物质 一场分析中得到 的两对 冲突抽象为通用 的工程参数 冲突 1可泛化描述 为 改进的通用工程参数为 生产率 恶化 的通用 工程参数为 稳定 性 从 表 1中得到交叉点处的 发 明原 理编 号 为 3 5 3 2 2 3 9 与 这 4个 编 号 对 应 的发 明原 理 为 物 理 或 化 学 改 变 原 理 局 部 质量 原理 变害为利原理 和 惰性环境原理 冲突 2可描述为 改进 的通用工程参数 为 功率 恶化 的通用工程参数为 能量损失 从表 1中得到交 叉点处 的发明原理编号为 1 0 3 5 3 8 与这 3个编 号对应的发明原理为 预先作用原理 物理或化 学改 变原 理 强氧 化剂 原理 表 1矛盾矩阵 恶化 的通用工程参数 1 1 3 2 2 3 6 3 9 通用工程参数 运动物体 装置 的 的质量 稳定性 能量损失 生产率 复杂性 1 运 动物体 的质量 1 3 5 1 9 3 9 6 2 3 4 1 9 2 6 3 0 3 6 3 4 3 5 3 2 4 2 7 改 进 的 2 1 功率 8 3 6 3 8 3 1 3 5 3 2 1 5 3 l 1 0 3 5 3 8 2 0 1 9 3 0 3 4 1 3 5 2 9 3 8 通 用 工 程 3 1 物体产生 的有害 因素 1 9 2 2 1 5 3 9 3 5 4 7 2 7 3 9 2 1 3 5 2 2 2 1 9 1 3 1 2 8 3 5 3 4 参 数 3 9 生产率 3 5 2 6 2 4 3 7 3 5 3 2 2 3 9 2 8 1 0 3 5 2 9 1 2 1 7 2 8 2 4 由冲突解决矩阵选出的创新原理 只是带有普 遍性的一般解 更重要 的是要将其应用于实际问题 中 从而得到特定解 冲突矩阵所建议的原理仅表 明了解决问题的可能方向 并不代表所有推荐的原 理对具体问题都是可行的 需结合实际问题过滤掉 一 些明显不符合要求的原理 然后将选定 的可行原 理应用到待设计系统中去 2 4 3 电流互感器设计 中技术冲突解决方案 结合 电流互感器的设计 原理 经过 分析 根据 发 明原 理 提 出如 下解 决方 法 解决冲突 1 物理或化学改变原理 采用高 介 电强度绝缘材料 结构简单的外形设计 局部质 量原理 在互感 器 内部 电场最强 的地方加大绝缘 强度 不必整体加强互感器 的绝缘强度 惰性环境 原理 可将电流互感器 置于真空或 s F 6 气体 中使 用 解决冲突 2 预先作用原理 电流互感器 的 绕组在绕线时使 其尽量均匀 预先处理铁芯 使其 3 8 2 0 1 0年 2月 中国制造业信息化第 3 9卷第 3期 表面光滑 没有裂纹 棱角等 物理或化学改变原 理 使用磁导率高而电阻率低 的材料来做互感器 的铁芯和绕线 按以上解决方法 我们在创新设计电流互感器 时 就可 以遵 循几 个原则 a 设计绝缘时 尽量采用高绝缘强度的绝缘材 料 如可选用环氧树脂作为绝缘材料或选择惰性的 S 气体 尽量使用磁导率高而电阻率低的材料来 做互感器的铁芯和绕线 如用硅钢片来做铁芯 b 绕组在绕线之前 预先处理铁芯 使其 表面 光滑 没有裂纹 棱角等 绕组在绕线时使其尽量 均匀 这样可尽量减小漏磁 提高电磁转化效率 C 只需在互感器内部电场最强的地方加大绝缘 厚度 不必整体加强互感器的绝缘厚度 如只需在电 流互感器 电场 强度 最 强 的一 次 线 圈处 加 大 绝 缘 强 度 既简化了外型 便于装配 又降低了生产成本 综上所 述 通过把 T RI Z理论 运 用 到互感 器 创 新设计中 可以设计出较为理想的电流互感器 较 普通的电流互感器 经过创新设计后的互感器结构 简单 质量轻便 从而提高了生产率 降低了成本 在使电流互感器达到高参数 高稳定性 的同时 还 达到了高效节能 3 结束语 本文将 T RI Z理论 引入 到高压 电气产品设计 领域 以电流互感器 为例进行 了详细分析 取得了 初步效果 虽然 TR I Z为设 计问题 的解决提供 了 较为成熟的理论体系和方法 但是 T RI Z的研究应 用不是一蹴而就的事情 如何将问题描述为标准的 工程参数就是一个难点 T RI Z本身也还处 于不断 完善发展之 中 我 国对 T RI Z的研究 处于起 步阶 段 因而研究 T RI Z对我国的创新设计更具有现实 意 义 参考 文献 1 檀润华 创新设计 M 北京 机械工业 出版社 2 0 0 0 2 郑称德 TR I Z理论及其设计 模型 J 管理工程学 报 2 0 0 3 1 7 1 8 4 8 7 3 D a r r e l l Ma r i a A n i n t r o d u c t i o n t o TR I Z t h e t h e o r y o f i n v e n t i v e p r o b l e m s o l v i n g J J C r e a t iv i t y a n d I n n o v a t i o n Ma n a g e me n t 2 0 0 1 1 0 1 8 2 2 4 E m i l y M S mi t h F r o m r u s s i a wi t h T RI z J Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g 2 0 0 3 1 2 1 2 6 5 乐万德 王可 陆长德 等 基 于 T RI Z产 品概念设 计研 究 J 机械科 学与技术 2 0 0 3 2 2 4 5 3 2 5 3 4 6 尹克宁 变压器设计原理 M 北京 中国电力出版社 2 0 0 3 A Ne w De s i g n o f Cu r r e n t Tr a n s f o r me r Ba s e d o n t h e Th e o r y 0 f TRI Z LI Gu o ZHANG Yu LI t 3 o DONG Ta o Ku n mi n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Yu n n a n Ku n mi n g 6 5 0 0 9 3 C h i n a Abs t r a c t I t i n t r o du c e s t h e TRI Z t h e o r y u s e d i n mo d e l i n g a n d t h e t h e or e t i c a l me t h o d o l o g i c a l t o ol s Ba s e d o n t h e t r a d i t i o n a l d e s i g n me t h o d o f c u r r e n t t r a n s f o r me r a n d t h e i n n o v a t i v e d e s i g n i n g me t h o d s o f ma t e r i a l f i e l d a n a l y t i c a l a n d t e c h n i q u e s c o n f l i c t r e s o l u t i o n i n TRI Z t h e o r y i t p r o p o s e s t h e r e sol u t i o n o f t e c h n o l o g y c o n f l i c t o f c u r r e n t t r a n s f o r me r p r o g r a ms s h o ws t h e TRI Z t h e o r y a p p l i c a t i o n o n t he d e t a i l i nn o v a t i v e p r o c e s s o f d e s i gn i n g c u r r e n t t r a n s f o r me r Ke y wo r d s I n n o v a t i o n De s i g n TRI Z C o n f l i c t Ma t r i x Te c h n i q u e C o n f l i c t S o l v i n g Cu r r e n t Tr a n s f o r i f l e r 上接第 3 4页 Re s e a r c h o n t h e De s i g n me t h o d s o r i e n t e d De v e l o p i ng S t r a t e g y f o r M a n u f a c t u r a l S M Es LU J i a n C HEN B i n g f a Na n i i n g Un i v e r s i t y o f Ae r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s J i a n g s u Na n j i n g 2 1 0 0 1 6 C h i n a Ab s t r a c t I t s u mma r i z