外文翻译译文-使用田口方法设计一个永磁操动机构真空断路器及动态特性分析

使用田口方法设计一个永磁操动机构真空断路器及动态特性分析Chang-HyukLee,BuHyunShin,andYoung-bongBang,Member,Abstract:Permanentmagneticactuators(PMAs)areusuallyusedforvacuumcircuitbreakers(VCBs)duetotheirfastlinearmotionandlargeholdingforce.Astheholdingforcebecomeslarger,sodoesthecurrentcapacityofthecircuitbreaker.ProducingalargeholdingforcewiththesamePMAsizeisthereforeimportantinPMAdesign.ThispaperpresentsadesignmethodofaPMAforvacuumcircuitbreakers.ToattainthedesiredholdingforceundertherestrictionofthePMAsize,mostoftheinfluentialPMAyokedesignparameterswereobtainedbyTaguchimethod.PMAdynamiccharacteristicsweresimulatedconsideringtheelectromagneticcharacteristics,thePMAdrivingcircuit,andthemechanicalcomponentsconnectedtothePMAoutputshaft.Experimentswereperformedtovalidatetheproposeddesignmethod,andtheexperimentalresultswerecomparedwiththesimulationresults.IndexTerms:Permanentmagneticactuator,PMAdesign,circuitbreaker,Taguchimethod,holdingforce,transientsimulation摘要：永磁机构（PMAs）通常用于真空断路器（VCBs）由于其快速的直线运动，保持力大。随着保持力变大，断路器的电流容量也变大。因此生产同规模永磁操动机构的大保持力在永磁操动机构设计很重要。本文提出了一种永磁操动机构的真空断路器的设计方法。为了达到永磁操动机构大小的限制下所需要的保持力，最有影响力的永磁操动机构轭设计参数都是由田口方法获得。永磁操动机构动态特性模拟考虑了电磁特性、永磁操动机构驱动电路和机械部件连接到永磁操动机构输出轴。通过实验验证所提出的设计方法，并与模拟结果进行了比较。关键词：永磁操动机构，永磁操动机构的设计，断路器，田口方法，保持力，瞬态仿真I.引言断路器（CB）的目的是防止发生在电力传输线的意外问题。断路器可根据其类型分类：真空、空气、油或气体。在这些中，真空断路器具有最小的电弧的优点和中等电压低于75伏应用受限的缺点1-4。真空灭弧室的最大行程应限制在一定值。在这种情况下,永磁操动机构(PMA)是一个适合驱动真空断续器的驱动器。因为它可以在一个有限的行程被有效地操作，具有大的保持力，并有高可靠性和低维护。一个永磁操动机构的主要应用是在上述真空断路器（VCB），因此在研究永磁操动机构通常与真空断路器有关。这项永磁操动机构研究可分为两类：永磁操动机构的设计和其特性分析。首先，对永磁操动机构特性分析研究对电磁行为，驱动电路，和连接到输出机械系统轴进行考虑。永磁操动机构的电磁场基础的分析是以有限元法（FEM）为基础的5,6。参数化网格生成技术和节点移动的技术也被用于分析在不同电枢的位移的电磁场7，8。这种电磁磁场由线圈和永磁操动机构的永久磁铁产生的,因此，研究被进行分析考虑到该永磁操动机构的电磁场驱动电路6，9。连接到机械系统永磁操动机构输出轴也会影响其动态特性;考虑到这一点，进行一些研究以预测永磁操动机构的动态行为10-13。第二，为了改进永磁操动机构的性能在永磁操动机构的设计上有了研究。要克服短行程是一个永磁操动机构的一个共同的特点。一个新的永磁操动机构是将额外的线圈或者磁铁环绕在转子周围上。通过层压的电枢以及外部的偏转线圈，输出推力可能会增加以减少涡流效应9。优化设计方法被应用到永磁操动机构以在有限体积内增加其输出推力7，16。去制造一个（闭合）和断裂（张开）力的幅度差异，它有效地利用线圈的空间，辅助永久磁铁被安装17。在本文中，永磁操动机构特性分析（例如动态仿真）也考虑到电磁特性，驱动电路，和连接机械系统（包括摩擦系数）。然而，本文是更相关的使用田口设计永磁操动机构方法。大量生产的工业伺服电动机的剖轭形状最佳设计时几乎不产生波纹转矩。几种类型的伺服电机输出功率不同只是改变了轴向制造的磁轭长度，通过改变磁轭层压体的数量同时保持截面形状。然而，在永磁操动机构的情况下，许多参数应当同时改变以改变输出。永磁操动机构通常是定制的，相比于工业伺服电机小批量生产。因此，对于一个不具有自己的专有技术设计的公司，根据客户的要求设计一个新的永磁操动机构是一个沉重的负担。田口方法是许多优化设计之一方法18-22，并有多篇论文应用于实际工业问题23-26。此外，田口方法已被应用到执行器的设计问题2733。执行器能够通过选择轭参数和控制因素（设计参数）被最优设计，以最大限度地提高输出转矩/力27，28和减少齿槽转矩/力28，30。对于IPM（内部永久磁铁）电动机，输出转矩可以最大优化通过重新设计的位置的参数，体积和两个区段的磁铁通过田口法优化31，32。一些研究还应用了田口方法来解决执行器的散热问题27，33。在本文中，我们应用田口方法的设计真空断路器的永磁操动机构。应用田口方法，我们对永磁操动机构的应用设计提出了一个有效的程序，这是不同于一般的程序，它重复使用正交阵列找到有影响力的参数。此外，我们通过动态模拟进行了线圈设计，它考虑了外部机械部件的摩擦，和驱动电路的操作。通过这些，我们提出了一个整体的永磁操动机构设计过程。制造出一个永磁操动机构样机，实验结果与模拟相比较。本文的内容如下：第二节描述了使用田口提出的设计程序方法来产生所需的保持力;第三部分介绍了永磁操动机构的动态特性分析;第四部分介绍了使用第三节的动态仿真结果的线圈设计;第五节比较与模拟结果的实验结果;第六节总结本研究。II.轭设计设计一个永磁操动机构的主要目标是达到所需的夹持力，使永磁操动机构在给定的驱动条件下操作（电容器的容量和充电电压）。通过增加永久磁铁和磁轭的大小，可以达到加大保持力。然而，永磁操动机构大小不能任意增加由于其安装空间和生产成本的限制。图1显示了在永磁操动机构研究中应该被安装的框架。众所周知，从图1中，如果永磁操动机构大小超过限制，许多零件，如轴、链接、和框架，需要重新设计。为了使永磁操动机构在给定的驱动条件进行操作，应确保线圈有足够的空间和决定线圈合适的直径。在本节中，永磁操动机构轭被设计以获得所需的保持力。由于磁轭变大，有利于在两个保持力和线圈体积的增加，但应在尺寸限制条件下进行设计。这项研究在永磁操动机构公司，曾试图制定一个永磁操动机构满足一定规范的要求开始（保持力，尺寸限制，和电容器的容量和充电电压）通过连续试错的方法，但都失败了。(a)透视及局部剖视图(b)剖面图图1永磁操动机构的真空断路器框架图在本文中，永磁操动机构将通过修改原始的永磁操动机构设计参数值来设计。保持力的目标是600公斤（5880N）的体积和行程的约束下，如下（图2）图2永磁操动机构结构Width114毫米，Length203.5毫米，Height180.5毫米电枢行程=26毫米（1）表I列出了永磁操动机构零件材料。铁磁材料被用来作为磁轭和电枢，非铁磁性材料被用于输出轴和间隔。表I单位磁特性A田口方法永磁操动机构通常是定制的，相对相比工业电机较小的批量生产。因此，根据消费者的需求设计了一种新的永磁操动机构势在必行，但通过改变所有设计参数以产生所需的夹持力来设计一个全新的永磁操动机构是低效率的。田口方法的正交阵列可以有效地用于解决这个问题。田口方法的正交阵列是一种模拟表格布局，它采用了一套最小化模拟学习来控制所有因素对目标值的影响。要设置正交矩阵，控制因素和他们的水平应该首先被选中。在本文中，永磁操动机构的一些设计参数被选定为控制因素，保持力被选定为目标值。图3显示出了控制因素（F是永久磁铁和电枢之间的空气间隙），表二列出了他们的水平。二级值是原永磁操动机构设计参数的长度，该公司决定采用试错法，在一级和三值减去和加上百分之二十两值间选择。在表II中，有7个控制因素及其三个级别。在这种情况下，次模拟必须被37执行以覆盖所有的情况下;然而18次模拟足够充分利用L18正交表控制因素的影响23,24。图（3）永磁机构的控制因表II第一次仿真的控制该L18阵列是其中的行呈现控制因子水平的组合为每个仿真的矩阵，列呈现控制因素和目标值，如在表中。该L18阵列是每个仿真其中的行呈现控制因子水平的组合矩阵，列呈现的控制因素和目标值，在表中。表IIIL18正交阵和第一的模拟结果B.首先模拟与L18正交在这项研究中的模拟，保持力被选择作为输出，这个模拟的目标是提高原PMA的保持力。在表中是涉yi及到电枢和磁轭（图3）之间的空气间隙的保持力,它是利用电磁分析软件的有限元计算。气隙是体现在由于制造误差的仿真,对于小量生产，永磁操动机构轭的各叠片通常由2-4毫米厚钢板的激光切割所生产，并且所述叠片被手动组装形成一个磁轭。因为这个原因，即使当相同的叠片被重新组装层叠表面也会不光滑，保持力也会波动。这就是为什么保持力（,和y1y2）关系到他们的空气间隙被分别计y3算。气隙水平设置在三个层次：0毫米，0.05mm时，和0.1mm.The最终输出是他们的平均值。表显示了L18正交矩阵，并显示保持力的有限元仿真结果。图4显示了连接点，即为每个控制因数的平均值(y)（N）。例如，对于A-2级（A2）控制因素的保持力的点是通过计算L4，L5，L6，L13，L14和L15的平均值，其中包括因子A2的保持力计算。A-1级和A-3级（A1和A3）控制因素点的保持力可用相同的方法进行了计算。那么A线即为三个点连接起来。如示于图4，A和G分别对保持力相对较具影响力控制的因素，因为他们的数据线有控制的因素中最大的斜坡。A和G是确定磁路的横截面面积的参数。C和D确定永久磁铁的长度和厚度。在C和D判定为2级通过重新排序一个不同尺寸的永磁体，不增加对永磁操动机构生产成本。E是电枢的高度，并没有在很大程度上影响模拟的输出;它也不会被原始设计（E2）改变。F是永久磁铁和电枢之间的差距。即使它并没有在很大程度上影响了仿真的输出，但它可以影响输出通过最低限度地改变整体的永磁操动机构大小.因此，在第二仿真里包括参数F以及A和G。B对保持力只有小的影响，没有被选定为第二模拟参数。然而，我们最大化约束永磁操动机构高度以增加线圈的空间。因此，B是由（2）确定的，而高度在（1）条件下被确定为最大的值（180.5毫米）。Height=E+2(B+D+F)(2)图4控制的因素在第一次的仿真效果C.第二次仿真与选择的控制因素的所有组合第二个模拟的目的是确定A，F和G，其中被选中是因为他们是相对较有影响力的或易于更换的控制因素的实际值。第二模拟控制因数G2（简单的记号：2ndG2）在（1）的约束下被设定为具有114毫米的最大长度的硬件，以及第2ndG1被设定为104毫米，这是原来的设计值。下一步，G起着一个重要的作用用于确定磁路的横截面面积，对于保持力设计它是一个重要的因素。第2个A1和A2被设定为24毫米和25毫米，而25毫米原设计值。A被设定为比原设计值（A1）稍小或相同的原始设计值（A2），因为第2个G被设定为相同的原始值（G1）或有限最大值（G2）。因此，如果A以及为G增加时，保持力的增加将超过必要的。此外，如果A增加时，线圈的空间将减少（它是有利的是具有大的线圈体积当电源是有限的时候）。控制因素对保持力的的影响可以在第一模拟中可以看出。然而，在模拟结果中，大部分保持力没有达到足以满足5880N（600千克力）的目标。因此，第2次F1和F2分别设置为0.5mm和0.7毫米，比F的先前的最小值小。A，F和G的第二模拟水平示于表IV中。在第二次模拟，不是与L4正交24模拟，而是选定了控制因素的所有组合（222=8例）来查看每个模拟的保持力并确定方案。表V显示第二仿真结果。8种情况（L1-L8），我们选择了L2，由于被模拟的输出（y，5966N）满足所需的值（600公斤力，5880N），A也为较小的一个（24MM），这使得更多的线圈的空间。所设计的夹持力5966N可以被看作是5880N的所需夹持力余量太小。然而，当使用该公司的试验装置测量永磁操动机构保持力（图12）时，摩擦力加到磁保持力和实际摩擦力有助于保持力（永磁操动机构摩擦力将在第三节-C中所讨论的）。因此，5966N有足够的余量和足够的价值。在这方面，我们决定所有的控制因素如表所示，以产生5880N的保持力。表IV第二种仿真的控制因素和水平表V选定控制因子的所有组合的仿真结果表控制因子的测定值断路器在高温环境中使用，如在沙漠中，磁性密度通常会由于永久磁铁的特性而降低。一种钕铁硼磁体的温度系数约为0.1%/(0.0950.105%/)34.因此，如果温度升高为20，磁通密度减小约2%，保持力减小约4%。（保持力与空气间隙的磁通密度的平方成正比）。这一下降是保持力的余量就减小。如果我们需要一个额外的性能，就是在高温条件下能够产生600千克保持力，L6或L8表将已代替L2，而不执行开始设计过程。D.非对称保持力的设计永磁操动机构产生最大的夹持力在每个行程结束后。当电枢在制造位置处时需要较大的保持力，因为断续的最大的电接触力不能超过保持力。然而，当该电枢处于断路位置时，一个大的保持力是没有必要的，并且过大的保持力会使加工操作困难。图5示出在断路器机构的实验结果（必要的力来移动真空断路器机构）。该力是由在真空断路器和真空断路器的抽吸力的连杆机构的预压弹簧引起的。当电枢在断开位置时，电枢位移为26毫米（如图5;图2示出了位移的增加方向x）。该真空断路器机制拉着永磁机构127N的电枢，这意味着保持力在断裂位置只需要大于127N。在此研究中，在断裂位置上的保持力被设定为约400N，以充足的余量针对电枢的动态反弹。图6示出了电枢力对电枢位移的仿真结果。当永磁操动机构的设计采用表六的设计参数时，在制造位置处的保持力为约6000N（表5中L2的平均值），在断裂位置上的保持力为约400N，实际行程为26毫米。因此，要达到这种不对称的保持力在断开位置约为400N，26毫米的实际行程，6毫米厚的非铁磁性材料的间隔件被固定在断开位置（图2）的磁轭的内部。图5弹簧力与电枢位移图6电枢力与设计的永磁机构位移III.暂态仿真本节介绍的永磁操动机构的动态特性和电磁特性的暂态仿真，和永磁操动机构驱动电路，连接到永磁操动机构输出轴的机械部件。A.对于永磁机构真空断路器方程的系统描述永磁操动机构将电能从永磁操动机构驱动电路转化为机械是通过弹簧驱动真空灭弧室来转换的（图7）。为此，永磁操动机构暂态仿真必须处理一个耦合问题。永磁操动机构系统差分方程可以写成如（3）。它由电磁力和弹簧摩擦产生的机械力组成。m=(i,x)+(x)+()（xFmagFSFfx3）m是电枢质量，x是电枢位移，Fmag(i,x)是电磁力，(x)是弹簧力，()FsFfx是摩擦力，摩擦力应当建立等效力方程时加入，因为它是永磁操动机构在动态分析中的重要因素35。图7显示永磁操动机构系统，其中SW1和SW2代表接通和分断开关，R是线圈电阻，L是线圈电感，VI代表真空灭弧室。图7真空断路器系统原理图B.考虑驱动电路的电磁特性方舟子等人提出的方法用于仿真电磁力及其驱动电路的耦合系统13。这种方法的一个优点是在分析对永磁操动机构的动态特性时快速模拟过程。它是很容易的与其他外部元件结合当获得两个三维表后，一个是关于所述电枢力(i,x)与线圈电流Fmag和电枢位移（图8（a）,另一个是关于磁通(i,x)相对于线圈电流和电枢位移（图8（b）(a)电枢力(i,x)与电枢位移和线圈电流Fmag(b)磁通量(i,x)与电枢位移和线圈电流图8三维表磁通很容易转换成i(,x)和Fmag(i,x)联合。因此in(3)能被写成FmagFmag(i(,x),x)。利用商业软件参数化网格生成技术，两个3维表很容易从有限元法得到。电路方程的设置如下：V(0)-dt=N+i(t)R（1ct0iddt4）然后也能被写为=-dt-i(t)R)+(0)1Nt0(V(0)1ct0i（5）其中，N是线圈的匝数，i是通过线圈的电流，V为电容器的电压，t是时间。电磁力(i(,x),x)可以结合Fmag（5）计算,两个表的数据在图8中。C.由弹簧和摩擦产生的机械力附在永磁操动机构轴上的机械部件连接弹簧和真空灭弧室产生弹簧反力和摩擦力。图5示出了实验的结果，其中包括由这些机械部件相对于输出轴位移产生的弹簧力（下标sFs用于弹簧因为该力主要是由弹簧产生的）。另一种机械力被认为是摩擦力Ff。摩擦力主要产生在永磁操动机构。这是因为永磁操动机构具有圆形输出轴不能阻止电枢沿着输出轴转动（如图2所示）。电枢和永久磁铁被连接起来由于与薄金属板（通常是铜）和永久磁铁之间的强吸引力。摩擦力通常模拟为相对速度的函数，并且被假定为斯特里贝克，库仑和粘性成分的总和36，37。几个系数应被确定为使用这种摩擦模型，但它是难以知道实际的PMA系统正确的系数。不像精密的自动化系统，它使用滚动轴承或直线运动导轨，永磁操动机构系统对真空断路器采用灌木和激光切割部件。出于这个原因，该摩擦力是不规则的，并根据不同的产品和实验，我们从仿真和实验上获得的永磁操动机构的唯一数据表明，所测得保持力比的模拟结果的高约10。在我们的模拟中，我们假定摩擦力是库仑摩擦力，而且它是保持力的10。应用库仑摩擦模型动态当电枢速度下降到几乎为零的时候模拟会导致不稳定振荡。这是因为即使一个非常缓慢的电枢运动在模拟时也会导致充分的摩擦力;此摩擦力使得电枢往相反方向的移动，而这种在模拟时的相对运动还导致相反的摩擦力。为了避免这种不稳定性的振荡，我们设置小的阈值速度为0.05米/秒（图9）。在这样的速度下，摩擦力被设定为电磁力加上弹簧力。FmagFs意味着，当电枢速度达到几乎为零并且施加到电枢合力比库伦摩擦力小时电枢通过摩擦停止。图9模拟摩擦模型（为阈值速度，在这个速度下电枢由摩擦停止）为了模拟永磁操动机构系统的动态特性，本节中的公式是由Simulink和Matlab软件实现。图10显示分析PMA动态特性仿真模型。图10Simulink模型分析PMA动态特性IV.线圈设计普通永磁机构有两个线圈：一个合闸线圈和分闸线圈。两个线圈应该有不同的规格，因为制造运动和断裂运动具有不同的负载特性。产生同样的磁动势，分配给一个线圈的更大的空间，所需电力较少38。在普通的永磁操动机构（像图2）情况下，分配给两个线圈的空间是恒定的不管中间磁极（永久磁铁磁极）的x位置。一个线圈空间的增加意味着另一个线圈空间的减少。该空间应分配的每个线圈产生足够的磁动势来移动电枢在它相应的方向。这有时意味着几个迭代仿真是必需的。下面是对线圈设计过程时的线圈空间被确定的解释（例如，合闸线圈）。在电源限制（电压和电流，或电荷）的情况下，分配给该线圈的空间应充分利用。当设计永磁操动机构线圈，如果确定了线圈直径，线圈的圈数自动地从空间决定。要确定唯一的独立变量为线圈的直径。为了确定我们的研究永磁操动机构线圈的直径，我们进行关于电枢运动动态模拟，该方法在上一节中讨论它。图11显示了根据预定的驱动条件下电枢的移动通过线圈直径模拟的结果(C=22,000F和V(0)=150V)。图11根据线圈直径的电枢制动如示于图11，电枢不能动到相反位置（合闸位置）。当线圈太薄或太厚，与电枢完成了其运动时线圈的直径为1.1mm到5.1毫米。当线圈变薄，线圈电流降低，线圈卷绕变得容易，而动作时间变长。在这些线圈我们选择那些具有的直径为1.7mm，以提供充足的两侧边距。这些边距是必要的，考虑到电容器的容量会随着时间的推移（断路器一般用于10年以上），并且在系统中的摩擦是不确定的。V.实验结果A.保持力一个永磁操动机构被制造，它的设计参数都写在表六、保持力的仿真结果为5966N（在表V中L2的平均值y）。实际保持力是通过用对永磁操动机构公司（图12）正式使用的保持力测量设备测量得到的。三个测量值分别为671千克力（6580N），659公斤力（6462N）和686千克力（6727N）。三个测定保持力的平均值为6590N，其比的模拟结果的高约10。这主要是由于摩擦力，如在第三节-C提到（由该公司开发的原始PMA的最大自持力是570千克力（5586N）包括摩擦力）。此摩擦力有助于PMA支持弹簧反作用力，在电枢移动时，增加必要的推力以补偿摩擦力。即使我们并没有改变永磁级（N38），支架材料（钢1020），叠层的厚度（直径4mm），或制造方法（激光切割），所需的5880保持力可以通过应用上述设计方法而获得。图12保持力测量设备表示出了原始的永磁操动机构，新设计的永磁操动机构和以前的研究的一些其它的永磁操动机构的规格。新设计的永磁操动机构产生比原永磁操动机构大保持力在具有相同的永久磁铁，新设计的永磁操动机构保持力的单位磁轭也比原来的永磁操动机构大。B.动态特性为了测试所制造的永磁操动机构动态特性，激光位移传感器，电流传感器和电压传感器被会被连接到实验系统。图13（a（MP意味合闸位置和BP意味着分闸位置）和（b）示出了模拟和电枢运动的实验结果。仿真和实验条件，根据预定的条件设置，初始电容器电压为150V时和电容C为22000F。如示于图13，仿真和实验结果匹配良好。相比于模拟结果的实际位移的小延迟似乎主要是由于无法保持力，这是由于在模拟下不确定性的摩擦力在假定的保持力的10以外。表永磁操动机构规格VI.结论本文提出一永磁操动机构的设计过程。通过应用田口法的L18正交阵（a）电枢运动的仿真结果（b）电枢运动的实验结果图13模拟和电枢运动的实验结果图列，与磁路的横截面面积的两个控制因素被认为是对永磁操动机构尺寸的限制下获得所需的保持力有影响的设计参数。永久磁铁和电枢之间的空气间隙也被选定为第二模拟参数，尽管这并未在很大程度上影响输出;该间隙可以通过最低限度地改变整体的永磁操动机构大小影响输出。在第二模拟，计算所选择的三个控制因素的所有组合的保持力。间的计算结果，选择一组参数，这满足了夹持力要求和线圈提供更多的空间。因此，永磁操动机构轭可以通过调整设计参数，在有限的体积增大保持力来设计。对于线圈设计，进行了永磁操动机构的动态模拟。这些模拟考虑加上电磁力，驱动电路和外部机械部件的瞬态特性。动态模拟用了各种直径的线圈进行，并且其直径的选择满足能够完成电枢运动与充足边距两个条件。进行实验验证了该设计方法和瞬态仿真过程。测得的保持力和动态性能与仿真结果相吻合。通过应用所提出的方法中，永磁操动机构可以设计成满足所需规格。通过应用所提出的方法中，永磁操动机构可被设计为满足所需的规格，即使设计师在电磁设计和永磁操动机构的设计不够精通。参考文献1P.G.Slade,“Thevacuuminterruptercontact,”IEEETrans.Comp.,Hybrids,Manuf.Tech.vol.CHMT-7,no.1,pp.25-32,Mar.1984.2H.Saitoh,H.Ichikawa,A.Nishijima,Y.Matsui,M.Sakaki,M.Honma,andH.Okubo,“Researchanddevelopmenton145kV/40kAonebreakvacuumcircuitbreaker,”IEEE/PES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