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真空斷路器永磁操動機構的優化設計發布時間:2018-10-12?|?來源:上海上碩電氣有限公司

概述:

本文將模擬退火法應用于真空斷路器永磁操動機構的優化設計,在對35kV真空斷路器永磁操動機構進行磁路分析的基礎上,建立了數學模型,并對其中的永磁體的主要參數進行了優化計算,改變了原樣機永磁體的尺寸,可使樣機體積更小、成本更低。

相關關鍵詞:真空斷路器,永磁操動機構,優化設計

一、真空斷路器永磁操動機構優化設計背景:

真空斷路器因其高可靠性、高穩定性、免維護、壽命長等特點,多年來一直是中壓領域的主流產品。操動機構作為斷路器的執行元件,其可靠性成為關鍵。近年來,一種電磁操動、永磁保持、電子控制的操動機構受到廣泛關注。這種操動機構由于取消了脫、鎖扣裝置,而采用永久磁鐵進行終端位置的保持,動作元件和零部件數目明顯減少,因而可靠性大大提高。由于永磁機構涉及到電路、磁場和機械部分,它的場域比較復雜,因此用傳統的設計方法對永磁操動機構的結構尺寸、材料等參數進行選定往往不能達到最優結果,需要借助于最優化技術和計算機輔助設計方法才能達到產品優化設計的目的。本文對35kV真空斷路器永磁操動機構進行了磁路分析,建立了數學模型,應用一種隨機類全局優化方法——模擬退火法,對永磁操動機構的核心部分——永磁體的尺寸進行了優化計算。

二、永磁操動機構的結構形式和磁路分析:


圖1所示為雙穩態、雙線圈永磁機構示意圖。

當斷路器處于分閘(或合閘)位置時,分(合閘)線圈無電流通過,永久磁鐵利用動、靜鐵心提供的低磁阻抗通道將動鐵心保持在分閘(合閘)位置。當有合閘(分閘)動作指令時,合閘(分閘)線圈中通過電流,產生了與永久磁鐵相反方向的磁通,兩磁場疊加產生的磁場力使得動鐵心向合閘(分閘)位置動作,完成關合(或斷開)動作。


三、永磁操動機構的數學模型和優化方法:

1、目標函數及設計變量:

由于真空斷路器大部分時間工作在合閘狀態,即操動機構長期工作于合閘保持狀態,這就要求操動機構能夠提供可靠、持久、準確的保持力以克服觸頭彈簧反力及短路故障電流所造成的沖擊力。而永磁操動機構所提供的靜態保持力是由永磁體磁通產生的,所以永磁體是永磁操動機構的核心部分,需要對其尺寸進行優化。在永磁體的各項尺寸參數中,永磁體的內弧半徑與永磁機構中動鐵心的半徑有著直接的關系(永磁體內弧半徑=動鐵心半徑+導磁塊厚度+永磁體與動鐵心之間的氣隙長度),因此適當的減小永磁體的內弧半徑的同時可以減小整個永磁機構本體的尺寸,從而達到使樣機更加小型化的目的。

通過以上的分析,從成本和尺寸方面考慮,本文以永磁體的體積為目標函數,即


2、優化方法:

模擬退火算法(Simulated Annealing Algorithm)是一種隨機類全局優化方法,它來源于熱力學中固體物質的退火冷卻過程。當某一個系統的溫度以足夠慢的速度下降時系統近似處于熱平衡狀態,最后達到系統本身的最低能量狀態。


式中 T¾¾控制參數,相當于退火溫度。

在模擬退火算法的迭代尋優過程中,T必須緩慢減少,正如退火過程中,如果溫度變化太快,系統會被凍結為一種亞穩態一樣,控制參數變化太快,會使優化陷入局部極值點。

模擬退火法具有全局優化的性質在于它不僅具有“下山性”,而且具有“上山性”,即在迭代過程中可以有條件接受目標函數衰退的設計點,但這種可能性隨著控制參數的減小而降為零;同時,模擬退火法在迭代過程中新點的選取由概率決定,新點的取值在統計上滿足一定的概率分布,這就使它能夠跳出局部最優區域而達到全局最優點。同“貪心類”算法(如最速下降法)(Method of Steepest Descent)比較,基于Metropolis接受準則的模擬退火法可以避免搜索過程陷入局部極小,并最終趨于問題的全局最優解。

模擬退火法能夠處理任何連續或離散型變量,其搜索方式能夠根據目標函數的變化自適應調整。


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