35kV真空開關(guān)永磁機(jī)構(gòu)分合閘操作控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)【獨(dú)家畢業(yè)課程設(shè)計(jì)帶任務(wù)書+開題報(bào)告+外文翻譯】,35,kv,真空開關(guān),永磁,機(jī)構(gòu),合閘,操作,控制器,設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn),獨(dú)家,畢業(yè),課程設(shè)計(jì),任務(wù)書,開題,報(bào)告,講演,呈文,外文,翻譯 使用田口方法 設(shè)計(jì)一個永磁操動機(jī)構(gòu)真空斷路器及動態(tài)特性分析 to As so of a MA is MA a of a To of MA of MA MA to MA to 要 ： 永磁機(jī)構(gòu)（ 常用于真空斷路器（ 于其快速的直線運(yùn)動， 保持力 大。隨著保持力變大，斷路器的電流容量也變大。 因此生產(chǎn)同規(guī)模 永磁操動機(jī)構(gòu) 的大 保 持力在 永磁操動機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì) 很重要 。本文提出了一種永磁操動機(jī)構(gòu)的真空斷路器的設(shè)計(jì)方法。 為了達(dá)到 永磁操動機(jī)構(gòu) 大小的限制下所需要的保持力，最有影響力的 永磁操動機(jī)構(gòu) 軛 設(shè)計(jì)參數(shù)都是由田口方法獲得。 永磁操動機(jī)構(gòu) 動態(tài)特性模擬考慮 了 電磁特性、 永磁操動機(jī)構(gòu) 驅(qū)動電路和機(jī)械部件連接到 永磁操動機(jī)構(gòu) 輸出軸。 通過實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證所提出的設(shè)計(jì)方法，并與模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。 關(guān)鍵詞 ： 永磁操動機(jī)構(gòu) ，永磁操動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，斷路器，田口方法，保持力，瞬態(tài)仿真 I. 引言 斷路器（ 目的是防止發(fā)生在電力傳輸線的意外問題。斷路器可根據(jù)其類型分類：真空、空氣、油或氣體。在這些中，真空斷路器具有最小的電弧的優(yōu)點(diǎn)和中等電壓低于 75伏應(yīng)用受限的缺點(diǎn) [1]-[4]。真空滅弧室的最大行程應(yīng)限制在一定值。在這種情況下 , 永磁操動機(jī)構(gòu) (一個適合驅(qū)動真空斷續(xù)器的驅(qū)動器。因?yàn)樗梢栽谝粋€有限的行程被有效地操作，具有大的保持力，并有高可靠性和低維護(hù)。 一個 永磁操動機(jī)構(gòu) 的主要應(yīng)用是在上述真空斷路器（ 因此在研究永磁操動機(jī)構(gòu)通常與真空斷路器 有關(guān) 。這項(xiàng)永磁操動機(jī)構(gòu)研究可分為兩類：永磁操動機(jī)構(gòu)的 設(shè)計(jì)和其特性分析 。 首先，對 永磁操動機(jī)構(gòu) 特性分析研究對電磁行為，驅(qū)動電路，和連接到輸出機(jī)械系統(tǒng)軸進(jìn)行考慮。永磁操動機(jī)構(gòu)的電磁場基礎(chǔ)的分析是以有限元法（ 基礎(chǔ)的 [5], [6]。參數(shù)化網(wǎng)格生成技術(shù)和節(jié)點(diǎn)移動的技術(shù)也被用于分析在不同電樞的位移的電磁場 [7]， [8]。 這種電磁磁場由線圈和永磁操動機(jī)構(gòu)的永久磁鐵產(chǎn)生 的 ,因此，研究被進(jìn)行分析考慮到該 永磁操動機(jī)構(gòu)的電磁場驅(qū)動電路 [6]， [9]。 連接到機(jī)械系統(tǒng) 永磁操動機(jī)構(gòu) 輸出軸也會影響其動態(tài)特性 ;考慮到這一點(diǎn)，進(jìn)行一些研究以預(yù)測 永磁操動機(jī)構(gòu) 的動態(tài)行為[10] - [13]。 第二，為了改進(jìn) 永磁操動機(jī)構(gòu) 的性能在 永磁操動機(jī)構(gòu) 的設(shè)計(jì)上有了研究。 要克服短行程是一個永磁操動機(jī)構(gòu)的一個共同的特點(diǎn)。一個新的 永磁操動機(jī)構(gòu) 是將額外的線圈或者磁鐵環(huán)繞在轉(zhuǎn)子周圍上 。通過層壓的電樞以及外部的偏轉(zhuǎn)線圈，輸出推力可能會增加以減少渦流效應(yīng) [ 9 ]。 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法被應(yīng)用到 永磁操動機(jī)構(gòu) 以在有限體積 內(nèi)增加其 輸出推力 [7]， [16]。 去制造一個（閉合）和斷裂（張開）力的幅度差異， 它有效地利用線圈的空間，輔助永久磁鐵被安裝 [ 17 ]。 在本文中， 永磁操動機(jī)構(gòu) 特性分析（例如動態(tài)仿真）也考慮到電磁特性，驅(qū)動電路，和連接機(jī)械系統(tǒng)（包括摩擦系數(shù)）。然而，本文是更相關(guān)的使用田口設(shè)計(jì) 永磁操動機(jī)構(gòu) 方法。 大量生產(chǎn)的工業(yè)伺服電動機(jī)的剖軛形狀最佳設(shè)計(jì)時幾乎不產(chǎn)生波紋轉(zhuǎn)矩。 幾種類型的伺服電機(jī)輸出功率不同只是改變了軸向制造的 磁軛 長度，通過改變磁軛層壓體的數(shù)量同時保持截面形狀。 然而，在 永磁操動機(jī)構(gòu) 的情況下，許多參數(shù)應(yīng)當(dāng)同時改變以改變輸出。 永磁操動機(jī)構(gòu) 通常是定制的，相比于工業(yè)伺服電機(jī) 小批量生產(chǎn)。因此，對于一個不具有自己的 專有技術(shù)設(shè)計(jì)的公司，根據(jù)客戶的要求設(shè)計(jì)一個新的 永磁操動機(jī)構(gòu) 是一個沉重的負(fù)擔(dān)。 田口方法是許多優(yōu)化設(shè)計(jì)之一方法 [18] - [22]，并有多篇論文應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)問題 [23] - [26]。 此外，田口方法已被應(yīng)用到執(zhí)行器的設(shè)計(jì)問題 [ 27 ] [ 33 ]。 執(zhí)行器能夠 通過選擇軛參數(shù)和控制因素（設(shè)計(jì)參數(shù)） 被最優(yōu)設(shè)計(jì) ，以 最大限度地提高輸出轉(zhuǎn)矩 /力 [27]，[28]和 減少 齒槽轉(zhuǎn)矩 /力 [28]， [30]。 對于 部永久磁鐵）電動機(jī)，輸出轉(zhuǎn)矩可以最大優(yōu) 化通 過重新設(shè)計(jì)的位置的參數(shù)，體積和兩個區(qū)段的 磁鐵通過 田口 法 優(yōu)化 [31]， [32]。 一些研究還應(yīng)用了田口方法來解決執(zhí)行器的散熱問題 [27]， [33]。 在本文中，我們應(yīng)用田口方法的設(shè)計(jì)真空斷路器的永磁操動機(jī)構(gòu)。應(yīng)用田口方法，我們對 永磁操動機(jī)構(gòu) 的應(yīng)用設(shè)計(jì)提出了一個有效的程序，這是不同于一般的程序，它重復(fù)使用正交陣列找到有影響力的參數(shù)。 此外，我們通過動態(tài) 模擬 進(jìn)行了線圈設(shè)計(jì)，它考慮了外部機(jī)械部件的摩擦，和驅(qū)動電路的操作。 通過這些，我們提出了一個整體的 永磁操動機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì)過程。制造出一個 永磁操動機(jī)構(gòu) 樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與 模擬 相比較 。 本文的內(nèi)容如下：第二節(jié)描述了使用田口提出的設(shè)計(jì)程序方法來產(chǎn)生所需的保持力 ;第三部分介紹了 永磁操動機(jī)構(gòu) 的動態(tài)特性分析 ; 第四部分介紹了使用第三節(jié)的動態(tài)仿真結(jié)果的線圈設(shè)計(jì) ;第五節(jié)比較與模擬結(jié)果的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ;第六節(jié)總結(jié)本研究。 軛 設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)一個 永磁操動機(jī)構(gòu) 的主要目標(biāo)是達(dá)到所需的夾持力，使 永磁操動機(jī)構(gòu) 在給定的驅(qū)動條件下操作（電容器的容量和充電電壓）。通過增加永久磁鐵和磁軛的大小，可以達(dá)到 加大保持力。然而， 永磁操動機(jī)構(gòu) 大小不能任意增加由于其安裝空間和生產(chǎn)成本的限制。 圖 1 顯示了在 永磁操動機(jī)構(gòu)研究中應(yīng)該被安裝的框架。 眾所周知，從圖 1 中，如果 永磁操動機(jī)構(gòu) 大小超過限制，許多零件，如軸、鏈接、和框架，需要重新設(shè)計(jì)。 為了使 永磁操動機(jī)構(gòu) 在給定的驅(qū)動條件進(jìn)行操作，應(yīng)確保線圈有足夠的空間和決定線圈合適的直徑。 在本節(jié)中， 永磁操動機(jī)構(gòu) 軛被設(shè)計(jì)以獲得所需的保持力 。由于磁軛變大，有利于在兩個保持力和線圈體積的增加，但應(yīng)在尺寸限制條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)。 這項(xiàng)研究在 永磁操動機(jī)構(gòu) 公司，曾試圖制定一個 永磁操動機(jī)構(gòu) 滿足一定規(guī)范的要求開始（保持力，尺寸限制，和電容器的容量和充電電壓）通過連續(xù)試錯的方法，但都失敗了。 (a)透視及局部剖視圖 (b)剖面圖 圖 1 永磁操動機(jī)構(gòu)的真空斷路器框架圖 在本文中， 永磁操動機(jī)構(gòu) 將通過修改原始的 永磁操動機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì)參數(shù)值來設(shè)計(jì)。 保持力的目標(biāo)是 600 公斤（ 5880 N）的體積和行程的約束下，如下（圖 2） 圖 2永磁操動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu) 114毫米， 樞 行程 = 26毫米 （ 1） 表 I 列出了 永磁操動機(jī)構(gòu) 零件材料。鐵磁材料被用來作為磁軛和電樞，非鐵磁性材料被用于輸出軸和間隔。 表 I 單位磁特性 A 田口方法 永磁操動機(jī)構(gòu) 通常是定制的，相對相比工業(yè)電機(jī)較小的批量生產(chǎn)。因此，根據(jù)消費(fèi)者的需求設(shè)計(jì)了一種新的 永磁操動機(jī)構(gòu) 勢在必行，但通過改變所有設(shè)計(jì)參數(shù)以產(chǎn)生所需的夾持力來設(shè)計(jì)一個全新的 永磁操動機(jī)構(gòu) 是低效率的。田口方法的正交陣列可以有效地用于解決這個問題。 田口方法的正交陣列是一種模擬表格布局， 它采用了一套最小化模擬學(xué)習(xí)來控制所有因素對目標(biāo)值的影響。要設(shè)置正交矩陣，控制因素和他們的水平應(yīng)該首先被選中。在本文中， 永磁操動機(jī)構(gòu) 的一些設(shè)計(jì)參數(shù)被選定為控制因素，保持力被選定為目標(biāo)值。圖 3顯示出了控制因素（ 樞 之間的空氣間隙），表二列出了他們的水平。 二級值是 原 永磁操動機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì)參數(shù)的長度，該公司決定采用試錯法，在 一級和三值 減去和加上百分之二十兩值間 選擇。 在表 7個控制因素及其三個級別。在這種情況下 ， 37次 模擬必須被執(zhí)行以覆蓋所有的情況下 ;然而 18 次 模擬 足夠 充分利用 交表控制因素的 影響 [23], [24]。 圖（ 3）永磁機(jī)構(gòu)的控制因 表 一次仿真的控制 該 列是其中的行呈現(xiàn)控制因子水平的組合為每個仿真的矩陣，列呈現(xiàn)控制因素和目標(biāo)值，如在表Ⅲ中。該 列是 每個仿真 其中的行呈現(xiàn)控制因子水平的組合矩陣，列呈現(xiàn) 的控制因素和目標(biāo)值， 在表Ⅲ中。 表 B. 首先模擬與 交 在這項(xiàng)研究中的模擬，保持力被選擇作為輸出，這個模擬的目標(biāo)是提高原 表 Ⅲ 中 樞 和磁軛（圖 3）之間的空氣間隙的保持力 ,它是利用電磁分析軟件的有限元計(jì)算。 氣隙是體現(xiàn)在由于制造誤差的仿真 ,對于小量生產(chǎn)， 永磁操動機(jī)構(gòu) 軛的各疊片 通常 由 2米厚鋼板的激光切割所生產(chǎn) ，并且所述疊片被手動組裝 形成一個磁軛。 因?yàn)檫@個原因，即使當(dāng)相同的疊片被重新組裝層疊表面也會不光滑，保持力也會波動。 這就是為什么保持力（ y1,系到他們的空氣間隙被分別計(jì)算。氣隙水平 設(shè)置 在三個層次： 0 毫米， 0.1 表 Ⅲ 顯示了 交矩陣，并顯示保持力的有限元仿真結(jié)果。 圖 4 顯示了連接點(diǎn)，即為每個控制因數(shù)的平均值 (?y )（ N）。 例如，對于 制因素 的保持力的點(diǎn)是通過 計(jì)算 5， 平均值 ，其中包括因子 保 持力計(jì)算。 （ 控制因素 點(diǎn)的 保持力可用 相同的方法進(jìn)行了計(jì)算。那么 A 線即為三個點(diǎn)連接起來。 如示于圖 4， A 和 G 分別對保持力相對較具影響力控制的因素，因?yàn)樗麄兊臄?shù)據(jù)線有控制的因素中最大的斜坡。 是確定磁路的橫截面面積的參數(shù)。C 和 D 確定永久磁鐵的長度和厚度。在 判定為 2級通過重新排序一個不同尺寸的永磁體，不增加對 永磁操動機(jī)構(gòu) 生產(chǎn)成本。 沒有在很大程度上影響模擬的輸出 ;它也不會被原始設(shè)計(jì)（ 變。 樞 之間的差距。 即使它并沒有在很大程度上影響了仿真的輸出，但它可以影響輸出通過最低限度地改變整體的 永磁操動機(jī)構(gòu) 大小 第二仿真里包括參數(shù) F 以及 。 B 對保持力只有小的影響，沒有被選定為第二模擬參數(shù)。 然而，我們最大化約束 永磁操動機(jī)構(gòu) 高度以增加線圈的空間。 因此， 2）確定的，而高度在（ 1）條件下被確定為最大的值（ +2(B+D+F) (2) 圖 4 控制的因素在第一次的仿真效果 C. 第二次仿真與選擇的控制因素的所有組合 第二個模擬的目的是確定 A， 中被選中是因?yàn)樗麄兪窍鄬^有影響力的或易于更換的控制因素的實(shí)際值。 第二模擬控制因數(shù) 單的記號： 2（ 1）的約束下被設(shè)定為具有 114毫米的最大長度的硬件，以及第 2設(shè)定為 104 毫米，這是原來的設(shè)計(jì)值。 下一步， G 起著一個重要的作用用于確定磁路的橫截面面積，對于保持力設(shè)計(jì)它是一個重要的因素。 第 2個 2被設(shè)定為 24毫米和 25毫米，而 25毫米原設(shè)計(jì)值。A 被設(shè)定為比原設(shè)計(jì)值（ 小或相同的原始設(shè)計(jì)值（ 因?yàn)榈?2個G 被設(shè)定為相同的原始值（ 有限最大值（ 因此，如果 A 以及為 G 增加時，保持力的增加將超過必要的。此外，如果 A 增加時，線圈的空間將減少（它是有利的是具有大的線圈體積當(dāng)電源是有限的時候）。 控制因素對保持力的的影響可以在第一模擬中可以看出。 然而，在模擬結(jié)果中，大部分保持力沒有達(dá)到足以滿足 5880 N（ 600千克力）的目標(biāo)。因此，第 2 次 A， 的第二模擬水平示于表。在第二次模擬，不是與 交[24]模擬，而是選定了控制因素的所有組合（ 2× 2× 2 = 8例）來查看每個模擬的保持力并確定方案。表 V 顯示第二仿真結(jié)果。 8種情況（ 我們選擇了 于被模擬的輸出（ ?y，5966 N）滿足所需的值（ 600公斤力，5880 N）， 24 這使得更多的線圈的空間。所設(shè)計(jì)的夾持力 5966 N 可以被看作是 5880 然而，當(dāng)使用該公司的試驗(yàn)裝置測量 永磁操動機(jī)構(gòu) 保持力（圖 12）時，摩擦力加到磁保持力和實(shí)際摩擦力有助于保持力（ 永磁操動機(jī)構(gòu) 摩擦力將在第三節(jié) 因此， 5966 這方面，我們決定所有的控制因素如表Ⅵ所示，以產(chǎn)生 5880 表 二種仿真的控制因素和水平 表 表Ⅵ 控制因子的測定值 斷路器在高溫環(huán)境中使用，如在沙漠中，磁性密度通常會由于永久磁鐵的特性而降低。 一種釹鐵硼磁體的溫度系數(shù)約為 ?℃ (?℃ ) [34]. 因此，如果溫度升高為 20，磁通密度減小約 2%，保持力減小約 4%。（保持力與空氣間隙的磁通密度的平方成正比）。 這一下降是保持力的余量就減小。如果我們需要一個額外的性能，就是在高溫條件下能夠產(chǎn)生 600 千克保持力， Ⅴ將已代替 不執(zhí)行開始設(shè)計(jì)過程。 永磁操動機(jī)構(gòu) 產(chǎn)生最大的夾持力在每個行程結(jié)束后。當(dāng) 電樞 在制造位置處時需要較大的保持力，因?yàn)閿嗬m(xù)的最大的電接觸力不能超過保持力。然而，當(dāng)該 電樞 處于斷路位置時，一個大的保持力是沒有必要的，并且過大的保持力會使加工操作困難。 圖 5示出在斷路器機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（必要的力來移動真空斷路器機(jī)構(gòu)）。該力是由在真空斷路器和真空斷路器的抽吸力的連桿機(jī)構(gòu)的預(yù)壓彈簧引起的。 當(dāng)電樞 在斷開位置時， 電樞 位移為 26毫米（如圖 5;圖 2 示出了位移的增加方向 x）。該真空斷路器機(jī)制拉著永磁機(jī)構(gòu) 127 樞 ， 這意味著保持力在斷裂位置只需要大于 127 N。 在此研究中，在斷裂位置上的保持力被設(shè)定為約 400 N，以充足的余量針對 電樞 的動態(tài)反彈。 圖 6 示出了 電樞 力對電樞位移的仿真結(jié)果。當(dāng) 永磁操動機(jī)構(gòu) 的設(shè)計(jì)采用表六的設(shè)計(jì)參數(shù)時，在制造位置處的保持力為約 6000 N（ 表 5中 ，在斷裂位置上的保持力為約 400 N，實(shí)際行程為 26毫米。 因此，要達(dá)到這種不對稱的保持力在斷開位置約為 400 N， 26毫米的實(shí)際行程， 6毫米厚的非鐵磁性材料的間隔件被固定在斷開位置（圖 2）的磁軛的內(nèi)部。 圖 5彈簧力與電樞位移 圖 6電樞力與設(shè)計(jì)的永磁機(jī)構(gòu)位移 暫態(tài)仿真 本節(jié)介紹的 永磁操動機(jī)構(gòu) 的動態(tài)特性和電磁特性的暫態(tài)仿真，和 永磁操動機(jī)構(gòu) 驅(qū)動電路，連接到 永磁操動機(jī)構(gòu) 輸出軸 的機(jī)械部件 。 永磁操動機(jī)構(gòu) 將電能從 永磁操動機(jī)構(gòu) 驅(qū)動電路轉(zhuǎn)化為機(jī)械是通過彈簧驅(qū)動真空滅弧室來轉(zhuǎn)換的（圖 7）。為此， 永磁操動機(jī)構(gòu) 暫態(tài)仿真必須處理一個耦合問題。 永磁操動機(jī)構(gòu) 系統(tǒng)差分方程可以寫成如（ 3）。它由電磁力和彈簧摩擦產(chǎn)生的機(jī)械力組成。 i,x)+FS(x)+Ff(x?) （ 3） 樞 質(zhì)量， 樞 位移 ， i,x)是電磁力， Fs(x)是彈簧力， Ff(x?)是摩擦力，摩擦力應(yīng)當(dāng)建立等效力方程時加入， 因?yàn)樗?永磁操動機(jī)構(gòu) 在動態(tài)分析中的重要因素 [ 35 ]。 圖 7 顯示 永磁操動機(jī)構(gòu) 系統(tǒng)，其中 是線圈電阻， L 是線圈電感， 表真空滅弧室。 圖 7真空斷路器系統(tǒng)原理圖 方舟子等人提出的方法用于仿真電磁力及其驅(qū)動電路的耦合系統(tǒng) [13]。這種方法的一個優(yōu)點(diǎn)是在分析對 永磁操動機(jī)構(gòu) 的動態(tài)特性時快速模擬過程。它是很容易的與其他外部元件結(jié)合當(dāng)獲得兩個三維表后，一個是關(guān)于所述電樞 力 i,x)與線圈電流和電樞位移 （圖 8（ a）） , 另一個是關(guān)于磁通 (?(i,x))相對于線圈電 流和電樞位移（圖 8（ b）） (a)電樞力 i,x)與電樞位移和線圈電流 ( b ) 磁通量 ?(i,x)與電樞位移和線圈電流 圖 8三維表 磁通很容易轉(zhuǎn)換成 i(?,x) 和i,x)聯(lián)合。因此 )能被寫成i(?,x),x) 。利用商業(yè)軟件參數(shù)化網(wǎng)格生成技術(shù)，兩個 3 維表很容易從有限元法得到。 電路方程的設(shè)置如下： V (0)- 1c∫ d?dt+i(t)R （ 4） 然后 ?也能被寫為 ?=1N∫ (V(0)1c ∫ t)R)+?(0) （ 5） 其中， 磁力 i(?,x),x)可以結(jié)合（ 5）計(jì)算 ,兩個表的數(shù)據(jù)在圖 8中。 C. 由彈簧和摩擦產(chǎn)生的機(jī)械力 附在永磁操動機(jī)構(gòu) 軸上的機(jī)械部件連接彈簧和真空滅弧室 產(chǎn)生彈簧反力和摩擦力。 圖 5示出了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，其中包括由這些機(jī)械部件相對于輸出軸位移產(chǎn)生的彈簧力 標(biāo) 另一種機(jī)械力被認(rèn)為是摩擦 力 擦力主要產(chǎn)生在 永磁操動機(jī)構(gòu) 。這是因?yàn)?永磁操動機(jī)構(gòu) 具有圓形輸出軸不能阻止 電樞 沿著輸出軸轉(zhuǎn)動 （如圖 2所示） 。 電樞 和永久磁鐵被連接起來由于與薄金屬板（通常是銅）和永久磁鐵之間的強(qiáng)吸引力。 摩擦力通常模擬為相對速度的函數(shù)，并且被假定為斯特里貝克，庫侖和粘性成分的總和 [36]， [37]。 幾個系數(shù)應(yīng)被確定為使用這種摩擦模型，但它是難以知道實(shí)際的 不像 精密的自動化系統(tǒng)，它使用滾動軸承或直線運(yùn)動導(dǎo)軌， 永磁操動機(jī)構(gòu) 系統(tǒng) 對真空斷路器 采用灌木和激光切割部件。 出于這個原因，該摩擦力是不規(guī)則的，并根據(jù)不同的產(chǎn)品和實(shí)驗(yàn)，我們從仿真和實(shí)驗(yàn)上獲得的 永磁操動機(jī)構(gòu) 的唯一數(shù)據(jù)表明，所測得保持力比的模擬結(jié)果的高約 10％。 在我們的模擬中，我們假定摩擦力是庫侖摩擦力，而且它是保持力的10％。應(yīng)用庫侖摩擦模型動態(tài)當(dāng)電樞速度下降到幾乎為零的時候模擬會導(dǎo)致不穩(wěn)定振蕩。 這是因?yàn)榧词挂粋€非常緩慢的 電樞 運(yùn)動 在模擬時也會導(dǎo)致充分的摩擦力 ;此摩擦力使得 電樞 往 相反方向的移動，而這種 在模擬時的 相對運(yùn)動還導(dǎo)致相反的摩擦力。 為了避免這種不穩(wěn)定性的振蕩，我們設(shè)置小的閾值速度 ε 為 秒（圖 9）。在這樣的速度下，摩擦力被設(shè)定為電磁力 s。意味著，當(dāng)電樞速度達(dá)到幾乎為零并且施加到電樞合力比庫倫摩擦力小時電樞通過摩擦停止。 圖 9 模擬摩擦模型（ ε 為閾值速度，在這個速度下電樞由摩擦停止） 為了模擬永磁操動機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性，本節(jié)中的公式是由 件實(shí)現(xiàn)。 圖 10 顯示分析 圖 10線圈設(shè)計(jì) 普通永磁機(jī)構(gòu)有兩個線圈：一個合閘 線圈和 分閘 線圈。 兩個線圈應(yīng)該有不同的規(guī)格，因?yàn)橹圃爝\(yùn)動和斷裂運(yùn)動具有不同的負(fù)載特性。 產(chǎn)生同樣的磁動勢， 分配給一個線圈的更大的空間，所需電力 較少 [38]。在普通的 永磁操動機(jī)構(gòu) （像圖 2）情況下，分配給兩個線圈的空間是恒定的不管中間磁極（永久磁鐵磁極）的 x 位置。 一個線圈空間的增加意味著另一個線圈空間的減少。該空間應(yīng)分配的每個線圈產(chǎn)生足夠的磁動勢來移動 電樞 在它相應(yīng)的方向。這有時意味著幾個迭代仿真是必需的。下面是對線圈設(shè)計(jì)過程時的線圈空間被確定的解釋（例如，合閘 線圈）。 在電源限制（電壓和電流，或電荷）的情況下，分配給該線圈的空間應(yīng)充分利用。當(dāng)設(shè)計(jì) 永磁操動機(jī)構(gòu) 線圈，如果確定了 線圈直徑， 線圈的 圈數(shù)自動地從 空間決定。要確定唯一的獨(dú)立變量 為線圈的直徑。為了確定我們的研究 永磁操動機(jī)構(gòu) 線圈的直徑，我們進(jìn)行關(guān)于 電樞 運(yùn)動 動態(tài) 模擬，該方法在上一節(jié)中討論它 。 圖 11 顯示了根據(jù)預(yù)定的驅(qū)動條件下電樞的移動通過線圈直徑模擬的結(jié)果 (C = 22,000 μ (0) = 150 V)。 圖 11 根據(jù)線圈直徑的電樞制動 如示于圖 11，電樞不能動到相反位置（合閘位置）。當(dāng)線圈太薄或太厚，線圈變薄，線圈電流降低，線圈卷繞變得容易，而動作時間變長。在這些線圈我們選擇那些具有的直徑為 提供充足的兩側(cè)邊距。這些邊距是必要的，考慮到電容器的容量會隨著時間的推移（斷路器一般用于 10 年以上），并且在系統(tǒng)中的摩擦是不確定的。 V. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 A. 保持力 一個 永磁操動機(jī)構(gòu) 被制造，它的設(shè)計(jì)參數(shù)都寫在表六、保持力的仿真結(jié)果為 5966 N（在表 V 中 平均值 ?y） 。 實(shí)際保持力是通過用對 永磁操動機(jī)構(gòu) 公司（圖 12）正式使用的保持力測量設(shè)備測量得到的。三個測量值分別為 671千克力（ 6580 N）， 659公斤力（ 6462 N）和 686千克力（ 6727 N）。三個測定保持力的平均值為 6590 N，其比的模擬結(jié)果的高約 10％。這主要是由于摩擦力，如在第三節(jié) 該公司開發(fā)的原始 最大自持力是 570 千克力（ 5586 N）包括摩擦力）。此摩擦力有助于 持彈簧反作用力，在 電樞 移動時，增加必要的推力以補(bǔ)償摩擦力。 即使我們并沒有改變永磁級（ N 38），支架材料（鋼1020），疊層的厚度（直徑 4 或制造方法（激光切割），所需的 5880保持力可以通過應(yīng)用上述設(shè)計(jì)方法而獲得。 圖 12保持力測量設(shè)備 表Ⅶ示出了原始的 永磁操動機(jī)構(gòu) ，新設(shè)計(jì)的 永磁操動機(jī)構(gòu) 和以前的研究的一些其它的 永磁操動機(jī)構(gòu) 的規(guī)格。新設(shè)計(jì)的永磁操動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生比原永磁操動機(jī)構(gòu)大保持力在具有相同的永久磁鐵，新設(shè)計(jì)的永磁操動機(jī)構(gòu)保持力的單位磁軛也比原來的永磁操動機(jī)構(gòu)大。 B. 動態(tài)特性 為了測試所制造的永磁操動機(jī)構(gòu)動態(tài)特性，激光位移傳感器，電流傳感器和電壓傳感器被會被連接到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。圖 13（ a（ ）和（ b）示出了模擬和電樞運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。仿真和實(shí)驗(yàn)條件，根據(jù)預(yù)定的條件設(shè)置，初始電容器電壓為 150V 時和電容 C 為22000μF。如示于圖 13，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果匹配良好。相比于模擬結(jié)果的實(shí)際位移的小延遲似乎主要是由于無法保持力，這是由于在模擬下不確定性的摩擦力在假定的保持力的 10％以外。 表Ⅶ 永磁操動機(jī)構(gòu)規(guī)格 結(jié)論 本文提出一永磁操動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程。通過應(yīng)用田口法的 （ a）電樞運(yùn)動的仿真結(jié)果 （ b）電樞運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 圖 13模擬和電樞運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖 列，與磁路的橫截面面積的兩個控制因素被認(rèn)為是對 永磁操動機(jī)構(gòu) 尺寸的 限制下獲得所需的保持力有影響的設(shè)計(jì)參數(shù)。永久磁鐵和 電樞 之間的空氣間隙也被選定為第二模擬參數(shù)，盡管這并未在很大程度上影響輸出 ;該間隙可以通過最低限度地改變整體的 永磁操動機(jī)構(gòu) 大小影響輸出。在第二模擬，計(jì)算所選擇的三個控制因素的所有組合的保持力。間的計(jì)算結(jié)果，選擇一組參數(shù)，這滿足了夾持力要求和線圈提供更多的空間。因此， 永磁操動機(jī)構(gòu) 軛可以通過調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，在有限的體積增大 保持力來設(shè)計(jì)。 對于線圈設(shè)計(jì)，進(jìn)行了 永磁操動機(jī)構(gòu) 的動態(tài)模擬。這些模擬考慮加上電磁力，驅(qū)動電路和外部機(jī)械部件的瞬態(tài)特性。動態(tài)模擬用了各種直徑的線圈進(jìn)行，并且其直徑的選擇滿足能夠完成電樞運(yùn)動與充足邊距兩個 條件。 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法和瞬態(tài)仿真過程。 測得的保持力和動態(tài)性能與仿真結(jié)果相吻合。通過應(yīng)用所提出的方法中， 永磁操動機(jī)構(gòu) 可以設(shè)計(jì)成滿足所需規(guī)格。 通過應(yīng)用所提出的方法中， 永磁操動機(jī)構(gòu) 可被設(shè)計(jì)為滿足所需的規(guī)格，即使設(shè)計(jì)師在電磁設(shè)計(jì)和永磁操動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)不夠精通。 參考文獻(xiàn) [1] P. 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