新型電磁機構(gòu)的拓撲設計與優(yōu)化方法研究.pdf

1、支撐智能電網(wǎng)發(fā)展的重要技術(shù)基礎之一是高壓電器的智能化，其中斷路器智能操作的實現(xiàn)，對電磁機構(gòu)的快速性與可控性提出了更高要求，這有賴于新型電磁機構(gòu)的拓撲設計和參數(shù)優(yōu)化研究。就目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀而言，能綜合快速性和可控性兩個層面，對電磁機構(gòu)的拓撲設計與優(yōu)化分析方法做出系統(tǒng)研究的工作并不多見。本文從電磁機構(gòu)的拓撲入手，研究四種新型電磁機構(gòu)的拓撲形式，提出了較為系統(tǒng)的拓撲設計與優(yōu)化分析方法，為新型電磁機構(gòu)的發(fā)展奠定了理論與技術(shù)基礎。 首先

2、針對盤狀推斥型快速電磁機構(gòu)進行理論分析，基于單匝線圈間的相互作用關(guān)系推導出該型電磁機構(gòu)的動態(tài)分析模型，并提出一種基于時間和位移雙層循環(huán)的離散迭代算法，該算法可用于推斥型盤狀電磁機構(gòu)的仿真分析與綜合優(yōu)化設計。但就實現(xiàn)機構(gòu)的實時可控性而言，這些數(shù)學模型與算法還顯得相對復雜。 鑒于旋轉(zhuǎn)電機已具備較為成熟的控制方法，本文提出了基于永磁電動機控制的斷路器操動機構(gòu)方案。通過分析旋轉(zhuǎn)運動與直線運動的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并綜合PID與單神經(jīng)元控制等方法，

3、建立了該機構(gòu)運動特性的速度跟蹤控制策略，為實現(xiàn)機構(gòu)的柔性可控提供了方法基礎。但由于電動機的電磁慣性以及傳動環(huán)節(jié)的機械慣性較大，并不利于實現(xiàn)機構(gòu)的快速性。 為綜合利用上述兩種電磁機構(gòu)的優(yōu)點，本文提出了一種兼顧運動快速性與可控性的電磁機構(gòu)--音圈電機式快速電磁機構(gòu)。因采用相對磁導率很小的永磁體使得回路電感顯著減小，而利用對稱的差動補償結(jié)構(gòu)則可保持運動過程中的等效電感基本不變，從而簡化機構(gòu)的分析模型?；陔姶艑W和機械動力學分析，采用等

4、效受控電壓源的形式來描述機構(gòu)電磁與機械特性的復雜耦合關(guān)系，為解決電磁機構(gòu)的解耦分析與控制問題提供了一種新思路。利用PSIM軟件建立了基于PWM的速度跟蹤控制仿真模型，仿真結(jié)果表明，利用電力電子器件和PWM控制方式基本可實現(xiàn)機構(gòu)分合閘操作的無碰撞反彈，為斷路器最佳運動曲線的跟蹤控制奠定了方法基礎。不過，因存在鐵芯、永磁體等性能易受外界較大磁場影響的材料，增加了機構(gòu)的非線性特征，使控制的準確性在較大電流時難以保證。 為克服機構(gòu)中使用

5、非線性磁材料的缺點，并同時考慮可控性對機構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)的設計要求，本文提出研究一種反繞嵌套螺線管式新型電磁機構(gòu)。該機構(gòu)的固定部件和可動部件均由線圈構(gòu)成，無鐵芯亦無永磁。通過分析線圈磁場橫向分量的分布規(guī)律，提出相互作用系數(shù)的概念以描述機構(gòu)的耦合模型。在拓撲結(jié)構(gòu)確定的情況下，該作用系數(shù)為常數(shù)，即電磁力與電流的平方成正比，從而大大簡化機構(gòu)的數(shù)學分析模型，為實現(xiàn)機構(gòu)的可控性奠定基礎。研制了該電磁機構(gòu)的物理樣機，并開展了仿真和實驗研究。 因受

6、拓撲結(jié)構(gòu)和分析方法多樣性的限制，對傳統(tǒng)電磁機構(gòu)性能的評價多采用靜態(tài)評價指標，缺乏針對機構(gòu)動態(tài)特性的評價參數(shù)。本文以電磁學方程為基礎，通過分析電磁力與控制電流的關(guān)系而提出電磁力靈敏度分析系數(shù)，以定量評價電流對電磁力影響程度的變化和電磁機構(gòu)運動過程的可控性。從使用材料、拓撲結(jié)構(gòu)以及電磁力靈敏度等方面，對三種電磁機構(gòu)的動態(tài)性能進行了比較，指出具有較大數(shù)值且為恒定靈敏度系數(shù)的電磁機構(gòu)拓撲，在快速性和可控性方面具有發(fā)展前景。本文還詳細研究了推斥型