新型電磁機(jī)構(gòu)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)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(chǔ)之一是高壓電器的智能化，其中斷路器智能操作的實(shí)現(xiàn)，對(duì)電磁機(jī)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(jī)構(gòu)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)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(gè)層面，對(duì)電磁機(jī)構(gòu)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)的拓?fù)淙胧?，研究四種新型電磁機(jī)構(gòu)的拓?fù)湫问?，提出了較為系統(tǒng)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)與優(yōu)化分析方法，為新型電磁機(jī)構(gòu)的發(fā)展奠定了理論與技術(shù)基礎(chǔ)。 首先

2、針對(duì)盤狀推斥型快速電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論分析，基于單匝線圈間的相互作用關(guān)系推導(dǎo)出該型電磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析模型，并提出一種基于時(shí)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(jī)構(gòu)的仿真分析與綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。但就實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)可控性而言，這些數(shù)學(xué)模型與算法還顯得相對(duì)復(fù)雜。 鑒于旋轉(zhuǎn)電機(jī)已具備較為成熟的控制方法，本文提出了基于永磁電動(dòng)機(jī)控制的斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)方案。通過分析旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的速度跟蹤控制策略，為實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的柔性可控提供了方法基礎(chǔ)。但由于電動(dòng)機(jī)的電磁慣性以及傳動(dòng)環(huán)節(jié)的機(jī)械慣性較大，并不利于實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的快速性。 為綜合利用上述兩種電磁機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，本文提出了一種兼顧運(yùn)動(dòng)快速性與可控性的電磁機(jī)構(gòu)--音圈電機(jī)式快速電磁機(jī)構(gòu)。因采用相對(duì)磁導(dǎo)率很小的永磁體使得回路電感顯著減小，而利用對(duì)稱的差動(dòng)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)則可保持運(yùn)動(dòng)過程中的等效電感基本不變，從而簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)的分析模型?；陔姶艑W(xué)和機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析，采用等

4、效受控電壓源的形式來描述機(jī)構(gòu)電磁與機(jī)械特性的復(fù)雜耦合關(guān)系，為解決電磁機(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)分合閘操作的無碰撞反彈，為斷路器最佳運(yùn)動(dòng)曲線的跟蹤控制奠定了方法基礎(chǔ)。不過，因存在鐵芯、永磁體等性能易受外界較大磁場(chǎng)影響的材料，增加了機(jī)構(gòu)的非線性特征，使控制的準(zhǔn)確性在較大電流時(shí)難以保證。 為克服機(jī)構(gòu)中使用

5、非線性磁材料的缺點(diǎn)，并同時(shí)考慮可控性對(duì)機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，本文提出研究一種反繞嵌套螺線管式新型電磁機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)的固定部件和可動(dòng)部件均由線圈構(gòu)成，無鐵芯亦無永磁。通過分析線圈磁場(chǎng)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(jī)構(gòu)的耦合模型。在拓?fù)浣Y(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(jiǎn)化機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)分析模型，為實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的可控性奠定基礎(chǔ)。研制了該電磁機(jī)構(gòu)的物理樣機(jī)，并開展了仿真和實(shí)驗(yàn)研究。 因受

6、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和分析方法多樣性的限制，對(duì)傳統(tǒng)電磁機(jī)構(gòu)性能的評(píng)價(jià)多采用靜態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)，缺乏針對(duì)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的評(píng)價(jià)參數(shù)。本文以電磁學(xué)方程為基礎(chǔ)，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(píng)價(jià)電流對(duì)電磁力影響程度的變化和電磁機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程的可控性。從使用材料、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及電磁力靈敏度等方面，對(duì)三種電磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)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(jī)構(gòu)拓?fù)?，在快速性和可控性方面具有發(fā)展前景。本文還詳細(xì)研究了推斥型