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1、真空断路器永磁操动机构的优化设计摘要：本文将模拟退火法应用于，在对 35kV 真空断路 器永磁操动机构进行磁路分析的基础上，建立了数学模型， 并对其中的永磁体的主要参数进行了优化计算，改变了原样 机永磁体的尺寸，可使样机体积更小、成本更低。关键词：永磁操动机构优化设计模拟退火算法磁路计算1 前言真空断路器因其高可靠性、高稳定性、免维护、寿命长 等特点，多年来一直是中压领域的主流产品。操动机构作为 断路器的执行元件，其可靠性成为关键。近年来，一种电磁 操动、永磁保持、电子控制的操动机构受到广泛关注。这种 操动机构由于取消了脱、锁扣装置，而采用永久磁铁进行终 端位置的保持，动作元件和零部件数目明显
2、减少，因而可靠 性大大提高。由于永磁机构涉及到电路、磁场和机械部分， 它的场域比较复杂，因此用传统的设计方法对永磁操动机构 的结构尺寸、材料等参数进行选定往往不能达到最优结果， 需要借助于最优化技术和计算机辅助设计方法才能达到产 品优化设计的目的。本文对 35kV 真空断路器永磁操动机构 进行了磁路分析，建立了数学模型，应用一种随机类全局优 化方法模拟退火法，对永磁操动机构的核心部分永 磁体的尺寸进行了优化计算。2 永磁机构结构的结构形式和磁路分析图 1 所示为双稳态、双线圈永磁机构示意图。当断路器 处于分闸（或合闸）位置时，分（合闸）线圈无电流通过， 永久磁铁利用动、静铁心提供的低磁阻抗通道
3、将动铁心保持 在分闸位置。当有合闸（分闸）动作指令时，合闸（分闸） 线圈中通过电流，产生了与永久磁铁相反方向的磁通，两磁 场叠加产生的磁场力使得动铁心向合闸（分闸）位置动作， 完成关合（或断开）动作。3 永磁操动机构的数学模型和优化方法1、目标函数及设计变量 由于真空断路器大部分时间工作在合闸状态，即操动机 构长期工作于合闸保持状态，这就要求操动机构能够提供可 靠、持久、准确的保持力以克服触头弹簧反力及短路故障电 流所造成的冲击力。而永磁操动机构所提供的静态保持力是 由永磁体磁通产生的，所以永磁体是永磁操动机构的核心部 分，需要对其尺寸进行优化。在永磁体的各项尺寸参数中， 永磁体的内弧半径与永
4、磁机构中动铁心的半径有着直接的 关系，因此适当的减小永磁体的内弧半径的同时可以减小整 个永磁机构本体的尺寸，从而达到使样机更加小型化的目的。通过以上的分析，从成本和尺寸方面考虑，本文以永磁 体的体积为目标函数，即3、优化方法种随机类全局优化方法，它来源于热力学中固体物质的退火 冷却过程。当某一个系统的温度以足够慢的速度下降时系统 近似处于热平衡状态，最后达到系统本身的最低能量状态。式中T?控制参数，相当于退火温度。在模拟退火算法的迭代寻优过程中， T 必须缓慢减少， 正如退火过程中，如果温度变化太快，系统会被冻结为一种 亚稳态一样， 控制参数变化太快， 会使优化陷入局部极值点。模拟退火法具有全
5、局优化的性质在于它不仅具有“下山 性”，而且具有“上山性” ，即在迭代过程中可以有条件接受 目标函数衰退的设计点，但这种可能性随着控制参数的减小 而降为零；同时，模拟退火法在迭代过程中新点的选取由概 率决定，新点的取值在统计上满足一定的概率分布，这就使 它能够跳出局部最优区域而达到全局最优点。同“贪心类” 算法( MethodofSteepestDescent )比较，基于 Metropolis 接受准则的模拟退火法可以避免搜索过程陷入局部极小，并 最终趋于问题的全局最优解。模拟退火法能够处理任何连续或离散型变量，其搜索方 式能够根据目标函数的变化自适应调整。从数学上可以证明， 对任意目标函数
6、，它总能够得到问题的全局最优点。4 操动机构中永磁体的优化设计应用模拟退火法对真 空断路器永磁操动机构中永磁块进行优化设计时，具体算法步骤如下：从表 1 中的优化结果可以看出，优化以后永磁体体积明 显减小，约为原来的92%，从制造成本角度来讲，降低了永磁操动机构的成本。由于设计变量有较大减小，使得永磁机 构的动铁心直径也明显减小，从而缩小了整个永磁操动机构 本体的尺寸，这对于正在向小型化方向发展的真空断路器具 有较实际的意义。5 结论1. 本文建立了以永磁体体积最小为目标函数的磁路计 算数学模型。2. 本文应用模拟退火法成功地对配 35kV 真空断路器永 磁机构中永磁体进行了优化设计。3. 在
7、满足断路器基本性能基础上，通过优化设计减小了 永磁体的尺寸，可使样机更加小型化。参考文献【1】林莘， 永磁机构与真空断路器， 机械工业出版社，XX年6月【2】 Y.Li,Xu,X.Lin,Wang,Y.Tang,DesignandAnalysisofPerman entMagneticActuatorforVacuumCircuit/peaker,Proc.ofI CEMSXX,JejuIsland,Korea3】李岩，王胜辉 , 林莘等，永磁操动机构设计与分析 软件，高压电器， XX 年第 1 期【 4】宋述忠，裴海鹰等，磁力双稳态操动机构优化设 计计算，高压电器，XX年第6期【5】孙建中 , 白凤仙 , 孙艳霞等，智能化模拟退火算法 及其在电磁装置优化设计中的应用，电工电能新技术， 1997 年 04 期【 6】左全璋，胡双，左才科，双稳态永磁操动机构结 构设计和性能计算，华通技术，XX年第2期（作者：3C0ME未知本文来源于爬虫自动抓取，如有侵犯权 益请联系 service 立即删除）
