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永磁接触器是一种采用电磁分合、永磁保持工作原理的开关电器,它具有节能、降噪和可靠性高等诸多优点。本文致力于永磁接触器操动机构的优化设计研究,所做工作对于掌握其设计关键技术,促进其在工业领域的推广应用,具有重要的理论意义和工程应用价值。
本文首先阐述了国内外永磁操动机构的研究与发展状况,介绍了单稳态、双稳态以及分离磁路三种永磁操动机构的结构形式,分析了它们的工作原理和结构特点,为选取合理的永磁机构提供了思路。
基于稳定磁场的有限元分析,本文计算了永磁操动机构在不同铁心位移和不同线圈电流情况下的电磁力、磁链特性,获得了以位移、电流为变量的二维电磁力、磁链静态数据网格,并将其运用于龙格库塔法求解永磁操动机构动态特性,为永磁操动机构的优化设计提供了有效的分析方法和手段。
以圆柱形单稳态永磁接触器为具体研究对象,分析了吸反力配合曲线、操动机构体积等多个因素对永磁操动机构静动态性能的影响。在考虑综合性能要求、制约因数的基础上,采用磁路的设计方法获得永磁操动机构的初始设计方案。建立了以永磁操动机构的六个主要尺寸为优化变量,以操动机构体积、0°到180°合闸相角下平均合闸时间和撞击能量为多目标动态优化函数,包含有关结构尺寸、安全系数、铁材料最大磁密以及合闸过程中速度四个约束条件的最优化模型。以初始设计方案为出发点,分别采用遗传算法和模拟退火算法求解该最优化模型。
制定了永磁操动机构的设计、优化流程,开发出基于C++ Builder6.0编译环境的永磁操动机构优化设计软件,该软件可实现设计、优化数据的自动输入、输出、保存等功能。本文同时给出了设计、优化的结果和曲线,分析了优化结果。根据最优化结果,本文研制了一台75A圆柱形单稳态永磁接触器样机,对样机静态电磁力、动态位移曲线、线圈电流进行了综合测量,仿真数据与实验结果的对比验证了本文所述优化设计方法的有效性和正确性。