真空断路器永磁操动机构的优化设计

　1 前言

　　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将动铁心保持在分闸(合闸)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磁机构中动铁心的半径有着直接的关系(永磁体内弧半径=动铁心半径+导磁块厚度+永磁体与动铁心之间的气隙长度)，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

　　模拟退火算法（Simulated Annealing Algorithm）是一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 T¾¾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(如最速下降法)（Method of Steepest Descent）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，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 (即扇形永磁体的内弧半径)有较大减小，使得永磁机构的动铁心直径也明显减小(动铁心的半径大小与永磁体的内弧半径仅相差一个常数)，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，2002年6月

　　【2】Y. Li, J.Y. Xu, X. Lin, S.H. Wang, Y. Tang, Design and Analysis of Permanent Magnetic Actuator for Vacuum Circuit /peaker, Proc. of ICEMS 2004, Jeju Island, Korea

　　【3】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，2003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，2001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，2002年第2期