CN112068053A - 电磁开关操动机构磁链及吸力特性间接测量方法 - Google Patents

电磁开关操动机构磁链及吸力特性间接测量方法 Download PDF

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CN112068053A CN202010991406.6A CN202010991406A CN112068053A CN 112068053 A CN112068053 A CN 112068053A CN 202010991406 A CN202010991406 A CN 202010991406A CN 112068053 A CN112068053 A CN 112068053A
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Abstract

本发明提出一种电磁开关操动机构磁链及吸力特性间接测量方法，包括：包括以下步骤：步骤S1：采用动铁心锁紧法及电流闭环控制对电磁开关静态磁链特性进行间接测量；步骤S2：利用测得的静态磁链特性数据求解磁共能；步骤S3：利用磁共能数据得到电磁开关的静态吸力。该方法所获得的数据可以详尽、直观的反应电磁开关线圈电流、磁路磁链、铁心位移及电磁吸力之间的非线性强耦合关系，进一步的可用插值表格、多项式或神经网络拟合这一复杂的机电耦合关系，实现电磁特性的离线或在线计算，为电磁开关动态特性仿真及高性能控制打下基础。

Description

电磁开关操动机构磁链及吸力特性间接测量方法
技术领域
本发明属于电磁开关领域，尤其涉及一种电磁开关操动机构磁链及吸力特性间接测量方法。
背景技术
电磁开关属于电力系统的基础元件，量大面广，这类电器的共同特征为：在结构上包括电磁系统及触头系统，根据电磁系统产生的电磁力来控制触头系统的通断，如：电磁继电器、电磁接触器，电磁断路器等；新兴的永磁继电器、永磁接触器、永磁断路器等永磁开关在吸合及分断过程中同样需要电磁力的配合来实现触头系统的通断，只是在电磁力的基础上叠加了永磁力，本质上也属于电磁开关的范畴。因此，电磁开关包涵范围从小容量、低电压的继电器类产品到高压、大电流的断路器类产品，应用范围涉及电力系统发电、输电、配电中的各个领域，因此对电磁开关的研究具有重要意义。
电磁开关静态电磁特性的获取是实现其准确动态仿真及高性能控制的基础，然而由于电磁开关运动过程中动静铁心间气隙的变化、磁路饱和效应的影响、漏磁的分布特性、磁滞涡流损耗等因素的影响，导致电磁特性呈现高度非线性且强耦合的特征，采用常规方法难以准确获得。电磁开关静态电磁特性主要包括不同铁心位移下的线圈电流、磁路磁链及电磁吸力间的相互关系。电磁吸力可以通过能量守恒定律由磁链间接求得，因此获得线圈电流、磁路磁链及铁心位移三者间的静态关系至关重要。
目前，对于电磁开关的电磁特性难以准确直接测量。电磁开关静态电磁特性获取主要采用有限元仿真的方法，但是有限元建模过程较为复杂，需要电磁开关本体的几何参数，材料特性参数等，这些参数有时难以准确获得。另一方面为了提高有限元的计算速度，通常在建模过程中还需要进行适当的简化处理，调整网格的剖分精度等，这些都会影响有限元仿真的准确性，且不同电磁开关均需重复该复杂的建模仿真过程，方能得到其静态电磁特性，工作量大。
发明内容
为了填补现有技术的空白，本发明提出一种电磁开关操动机构磁链及吸力特性间接测量方法，首先给出了采用“动铁心锁紧法”及“电流闭环控制”进行间接测量电磁开关静态磁链特性的方法；之后利用测得的静态磁链数据求解磁共能，最后利用磁共能数据得到电磁开关的静态吸力，实现吸力特性的间接测量。该方法所获得的数据可以详尽、直观的反应电磁开关线圈电流、磁路磁链、铁心位移及电磁吸力之间的非线性强耦合关系，进一步的可用插值表格、多项式或神经网络拟合这一复杂的机电耦合关系，实现电磁特性的离线或在线计算，为电磁开关动态特性仿真及高性能控制打下基础。
本发明具体采用以下技术方案：
一种电磁开关操动机构磁链及吸力特性间接测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：采用动铁心锁紧法及电流闭环控制对电磁开关静态磁链特性进行间接测量；步骤S2：利用测得的静态磁链特性数据求解磁共能；
步骤S3：利用磁共能数据得到电磁开关的静态吸力。
优选地，所述动铁心锁紧法是将动铁心顶部端面与外部框架之间及动、静铁心气隙之间嵌入多层云母薄片，以将动铁心锁死，使动铁心位移不受电磁吸力及弹簧反力的影响；通过调整嵌入云母薄片的层数，来调节动、静铁心间气隙的大小，得到不同的动铁心固定位移。
优选地，所述电流闭环控制采用电磁机构驱动电路配合高频PWM电流闭环控制实现；所述电磁机构驱动电路的交/直流输入电源经整流桥B1整流和输入电容C1滤波后得到直流电，并由MOS管S1和S2、快恢复二极管D1和D2组成PWM控制电路；电磁机构激磁线圈Coil的一端连接在MOS管S1和快恢复二极管D1之间，另一端连接在MOS管S2和快恢复二极管D2之间。
优选地，当MOS管S1、S2同时导通时，电磁机构驱动电路处于励磁状态，此时电磁机构激磁线圈Coil两端电压为左正右负；当MOS管S1截止、MOS管S2导通时，电磁机构驱动电路处于续流状态，此时电磁机构激磁线圈Coil两端电压为左负右正；当MOS管S1、S2同时截止时，电磁机构驱动电路处于退磁状态。
优选地，电磁开关在运动过程中满足如下动态微分方程组：
Figure BDA0002689475300000021
Figure BDA0002689475300000022
Figure BDA0002689475300000031
其中：ucoil为线圈电压，icoil为线圈电流，Rcoil为线圈电阻，ψ为电磁系统磁链，Fx为电磁吸力，Ff为弹簧反力，m为可动部分等效质量，v为动铁心速度，x为动铁心位移；式(1)为磁路的电压平衡方程，式(2)、(3)为机械运动方程；
将式(1)改写成积分形式，获得磁链值的表达式：
Figure BDA0002689475300000032
其中，t表示时间，const表示常数；
在步骤S1中，根据式(4)进行电磁开关静态磁链间接测量，并采用式(5)在每次测量前对线圈电阻进行校正；
Figure BDA0002689475300000033
其中，Uc为电容C1电压，
Figure BDA0002689475300000034
为已知的固定占空比，线圈电流icoil采用动铁心锁紧法并通过固定占空比的线圈电压测量获得。
优选地，在步骤S1中，进行电磁开关静态磁链间接测量具体包括以下步骤；
步骤S11：控制线圈电流从0开始，上升至设定值，采集这一过程中的ucoi、icoil，并结合Rcoil，通过积分器的积分，计算出ψ；
步骤S12：在同一固定气隙下，改变电流设定值，重复步骤S11，从而得到在同一固定气隙下一系列不同电流的静态磁链数据；
步骤S13：改变固定气隙大小，重复步骤S12，从而得到不同动铁心位移下的一系列磁链曲线，完成ψ(icoil,x)数据的间接测量。
优选地，步骤S2通过式(6)构建电磁开关磁共能的求解模型：
在固定气隙x0下，线圈通入icoil0电流时，电磁机构的磁共能WF′计算公式如下：
Figure BDA0002689475300000035
优选地，在步骤S2中，采用已经测得的静态磁链数据构建插值表格，通过已知的电磁开关的电流、位移，求解磁链；磁共能的求解过程分为内外两个循环：在内循环中动铁心位移x为一常值，线圈电流呈斜坡变化，变化的icoil及恒定的x输入插值表格，经插值计算后输出ψ，斜坡电流同时经数值微分计算后得到电流变化率dicoil，dicoil与ψ按照式(6)进行数值积分计算，得到该固定动铁心位移下，线圈通一系列电流时的磁共能曲线；在外循环中动铁心位移x同样进行斜坡变化，每次外循环中产生一个固定值输入内循环，最终完成一系列动铁心位移下，通一系列线圈电流时的磁共能曲线。
优选地，在步骤S3中，通过式(7)构建电磁开关电磁吸力求解模型计算电磁开关的静态吸力：
恒定的线圈电流下，磁共能与电磁吸力Fx的关系如式(7)所示：
Figure BDA0002689475300000041
优选地，在步骤S3中，采用已经计算得到的磁共能数据构建插值表格，通过已知的电磁开关的电流、位移，求解磁共能；电磁吸力的求解过程分为内外两个循环：在内循环中icoil为一常值，x呈斜坡变化，变化的x及恒定icoil输入插值表格，经插值计算后输出WF′，斜坡x同时经数值微分后得到位移变化率
Figure BDA0002689475300000042
WF′经数值微分后得
Figure BDA0002689475300000043
之后按式(7)便可求得特定线圈电流下，动铁心处于一系列位移处的电磁吸力Fx；在外循环中icoil同样进行斜坡变化，每次外循环中产生一个固定值输入内循环最终完成一系列线圈电流下，动铁心处于一系列位移处的电磁吸力曲线。
与现有技术相比，本发明及其优选方案提出了全新的测量方法，所获得的数据可以详尽、直观的反应电磁开关线圈电流、磁路磁链、铁心位移及电磁吸力之间的非线性强耦合关系，进一步的可用插值表格、多项式或神经网络拟合这一复杂的机电耦合关系，实现电磁特性的离线或在线计算，为电磁开关动态特性仿真及高性能控制打下基础。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为典型电磁操动机构示意图；
图2为本发明实施例电磁机构驱动电路示意图；
图3为本发明实施例静态磁链间接测量原理示意图；
图4为本发明实施例磁共能求解模型示意图；
图5为本发明实施例电磁吸力求解模型示意图。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
如图1所示为电磁开关典型的双E形直动式操动机构，主要由动铁心、静铁心、动静铁心间气隙、线圈及弹簧等组成。
电磁机构在运动过程中满足如下动态微分方程组：
Figure BDA0002689475300000051
Figure BDA0002689475300000052
Figure BDA0002689475300000053
式中：ucoil为线圈电压，icoil为线圈电流，Rcoil为线圈电阻，ψ为电磁系统磁链，Fx为电磁吸力，Ff为弹簧反力，m为可动部分等效质量，v为动铁心速度，x为动铁心位移。式(1)为磁路的电压平衡方程，式(2)、(3)为机械运动方程。
在静态磁链表格的计算过程中需要测量在一系列不同的固定动铁心位移下，线圈通一系列不同电流时的线圈电压、线圈电流波形。要实现这个实验条件，需要保证：1、动铁心能够稳定的处于不同位移下，即动、静铁心间的气隙不受电磁吸力及弹簧反力的影响；2、在每个固定动、静铁心气隙下，都能够得到灵活可调的线圈电流。
对于要求1可采用“动铁心锁紧法”来实现：在图1所示的典型电磁操动机构的动铁心顶部端面与外部框架之间及动、静铁心气隙之间嵌入多层“云母薄片”，将动铁心锁死，使动铁心位移不受电磁吸力及弹簧反力的影响，通过调整嵌入云母薄片的层数，来调节动、静铁心间气隙的大小，得到不同的动铁心固定位移。由于云母薄片的导电及导磁特性与空气类似，因此云母薄片的嵌入不会对电磁机构的静态电磁特性产生影响。
对于要求2可利用电磁开关线圈的强感性，采用电磁机构驱动电路配合高频PWM电流闭环控制来实现。图2所示为本实施例设计的电磁机构驱动电路，交/直流输入电源经整流桥B1整流和输入电容C1滤波后得到直流电；MOS管S1和S2、快恢复二极管D1和D2组成PWM控制电路；Coil为电磁机构激磁线圈。当S1、S2同时导通时，线圈驱动电路处于励磁状态，此时Coil两端电压为左正右负；当S1截止、S2导通时，线圈驱动处于续流状态，此时Coil两端电压为较低的D1、S2续流管压降，其两端电压为左负右正；当S1、S2同时截止时，由于线圈较强的阻感特性，icoil需保持连续，电容电压UC施加在线圈两端，此时电容电压施加在Coil两端，方向为左负右正，迫使icoil快速下降，驱动电路处于退磁状态。该驱动电路可以控制电磁机构激磁电压的占空比及极性，为电磁开关激磁电流的灵活控制提供硬件基础。为得到灵活可调线圈电流，以电磁机构驱动电路为控制硬件基础，搭配高速、高精度的模拟采样模块，采用开/关控制模式的电流闭环进行控制，当电流采样值大于给定值时，占空比输出0％；当电流采样值小于给定值时，占空比输出100％。此方式应用于电磁开关数字闭环控制时，无需复杂的控制参数配置即可完成各种电磁开关线圈电流快速准确的闭环调节。
本实施例所采用的电磁开关不含永磁体，动、静铁心采用硅钢片这一软磁材料制成，剩磁极小，因此磁链初始值可以设为0Wb。将式(1)改写成积分形式，磁链值可写为：
Figure BDA0002689475300000061
如图3所示为按式(4)构建的电磁开关静态磁链间接测量程序：在多次的连续测量过程中，线圈会产生焦耳热，温度发生变化，进而影响线圈电阻，线圈电阻的变化最终会影响磁链计算的准确性。故在每次测量前对线圈电阻进行校正，采用云母片对动铁心进行锁紧以固定动铁心位移，然后通一固定占空比的线圈电压，之后测量线圈电流，通过式(5)计算，即可得到当前状态下的线圈电阻。
Figure BDA0002689475300000062
式中：Uc为电容C1电压，
Figure BDA0002689475300000063
为已知的固定占空比。
之后，通过电流闭环程序控制线圈电流从0开始，上升至设定值，采集这一过程中的ucoi、icoil结合Rcoil，通过积分器的积分，算出ψ。之后在同一固定气隙下，改变电流设定值，重复上述过程，从而得到在同一固定气隙下一系列不同电流的静态磁链数据。最后，改变固定气隙大小，重复上述过程，从而得到所需的静态磁链数据，即得到不同动铁心位移下一系列磁链曲线，完成ψ(icoil,x)数据的间接测量。
接下来，进一步利用ψ(icoil,x)数据求解磁共能。
在静态磁链已经测量完成的基础上，按照式(6)构建图4所示电磁开关磁共能的求解模型。
在固定气隙x0下，线圈通入icoil0电流时，电磁机构的磁共能WF′计算公式如下：
Figure BDA0002689475300000071
首先采用已经测得的静态磁链数据构建插值表格，实现已知电磁机构的电流、位移，求解磁链。磁共能的求解过程分为内外两个循环：在内循环中动铁心位移x为一常值，线圈电流呈斜坡变化，变化的icoil及恒定的x输入插值表格，经插值计算后输出ψ，斜坡电流同时经数值微分计算后得到电流变化率dicoil，dicoil与ψ按照式(6)进行数值积分计算，得到该固定动铁心位移下，线圈通一系列电流时的磁共能曲线。在外循环中动铁心位移x同样进行斜坡变化，每次外循环中产生一个固定值输入内循环，最终完成一系列动铁心位移下，通一系列线圈电流时的磁共能曲线。
最后利用上述求得的磁共能曲线，求电磁吸力曲线。
在恒定的线圈电流下，磁共能与电磁吸力Fx的关系如式(7)所示：
Figure BDA0002689475300000072
按照式(7)构建图5所示的电磁开关电磁吸力求解模型。
首先采用已经计算得到的磁共能数据构建插值表格，实现已知电磁机构的电流、位移，求解磁共能。电磁吸力的求解过程分为内外两个循环：在内循环中icoil为一常值，x呈斜坡变化，变化的x及恒定icoil输入插值表格，经插值计算后输出WF′，斜坡x同时经数值微分后得到位移变化率
Figure BDA0002689475300000073
WF′经数值微分后得
Figure BDA0002689475300000074
之后按式(7)便可求得特定线圈电流下，动铁心处于一系列位移处的电磁吸力Fx。在外循环中icoil同样进行斜坡变化，每次外循环中产生一个固定值输入内循环最终完成一系列线圈电流下，动铁心处于一系列位移处的电磁吸力曲线。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的电磁开关操动机构磁链及吸力特性间接测量方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种电磁开关操动机构磁链及吸力特性间接测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：采用动铁心锁紧法及电流闭环控制对电磁开关静态磁链特性进行间接测量；步骤S2：利用测得的静态磁链特性数据求解磁共能；
步骤S3：利用磁共能数据得到电磁开关的静态吸力。
2.根据权利要求1所述的电磁开关操动机构磁链及吸力特性间接测量方法，其特征在于：所述动铁心锁紧法是将动铁心顶部端面与外部框架之间及动、静铁心气隙之间嵌入多层云母薄片，以将动铁心锁死，使动铁心位移不受电磁吸力及弹簧反力的影响；通过调整嵌入云母薄片的层数，来调节动、静铁心间气隙的大小，得到不同的动铁心固定位移。
3.根据权利要求1所述的电磁开关操动机构磁链及吸力特性间接测量方法，其特征在于：所述电流闭环控制采用电磁机构驱动电路配合高频PWM电流闭环控制实现；所述电磁机构驱动电路的交/直流输入电源经整流桥B1整流和输入电容C1滤波后得到直流电，并由MOS管S1和S2、快恢复二极管D1和D2组成PWM控制电路；电磁机构激磁线圈Coil的一端连接在MOS管S1和快恢复二极管D1之间，另一端连接在MOS管S2和快恢复二极管D2之间。
4.根据权利要求3所述的电磁开关操动机构磁链及吸力特性间接测量方法，其特征在于：当MOS管S1、S2同时导通时，电磁机构驱动电路处于励磁状态，此时电磁机构激磁线圈Coil两端电压为左正右负；当MOS管S1截止、MOS管S2导通时，电磁机构驱动电路处于续流状态，此时电磁机构激磁线圈Coil两端电压为左负右正；当MOS管S1、S2同时截止时，电磁机构驱动电路处于退磁状态。
5.根据权利要求3所述的电磁开关操动机构磁链及吸力特性间接测量方法，其特征在于：
电磁开关在运动过程中满足如下动态微分方程组：
Figure FDA0002689475290000011
Figure FDA0002689475290000012
Figure FDA0002689475290000013
其中：ucoil为线圈电压，icoil为线圈电流，Rcoil为线圈电阻，ψ为电磁系统磁链，Fx为电磁吸力，Ff为弹簧反力，m为可动部分等效质量，v为动铁心速度，x为动铁心位移；式(1)为磁路的电压平衡方程，式(2)、(3)为机械运动方程；
将式(1)改写成积分形式，获得磁链值的表达式：
Figure FDA0002689475290000021
其中，t表示时间，const表示常数；
在步骤S1中，根据式(4)进行电磁开关静态磁链间接测量，并采用式(5)在每次测量前对线圈电阻进行校正；
Figure FDA0002689475290000022
其中，Uc为电容C1电压，
Figure FDA0002689475290000023
为已知的固定占空比，线圈电流icoil采用动铁心锁紧法并通过固定占空比的线圈电压测量获得。
6.根据权利要求5所述的电磁开关操动机构磁链及吸力特性间接测量方法，其特征在于：在步骤S1中，进行电磁开关静态磁链间接测量具体包括以下步骤；
步骤S11：控制线圈电流从0开始，上升至设定值，采集这一过程中的ucoi、icoil，并结合Rcoil，通过积分器的积分，计算出ψ；
步骤S12：在同一固定气隙下，改变电流设定值，重复步骤S11，从而得到在同一固定气隙下一系列不同电流的静态磁链数据；
步骤S13：改变固定气隙大小，重复步骤S12，从而得到不同动铁心位移下的一系列磁链曲线，完成ψ(icoil,x)数据的间接测量。
7.根据权利要求6所述的电磁开关操动机构磁链及吸力特性间接测量方法，其特征在于：步骤S2通过式(6)构建电磁开关磁共能的求解模型：
在固定气隙x0下，线圈通入icoil0电流时，电磁机构的磁共能WF′计算公式如下：
Figure FDA0002689475290000031
8.根据权利要求7所述的电磁开关操动机构磁链及吸力特性间接测量方法，其特征在于：
在步骤S2中，采用已经测得的静态磁链数据构建插值表格，通过已知的电磁开关的电流、位移，求解磁链；磁共能的求解过程分为内外两个循环：在内循环中动铁心位移x为一常值，线圈电流呈斜坡变化，变化的icoil及恒定的x输入插值表格，经插值计算后输出ψ，斜坡电流同时经数值微分计算后得到电流变化率dicoil，dicoil与ψ按照式(6)进行数值积分计算，得到该固定动铁心位移下，线圈通一系列电流时的磁共能曲线；在外循环中动铁心位移x同样进行斜坡变化，每次外循环中产生一个固定值输入内循环，最终完成一系列动铁心位移下，通一系列线圈电流时的磁共能曲线。
9.根据权利要求8所述的电磁开关操动机构磁链及吸力特性间接测量方法，其特征在于：在步骤S3中，通过式(7)构建电磁开关电磁吸力求解模型计算电磁开关的静态吸力：
恒定的线圈电流下，磁共能与电磁吸力Fx的关系如式(7)所示：
Figure FDA0002689475290000032
10.根据权利要求9所述的电磁开关操动机构磁链及吸力特性间接测量方法，其特征在于：
在步骤S3中，采用已经计算得到的磁共能数据构建插值表格，通过已知的电磁开关的电流、位移，求解磁共能；电磁吸力的求解过程分为内外两个循环：在内循环中icoil为一常值，x呈斜坡变化，变化的x及恒定icoil输入插值表格，经插值计算后输出WF′，斜坡x同时经数值微分后得到位移变化率
Figure FDA0002689475290000033
WF′经数值微分后得
Figure FDA0002689475290000034
之后按式(7)便可求得特定线圈电流下，动铁心处于一系列位移处的电磁吸力Fx；在外循环中icoil同样进行斜坡变化，每次外循环中产生一个固定值输入内循环最终完成一系列线圈电流下，动铁心处于一系列位移处的电磁吸力曲线。
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