極化磁系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設計方案技巧的研究

1、極化磁系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設計方法的研究摘要 ：永磁繼電器是一種在國防軍事、現(xiàn)代通信、工業(yè)自動 化、電力系統(tǒng)繼電保護等領域中應用面很廣的電子元器件，其 極化磁系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化設計是實現(xiàn)永磁繼電器產(chǎn)品可靠性設計 的前提工作之一。該文采用六因素三水平多目標的正交實驗設 計方法，分析并研究了極化磁系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化設計方法。在永 磁繼電器產(chǎn)品設計滿足輸出特性指標要求的前提下，給出了輸 出特性值受加工工藝分散性影響而波動最小的最佳參數(shù)水平組 合。1 引言 具有極化磁系統(tǒng)的永磁繼電器具有體積小、重量輕、功耗 低、靈敏度高、動作速度快等一系列優(yōu)點，是被廣泛應用于航 空航天、軍艦船舶、現(xiàn)代通信、工業(yè)自動化、電力系統(tǒng)繼電保

2、 護等領域中的主要電子元器件。吸力特性與反力特性的配合技 術是電磁繼電器產(chǎn)品可靠性設計的關鍵技術。在機械反力特性 及電磁結構已知的情況下，如何對電磁系統(tǒng)進行參數(shù)優(yōu)化設 計，使得在保證輸出特性值滿足穩(wěn)定性要求的前提下，電磁系 統(tǒng)的成本最低，這是繼電器可靠性設計必不可少的前提工作之由于極化磁路的非線性及漏磁的影響，使極化磁系統(tǒng)的輸 出特性值（吸力值）與磁系統(tǒng)各參數(shù)水平組合之間存在著非線 性函數(shù)關系。在各種干擾影響下，各參數(shù)存在一定的波動范 圍。當各參數(shù)取不同的水平組合時，參數(shù)本身波動所引起的輸 出特性值的波動亦不相同。由于非線性效應，必定存在一組最 優(yōu)水平組合，使得各參數(shù)波動所造成的輸出特性值的波

3、動最 小，即輸出特性的一致性最好。極化磁系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設計的目 的就是要找到各參數(shù)的最優(yōu)水平組合（即方案擇優(yōu)），使得質 量輸出特性盡可能不受各種干擾的影響，穩(wěn)定性最好。影響永磁繼電器產(chǎn)品質量使其特性發(fā)生波動的主要干擾因素有： 內干擾（內噪聲），是不可控因素，如觸點磨損、老 化等； 外干擾（外噪聲），亦是不可控因素，如環(huán)境溫度、 濕度、振動、沖擊、加速度等； 可控因素（設計變量）加工 工藝的分散性等。其中前兩種因素均與產(chǎn)品實際使用環(huán)境有 關，這里暫不予考慮，本研究只考慮后者對產(chǎn)品質量特性波動 的影響。正交實驗設計法是實現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化設計的重要手段之一，以 往人們在集成電路制造工藝、電火花成型加工工藝、

4、軸承故障 診斷等方面得到了很好應用 1-4 ，但大多是采用單一目標函數(shù)的 正交實驗設計。文獻 2 應用正交實驗設計法對永磁繼電器磁鋼 尺寸進行了參數(shù)優(yōu)化設計，但沒有采用正交實驗設計法對永磁160AT繼電器極化磁系統(tǒng)進行整體優(yōu)化設計。本文以橋式極化磁系統(tǒng)為例，采用六因素三水平多目標正交實驗設計法對永磁繼電器極化磁系統(tǒng)進行參數(shù)優(yōu)化設計。2極化磁系統(tǒng)吸力特性計算數(shù)學模型圖1為某型號永磁繼電器的極化磁系統(tǒng)結構簡圖及其簡化等效磁路。轄.（V V魚 p p時蠟通：乩.% a. -1-1 irir tfrifiRitfrifiRi j j /W/Wft.佻心崛用】隔 K 總憒碼陽：住】卷效呱fflffl 1

5、 1極化晞系統(tǒng)結粕禰圈及暮籌效船蠱r r i.1i.1 CorbtruclkCorbtruclk andand rqukalrnlrqukalrnlcinruilcinruil 吋polflriMdpolflriMdSjslcilSjslcil）1 1 feWkW3feWkW3 : : ”嬌也丹華片上I I噸繳; 4 4小極血晟ifetSLifetSL s-naus-nau； b b致MI裡比毋為氓附化姑構TI.釵州也;國出FL的背血蔓躥r】篦朋處卩卍“加為+區(qū)R、抵* & i* - 1- - JV其中a為極面長圖1所示的橋式極化磁系統(tǒng)的等效數(shù)學模型為（灼 + 禺 + /U 金-% - 2 =

6、 m 彳皿十/e嚴&, +心劃-R風-忑佻人度；b為大極面寬度；h為小極面寬度；doi、d 02、d 03、do4為各墊片到銜鐵的氣隙長；di、d 2、d 3、d 4為墊片厚度通過求解式（1）得到磁通F）、Fi、F2，然后求出通過各氣隙 磁阻的磁通，代入麥克斯韋方程求出各氣隙處的吸力矩，最后 得到總的電磁吸合力3基于正交實驗設計法的極化磁系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設計3.1概述本文以圖1所示繼電器極化磁系統(tǒng)為例，研究采用正交實 驗設計法對極化磁系統(tǒng)進行參數(shù)優(yōu)化設計。正交實驗設計的核心問題是要解決主要影響因素的選取和 輸出特性目標的確定。對于圖 1所示極化磁系統(tǒng)，其影響吸力 特性值的磁系統(tǒng)主要影響因素（以下稱

7、為可控因素）有 6個， 即6個設計參數(shù)：影響吸合的隔磁墊片 d1和隔磁墊片d2，磁氣 隙D；影響釋放的隔磁墊片 d3和隔磁墊片d4,吸合極面（小極 面）寬度h。可控因素的選取由工程經(jīng)驗和理論分析共同決 定。每個可控因素設三個水平，各水平公差為誤差因素，由加式中工工藝能力及相應公差標準給出。每個水平設對稱公差，不考 慮交互作用，進行六因素三水平多目標正交實驗設計。為了保證吸合狀態(tài)、釋放狀態(tài)及其配合狀態(tài)的可靠性，在 反力特性曲線上不同節(jié)點的目標特性是不同的，即5個節(jié)點有6個目標特性。在吸合電壓下，電磁吸力信噪比分析在節(jié)點0處采用望目特性，在節(jié)點 2、4處采用望大特性；在釋放電壓 下，電磁吸力信噪比

8、分析在節(jié)點 4處采用望目特性，在節(jié)點 1、3處采用望小特性，見圖 2。曲2觸K系統(tǒng)反力特性FiFi幣2 2 SpringSpringofof 藥prinprin）：）： sisienisisieni3.2制定可控因素水平表對于圖1所示的極化磁系統(tǒng)，其 6個可控因素分別用符號 A B、C、D E及F來代替，并各取三水平?？煽匾蛩厮奖?示于表1。毘昭系統(tǒng)可控因議水平聶Tab.lTab.l ijrveisijrveis thlrthlr ofof ctertrornanHicctertrornanHic ssIrmSssIrmS controllablecontrollable fuclnnfuc

9、lnnA A w卜h hQ Q：蠻牛1 1； 闿gmgmA/mmA/mmcVmmcVmmE EAmanAmanf idFMidFM甲 jAnmjAnm1 10.W0.WGtiMGtiM4 4- -L L001001JUJUD.I&D.I&廿価0 0俯HEHE15150 0 20205 5OJOOJOflOTflOT0 0 w wmtn2020112211223.3內設計對可控因素水平表設計實驗方案，稱為內設計，相應的正交表稱為內表問。根據(jù)內表中每種方案各目標函數(shù)的信噪比， 可以判斷各方案抗干擾能力的強弱。本研究選用Li8（21X 37）作為內表，其含義為1因素2水平、7因素3水平正交表，共做1

10、 8次實驗，實驗方案見表2。a J蹩昭斥規(guī)試進甫盧I円書IlUkllUkl FiiwriiiwvilFiiwriiiwvil vbmvbm ofof rhHlranMfQrEkrhHlranMfQrEkliuMdrliuMdr TRHTIIJ 長皤北 2 2北比&冉n nC C口1：F F2 2 U U，上n n內e enAnA J的4 41 1ru u1 1i i1 11 1SinSin4U4U耳sf?sf?畔、MJOMJO711711J Jt ttBQtBQ辭i i輛丄?J*?J*JiJii|i|n n J Jn.sn.s4|.4|. 144*44*3131呻C C心j jJiJi1 1

11、w w t t312312inin iiii111111nnS SI Inn4141 b bISIS：107107& &jJJIjJJIt t1 1J.J.I II Ii i j jIMIM4T,J4T,J卻|lT|lT2 2n n.1.1j j珂刖n n綁TJTJ I Iinin.*oanI.*oan表 3 中的 A、Bn、G、D、En、Fn （n=1,2,18 ）分別對應內表中各可控因素的水平值。3.5夕卜設計對誤差因素水平表設計實驗方案，稱為外設計，相應的正 交表稱為外表（示于表 4）。本研究選用Li8（2 1 X 3）作為外表進 行外設計。由于 A、B、G、D、En、Fn分別取內表中的

12、 No.1No.18中的水平值，所以誤差因素水平表3和實驗外表4各有18張。本文以表2實驗方案1為例，分別在吸合安匝、釋放安匝下計算各節(jié)點對應的吸力值 Fi，填入外表4中。下:(1)望目特性的信噪比為3.6SN比計算信噪比計算是正交實驗設計法中方差分析的重要環(huán)節(jié)。對應不同目標特性的 SN比計算公式如表，按照上述公式求出各節(jié)點對應的信噪比對每張實驗外h填入與該外表4相對應的內表（表2）中。如根據(jù)式（2）（4），由表4數(shù)據(jù)可計13式中=n為外表對應試舲次數(shù)（n=lX*算出第一種方案各目標節(jié)點的信噪比 h值示于表2的第一行中。3.7內表的統(tǒng)計分析對每一節(jié)點按照下列公式分別計算總波動平方和Sr及其自由

13、度fr、各列波動平方和 S及其自由度fj、誤差引起的波動平 方和Se及其自由度fe，分別填入方差分析表5中。* rT-5, =*7/ -CT cr -T=T= 2/7,: =1（V+7/+7f）Q , f f嚴LhLh門戶式中 r為各可控因素水平數(shù)；Ti、T2、T3為每一列各水平下的部分和；m為可控因素個數(shù)。觀合歡態(tài)下節(jié)點4 4方荃分析羸 心0505肚口G G； 10.0D=K0210.0D=K02）Tab.5Tab.5 VurhiHfVurhiHflublclublc ofof nodenode 0 0inin (he(he pick-uppick-ups sf f也羽GW.GW.A A1

14、1K K59.759.7L66L66H H1 11 1 knkn 1 1C C也円*MIY5MIY5B.45B.45D D705.2705.2152152 6 69 9 KOKOh h2W.72W.714.414.44040F F23J3523J35Jta.Jta. I I他X Xe e175175 7 75 53S3S 1 1 (6(6 0 0t.a)t.a)l l1717表5中e表示誤差因素；S=S+S不顯著因素波動平方 和（即遠小于誤差因素波動平方和 Se的某因素波動平方和）；f e=fe+S不顯著因素自由度（與不顯著因素波動平方和相對應的 該因素自由度）。對應吸合狀態(tài)和釋放狀態(tài)下的 6

15、個節(jié)點（目標），共可得到6張與表5相類似的方差分析表。在方差分析表中：（1）方差V等于波動平方和除以自由度，即平均波動。（2）G值是兩個方差V與W之比，通常將不顯著因素的波動平方和與誤差波動平方和進行合成（3）進行顯著性檢驗：倘若 G值較大，則認為所對應因素影響由此可知，從穩(wěn)相對于實驗誤差的影響來說是顯著的，否則認為不顯著驗方法有時會產(chǎn)生誤判，為此必須預先扌旨遲這種謀判的概率金趙過小II fa（kaG（a）t則判宦該因素影響顯苗 若GWG；：gh則判定該因素影響不顯祐aift 0.05 或OG,并規(guī)定：肖 G0：（O.O1時樓 兇索高度晁著記為（G；：（ao】p 00（05 時.該因素顯著,記

16、為U）：當06（0 05）時, 該因索不晁忑.定性的角度看，表5對應節(jié)點0的顯著性因素為A （隔磁墊片d1），高度顯著性因素為B （隔磁墊片d2）和F （磁間隙D。對應備節(jié)點的顯芳件岡累如表b所示。實例中GA（ai=G； （0.05）=4.251 G： （0.01 ）=&02,壷6 6異著性因策分析袤1ub,61ub,6 RemarkRemark ableable fsv(onfsv(on analysisanalysis tflblctflblc喊合試念討的心”1 1的G G置ViVi 5p-uu(dttp-uu( forceforce corrrpondEn)corrrpondEn)： t

17、hrthr brslbrsl vrhcnMvrhcnM u u ndnd 驚pritipriti牡 cluar*ettrtliccluar*ettrtlic4 結論(1 )影響永磁繼電器極化磁系統(tǒng)設計質量的關鍵參數(shù)主要有隔磁墊片di、d2、d3、d,磁氣隙D及極面寬度ho(2)應用正交實驗設計法對永磁繼電器極化磁系統(tǒng)進行 參數(shù)優(yōu)化設計，是在考慮其零部件加工工藝分散性和產(chǎn)品質量 輸出特性一致性的情況下完成的。所以本研究可以使永磁繼電 器產(chǎn)品的質量特性具有很好的穩(wěn)定性。參考文獻1田振華，謝春，田彥(Tian Zhenhua , Xie Chun , Tian Yan).利用正交實驗法優(yōu)化滾動軸承故

18、障診斷參數(shù)(The optimization of the failure diagnosing parameters for rollingbearing of orthogonal testing) J.吉林工學院學報( Journal of Jilin Institute of Technology) , 1998, 19(2)： 32-35 .2 畢成( Bi Cheng )正交實驗自動設計的實現(xiàn)及其在繼電 器優(yōu)化設計上的應用( Orthogonal test automatic design an d its application to optimun design of relay) J 機電元件( Electromechanical Components )， 2002，22(1) ：6- 93 Lu Hsiao-feng ，Kumar P V ，Chung HabongOn orthogon al desi