极化磁系统参数优化设计方案技巧的研究

1、极化磁系统参数优化设计方法的研究摘要 ：永磁继电器是一种在国防军事、现代通信、工业自动 化、电力系统继电保护等领域中应用面很广的电子元器件，其 极化磁系统的参数优化设计是实现永磁继电器产品可靠性设计 的前提工作之一。该文采用六因素三水平多目标的正交实验设 计方法，分析并研究了极化磁系统的参数优化设计方法。在永 磁继电器产品设计满足输出特性指标要求的前提下，给出了输 出特性值受加工工艺分散性影响而波动最小的最佳参数水平组 合。1 引言 具有极化磁系统的永磁继电器具有体积小、重量轻、功耗 低、灵敏度高、动作速度快等一系列优点，是被广泛应用于航 空航天、军舰船舶、现代通信、工业自动化、电力系统继电保

2、 护等领域中的主要电子元器件。吸力特性与反力特性的配合技 术是电磁继电器产品可靠性设计的关键技术。在机械反力特性 及电磁结构已知的情况下，如何对电磁系统进行参数优化设 计，使得在保证输出特性值满足稳定性要求的前提下，电磁系 统的成本最低，这是继电器可靠性设计必不可少的前提工作之由于极化磁路的非线性及漏磁的影响，使极化磁系统的输 出特性值（吸力值）与磁系统各参数水平组合之间存在着非线 性函数关系。在各种干扰影响下，各参数存在一定的波动范 围。当各参数取不同的水平组合时，参数本身波动所引起的输 出特性值的波动亦不相同。由于非线性效应，必定存在一组最 优水平组合，使得各参数波动所造成的输出特性值的波

3、动最 小，即输出特性的一致性最好。极化磁系统参数优化设计的目 的就是要找到各参数的最优水平组合（即方案择优），使得质 量输出特性尽可能不受各种干扰的影响，稳定性最好。影响永磁继电器产品质量使其特性发生波动的主要干扰因素有： 内干扰（内噪声），是不可控因素，如触点磨损、老 化等； 外干扰（外噪声），亦是不可控因素，如环境温度、 湿度、振动、冲击、加速度等； 可控因素（设计变量）加工 工艺的分散性等。其中前两种因素均与产品实际使用环境有 关，这里暂不予考虑，本研究只考虑后者对产品质量特性波动 的影响。正交实验设计法是实现参数优化设计的重要手段之一，以 往人们在集成电路制造工艺、电火花成型加工工艺、

4、轴承故障 诊断等方面得到了很好应用 1-4 ，但大多是采用单一目标函数的 正交实验设计。文献 2 应用正交实验设计法对永磁继电器磁钢 尺寸进行了参数优化设计，但没有采用正交实验设计法对永磁160AT继电器极化磁系统进行整体优化设计。本文以桥式极化磁系统为例，采用六因素三水平多目标正交实验设计法对永磁继电器极化磁系统进行参数优化设计。2极化磁系统吸力特性计算数学模型图1为某型号永磁继电器的极化磁系统结构简图及其简化等效磁路。轄.（V V魚 p p時蜡通：乩.% a. -1-1 irir tfrifiRitfrifiRi j j /W/Wft.佻心崛用】隔 K 總愦碼阳：住】卷效呱fflffl 1

5、 1极化晞系统结粕禰圈及暮籌效船蛊r r i.1i.1 CorbtruclkCorbtruclk andand rqukalrnlrqukalrnlcinruilcinruil 吋polflriMdpolflriMdSjslcilSjslcil）1 1 feWkW3feWkW3 : : ”娇也丹华片上I I吨繳; 4 4小极血晟ifetSLifetSL s-naus-nau； b b致MI裡比毋為氓附化姑构TI.钗州也;国出FL的背血蔓蹿r】篦朋处卩卍“加為+区R、抵* & i* - 1- - JV其中a为极面长图1所示的桥式极化磁系统的等效数学模型为（灼 + 禺 + /U 金-% - 2 =

6、 m 彳皿十/e严&, +心划-R風-忑佻人度；b为大极面宽度；h为小极面宽度；doi、d 02、d 03、do4为各垫片到衔铁的气隙长；di、d 2、d 3、d 4为垫片厚度通过求解式（1）得到磁通F）、Fi、F2，然后求出通过各气隙 磁阻的磁通，代入麦克斯韦方程求出各气隙处的吸力矩，最后 得到总的电磁吸合力3基于正交实验设计法的极化磁系统参数优化设计3.1概述本文以图1所示继电器极化磁系统为例，研究采用正交实 验设计法对极化磁系统进行参数优化设计。正交实验设计的核心问题是要解决主要影响因素的选取和 输出特性目标的确定。对于图 1所示极化磁系统，其影响吸力 特性值的磁系统主要影响因素（以下称

7、为可控因素）有 6个， 即6个设计参数：影响吸合的隔磁垫片 d1和隔磁垫片d2，磁气 隙D；影响释放的隔磁垫片 d3和隔磁垫片d4,吸合极面（小极 面）宽度h。可控因素的选取由工程经验和理论分析共同决 定。每个可控因素设三个水平，各水平公差为误差因素，由加式中工工艺能力及相应公差标准给出。每个水平设对称公差，不考 虑交互作用，进行六因素三水平多目标正交实验设计。为了保证吸合状态、释放状态及其配合状态的可靠性，在 反力特性曲线上不同节点的目标特性是不同的，即5个节点有6个目标特性。在吸合电压下，电磁吸力信噪比分析在节点0处采用望目特性，在节点 2、4处采用望大特性；在释放电压 下，电磁吸力信噪比

8、分析在节点 4处采用望目特性，在节点 1、3处采用望小特性，见图 2。曲2触K系统反力特性FiFi币2 2 SpringSpringofof 药prinprin）：）： sisienisisieni3.2制定可控因素水平表对于图1所示的极化磁系统，其 6个可控因素分别用符号 A B、C、D E及F来代替，并各取三水平。可控因素水平表 示于表1。毘昭系统可控因議水平聶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内设计对可控因素水平表设计实验方案，称为内设计，相应的正交表称为内表问。根据内表中每种方案各目标函数的信噪比， 可以判断各方案抗干扰能力的强弱。本研究选用Li8（21X 37）作为内表，其含义为1因素2水平、7因素3水平正交表，共做1

10、 8次实验，实验方案见表2。a J蹩昭斥規试进甫盧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却|lT|lT2 2n n.1.1j j珂刖n n绑TJTJ I Iinin.*oanI.*oan表 3 中的 A、Bn、G、D、En、Fn （n=1,2,18 ）分别对应内表中各可控因素的水平值。3.5夕卜设计对误差因素水平表设计实验方案，称为外设计，相应的正 交表称为外表（示于表 4）。本研究选用Li8（2 1 X 3）作为外表进 行外设计。由于 A、B、G、D、En、Fn分别取内表中的

12、 No.1No.18中的水平值，所以误差因素水平表3和实验外表4各有18张。本文以表2实验方案1为例，分别在吸合安匝、释放安匝下计算各节点对应的吸力值 Fi，填入外表4中。下:(1)望目特性的信噪比为3.6SN比计算信噪比计算是正交实验设计法中方差分析的重要环节。对应不同目标特性的 SN比计算公式如表，按照上述公式求出各节点对应的信噪比对每张实验外h填入与该外表4相对应的内表（表2）中。如根据式（2）（4），由表4数据可计13式中=n为外表对应试舲次数（n=lX*算出第一种方案各目标节点的信噪比 h值示于表2的第一行中。3.7内表的统计分析对每一节点按照下列公式分别计算总波动平方和Sr及其自由

13、度fr、各列波动平方和 S及其自由度fj、误差引起的波动平 方和Se及其自由度fe，分别填入方差分析表5中。* rT-5, =*7/ -CT cr -T=T= 2/7,: =1（V+7/+7f）Q , f f严LhLh门戶式中 r为各可控因素水平数；Ti、T2、T3为每一列各水平下的部分和；m为可控因素个数。观合欢态下节点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表示误差因素；S=S+S不显著因素波动平方 和（即远小于误差因素波动平方和 Se的某因素波动平方和）；f e=fe+S不显著因素自由度（与不显著因素波动平方和相对应的 该因素自由度）。对应吸合状态和释放状态下的 6

15、个节点（目标），共可得到6张与表5相类似的方差分析表。在方差分析表中：（1）方差V等于波动平方和除以自由度，即平均波动。（2）G值是两个方差V与W之比，通常将不显著因素的波动平方和与误差波动平方和进行合成（3）进行显著性检验：倘若 G值较大，则认为所对应因素影响由此可知，从稳相对于实验误差的影响来说是显著的，否则认为不显著验方法有时会产生误判，为此必须预先扌旨迟这种谋判的概率金趙过小II fa（kaG（a）t则判宦该因素影响显苗 若GWG；：gh则判定该因素影响不显祐aift 0.05 或OG,并规定：肖 G0：（O.O1时樓 凶索高度晁著记为（G；：（ao】p 00（05 时.该因素显著,记

16、为U）：当06（0 05）时, 该因索不晁忑.定性的角度看，表5对应节点0的显著性因素为A （隔磁垫片d1），高度显著性因素为B （隔磁垫片d2）和F （磁间隙D。对应备节点的显芳件冈累如表b所示。实例中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喊合试念討的心”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 结论(1 )影响永磁继电器极化磁系统设计质量的关键参数主要有隔磁垫片di、d2、d3、d,磁气隙D及极面宽度ho(2)应用正交实验设计法对永磁继电器极化磁系统进行 参数优化设计，是在考虑其零部件加工工艺分散性和产品质量 输出特性一致性的情况下完成的。所以本研究可以使永磁继电 器产品的质量特性具有很好的稳定性。参考文献1田振华，谢春，田彦(Tian Zhenhua , Xie Chun , Tian Yan).利用正交实验法优化滚动轴承故

18、障诊断参数(The optimization of the failure diagnosing parameters for rollingbearing of orthogonal testing) J.吉林工学院学报( Journal of Jilin Institute of Technology) , 1998, 19(2)： 32-35 .2 毕成( Bi Cheng )正交实验自动设计的实现及其在继电 器优化设计上的应用( Orthogonal test automatic design an d its application to optimun design of relay) J 机电元件( Electromechanical Components )， 2002，22(1) ：6- 93 Lu Hsiao-feng ，Kumar P V ，Chung HabongOn orthogon al desi