低压真空断路器双稳态永磁机构的研究

摘要

低压断路器是低压电器的重要产品，也是配电网的关键设备，其安全性和可靠性直接关系到用户的体验及电网的稳定性。本文研究了基于双稳态永磁机构的低压真空断路器，与其他类型相比永磁机构具有显著的优势，例如其结构简单、可靠性高、耗能低、智能化等诸多优点。同时真空灭弧室技术的完善和永磁机构的发展，实现了永磁机构的真空断路器在低压领域的应用。 本文阐述了永磁机构的结构形式和工作原理，对比分析了双稳态和单稳态永磁机构的优缺点，最终选择了圆柱形双稳态永磁机构作为低压真空断路器的操动机构。进一步分析了双稳态永磁机构的静态特性和动态特性，利用有限元仿真软件、电磁场有限元分析方法和田口方法等基本理论方法对其进行研究，这些原理和方法为下一步永磁机构的优化设计打下基础。 初步设计双稳态永磁机构的尺寸，主要利用双稳态永磁机构的等效磁路分析理论和电磁系统设计方法，以及双稳态永磁机构的工作原理和运动特性。利用已确定的参数在有限元仿真软件下进行建模仿真，进行动、静态特性仿真分析，对仿真结果进行研究，证明了初步设计的机构性能基本满足低压断路器所要求的机械特性，具有实际的可行性。 对永磁机构的整体性能进行优化设计。利用田口方法对双稳态永磁机构的结构尺寸进行优化设计和仿真验证，对比优化前后的结果，验证了优化后的机构体积减小；对激励线圈进行优化设计，应用了电容参数优化算法，通过有限元仿真软件验证了机构的速度特性满足设计要求。对优化后的双稳态永磁机构进行实验样机的试制，设计了适当的实验方案，搭建实验平台，在实际操作中验证了所设计的操动机构的性能，证明了优化后结构的合理性和可行性。

目录

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第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 低压真空断路器的发展现状

1.2.1 真空灭弧室的发展现状

1.2.2 永磁机构的特点及发展状况

1.2.3 低压真空断路器的应用前景

1.3 有限元分析的介绍

1.3.1 有限元法的介绍

1.3.2 有限元软件的简介

1.4 本课题研究的主要内容

第二章 永磁机构的结构和基本理论

2.1 永磁机构的主要结构形式

2.1.1 双稳态永磁机构

2.1.2 单稳态永磁机构

2.1.3 其他结构类型

2.2 永磁机构的工作原理

2.2.1 双稳态永磁机构的工作原理

2.2.2 单稳态永磁机构的工作原理

2.2.3 两种结构的对比

2.3 双稳态永磁机构的静态特性分析理论

2.3.1 研究静态特性的重要性

2.3.2 静态特性的计算方法

2.3.3 永磁铁模型的建立

2.3.4 磁场的计算模型

2.3.5 电磁吸力的计算方法

2.4 双稳态永磁机构的动态特性分析理论

2.4.1 研究动态特性的重要性

2.4.2 动态特性的计算方法

2.4.3 动态特性的数学模型的建立

2.5 本章小结

第三章 低压双稳态永磁机构的设计及仿真分析

3.1 等效磁路分析

3.2 低压双稳态永磁机构的电磁设计

3.2.1 电磁系统设计原则

3.2.2 电磁系统设计方法

3.2.3 动铁芯半径的设计

3.2.4 永磁铁尺寸的设计

3.2.5 激励线圈尺寸的设计

3.2.6 其他部件的设计

3.3 永磁机构的仿真分析

3.3.1 建立永磁机构有限元模型

3.3.2 低压双稳态永磁机构的静态仿真分析

3.3.3 低压双稳态永磁机构的动态仿真分析

3.4 本章小结

第四章 低压双稳态永磁机构的优化设计

4.1 基于田口方法的低压双稳态永磁机构的优化设计

4.1.1 田口方法的基本理论

4.1.2 田口方法的起源和原理

4.1.3 因子的选择

4.1.4 田口正交试验的设计

4.1.5 优化前后对比

4.2 驱动线圈的优化设计

4.2.1 驱动线圈导线线径和匝数的优选

4.2.2 电容参数的算法优化

4.3 本章小结

第五章 双稳态永磁机构的实验研究

5.1 实验方案和原理介绍

5.2 实验结果分析

5.3 本章小节

第六章 结论与展望

本文结论

今后工作展望

参考文献

攻读学位期间所取得的相关科研成果

致谢