[发明专利]一种基于遗传算法和ANSYS仿真的磁通变换器的优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及磁通变换器的优化设计领域，具体涉及一种基于遗传算法和ANSYS仿真的磁通变换器的优化设计方法。

背景技术

随着嵌入式微处理器技术的发展，越来越多的数字化控制器引入到了传统的低压电器中。在新型的低压电器中，一般通过电流互感器来感应信号，通过微处理器来分析判断，最后通过磁通变换器来驱动低压电器的触头或机构，实现低压电器的断开或跳闸。因此，磁通变换器起着传统低压电器机构与新型的数字化控制器的信号传递作用。

如图1所示，为一个典型的磁通变换器。包括有一个U型带两边对称固定爪的磁轭2，磁轭中装有线圈骨架3、顶杆4、线圈5，永磁体1被固定于U型磁轭2和线圈骨架3的一部分之间。线圈骨架3内还装有，并有设计有一台阶孔防止顶杆4脱出。顶杆4装有、卡簧8以及缓冲垫7。

图1所示状态为磁通变换器处于吸合状态，顶杆收到两个方向相反的力，分别为永磁体对顶杆的吸力和弹簧对顶杆的斥力，在吸合状态下，永磁体的吸力大于弹簧的斥力，从而使顶杆吸附在永磁体上。当线圈通电时，线圈中会产生一些磁通，对顶杆产生一个与弹簧斥力方向相同的力，当线圈对顶杆的斥力和弹簧斥力的合力大于永磁体的吸力的时候，顶杆弹出，推动相应的脱扣执行装置。

如图2所示，为磁通变换器及驱动电路的相互关系示意图。虚框表示驱动电路。该驱动电路的作用是接受来自微处理器的信号（高电平：5V/3.3V，低电平：0V），然后通过对电容的充放电，实现对磁通变换器的控制。驱动电路的稳定性和可靠性，关系整个磁通变换器，甚至整个低压电器的性能。对于磁通变换器的驱动电流，要求其抗干扰，电路稳定性高；动作可靠性高；动作迅速；磁通变换器不长时间通电；控制方法简单，不独立占用MCU的资源。

如图3所示，为磁通变换器的典型驱动电路。复位芯片的电源端与微处理器的（I/O）口相连，正常工作时，I/O口输出低电平，复位芯片（IC1）输出为低电平，MOSFET管（Q1）不导通，直流电源对电容进行充电。当发生故障时候，I/O口输出高电平（5V），复位芯片（IC1）输出240mS的高电平（5V）脉宽，MOSFET管（Q1）检测到>3.5V的电压即导通，从而使电解电容(C2)对磁通变换器进行供电，磁通变换器动作。

由图3可知，在磁通变换器确定的情况下，电容C2的容值、电容C2两端的电压、放点电阻R1直接决定流过磁通变换器线圈的电流，也直接决定了磁通变换器的动作时间和磁通变换器的性能。

在给定的R、C和U值以后，可以确定一个磁通变换器的动作状态。需要对磁通变换器进行大量复杂的磁场、电场和运动场的计算。工程上通常的做法是，对磁通变换器给定电流和气隙，计算磁通变换器动铁心的受力情况。然后分析磁通变换器的动作过程。

经过对磁通变换器工作原理图进行分析，整个动作过程可以分为两个阶段：在第一阶段，随着电容放电电流i的逐渐增大，产生的磁通逐渐削弱永磁体产生的磁通，因此动铁芯所受的电磁力Fm逐渐减小，但是此时，所以动铁芯保持静止状态，该阶段结束时间长度为t₁。耦合线圈电路方程，得到如下的动态方程组：

(1)

第二阶段是动铁芯的运动阶段，在这个阶段，动铁芯在合力的作用下脱离永磁体运动，结合线圈电路方程和动铁心的机械运动用牛顿力学进行分析，可以得到如下的动态方程组：

(2)

式中，

――是与线圈匝链的磁链；

――初始状态下弹簧的压缩力；

k――弹簧的弹性系数，。

通过对上述方程组，得到动态计算结果（顶杆最终速度v和动作时间t）。

工程现有做法是，不停的给定R、C、U通过计算得到动态计算结果，反复进行尝试。这样做，很难得到最优的结果。遗传算法是一类借鉴生物界的进化规律演化而来的随机化搜索方法。如果能将磁通变换器驱动电流的R、C、U作为输入，将动态计算结果（顶杆最终速度v和动作时间t）作为输出，运用遗传算法，将能够得到电路的最优参数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于遗传算法和ANSYS仿真的磁通变换器的优化设计方法，该方法有利于对磁通变换器进行优化设计，从而提高磁通变换器的动作性能指标。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于遗传算法和ANSYS仿真的磁通变换器的优化设计方法，具体步骤如下：