一种电磁斥力机构结构优化设计方法

本发明涉及快速开关领域，特别涉及一种电磁斥力机构结构优化设计方法。

背景技术：

1、多端直流电网和柔性直流输电系统对直流断路器的性能有很高的要求，希望直流断路器能够在高电压、大电流下进行高速开断。为实现高速开断，目前“线圈-盘式”电磁斥力机构(cprm)广泛应用为直流断路器的操作机构，在直流开断场景下要求电磁斥力机构的运动行程逐渐增大，提高驱动性能的同时保证有较长的使用寿命。

2、因此在保证“线圈-盘式”电磁斥力机构(cprm)的长行程要求的同时，要尽量减小机构斥力盘在机构开断时所受的应力。避免cprm分闸时产生的电磁斥力过大，使其斥力盘损坏，机械寿命缩短。近年来，对于cprm的优化设计已经提出了很多方向，但目前cprm无法兼顾增大运动行程和减小斥力盘所受应力的要求。cprm在开断过程中斥力盘所受应力过大，会导致斥力盘损坏，影响了机构的使用寿命，但同时要保证cprm的驱动性能，实现机构的长行程要求，为了满足断路器的动作，在减小应力的同时需要增大机构的运动位移。但运动速度不应过大，否则斥力盘仍然会损坏。

3、cn113241267a公开的“一种快速分闸/合闸电磁斥力机构及快速分闸/合闸开关”，提供了一种快速分闸/合闸电磁斥力机构及快速分闸/合闸开关，快速分闸/合闸电磁斥力机构包括：传动杆；感应盘；斥力线圈，仅设一个，对感应盘产生分闸斥力或合闸斥力；电磁线圈，设有多个；分合闸过程中，电磁线圈中至少一个为加速线圈、至少一个为减速线圈，加速线圈仅在感应盘到达线圈的一半位置之前通电，减速线圈仅在感应盘到达线圈的一半位置时开始通电。该发明通过一个斥力线圈适应特定使用场合需求，满足只需要较高分闸速度或合闸速度的要求，可降低成本、简化结构。同时利用加速线圈对感应盘进行加速，缩短整体分合闸时间，在后期利用减速线圈对感应盘进行减速，避免速度过大而对灭弧室或操动机构本体产生冲击，保证使用寿命。

4、虽然该设计满足了提高机构分、合闸速度，减小速度过大产生冲击，保证使用寿命的要求，但比传统电磁斥力机构多设置了一个斥力线圈增加了快速机械开关的整体成本。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种电磁斥力机构结构优化设计方法，实现降低cprm所受应力、增大结构强度、满足长行程的多目标优化要求，提升快速机械开关的整体性能。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种电磁斥力机构结构优化设计方法，包括如下步骤：

3、s1、利用有限元软件对电磁斥力机构结构机构进行cprm仿真模型建立，对电磁斥力机构结构的结构参数进行单一化仿真；

4、s2、根据仿真分析结果，确定优化目标；

5、s3、采用box-behnken试验设计方法，设计选取试验样本，将试验样本导入cprm仿真模型中，进行相应计算得到两个优化目标的数值；

6、s4、建立lstm神经网络预测模型，将试验样本导入lstm神经网络预测模型，利用试验样本对lstm神经网络预测模型进行训练和测试；

7、s5、设置结构参数的约束条件，采用训练好的lstm神经网络预测模型对电磁斥力机构结构机构的结构参数进行优化，最终确定cprm优化参数组合。

8、优选的方案中，所述步骤s1中，电磁斥力机构结构的结构参数包括斥力盘高度h、斥力盘内径l、圆台半径r和倒角半径r四个结构参数。

9、优选的方案中，所述步骤s2中，选取斥力盘应力峰值σ和整体的最终位移s作为优化目标。

10、优选的方案中，所述步骤s4中，lstm神经网络预测模型拥有三个门，分别为遗忘门、输入门、输出门，输入门决定有多少新的信息加入到细胞当中，遗忘门控制每一时刻信息是否会被遗忘，输出门决定每一时刻是否有信息输出。

11、优选的方案中，所述步骤s4中，试验样本的百分之八十作为lstm神经网络预测模型的训练集，对模型进行训练，试验样本的其余部分作为测试集对lstm神经网络预测模型进行训练。

12、优选的方案中，所述步骤s5中，结构参数的约束条件如下：

13、斥力盘高度/mm：8≤x1≤14；

14、斥力盘内径/mm：8≤x2≤14；

15、圆台半径/mm：20≤x3≤35；

16、倒角半径/mm：5≤x4≤11。

17、本发明提供的一种电磁斥力机构结构优化设计方法，具有以下有益效果：

18、1、利用box-behnken试验设计样本点组，通过lstm神经网络进行预测对结构参数进行优化，调试其中的模型参数，使得输出的结果更加精确且达到优化的效果。

19、2、在满足约束条件的情况下，明显提高了机构的驱动性能，为直流断路器的开断要求提供了合理的机构参数。

20、3、解决斥力盘在运动过程中容易损坏使用寿命短、分闸运动位移短、驱动效率低的问题。

21、4、本发明的步骤一主要是将斥力盘在仿真中设置为柔性体模型，研究斥力盘在电磁斥力机构运动过程中所受的应力大小，从而利用优化算法对斥力盘进行优化使斥力盘所受应力减小，有效延长了斥力盘的机械寿命。

22、5、本发明的步骤二主要是分析斥力盘的每个结构参数对斥力盘所受应力和驱动阶段运动位移的影响，从而选出对电磁斥力机构驱动性能影响最大的四个参数。

23、6、本发明的步骤三～五利用优化算法对斥力盘的四个结构参数进行优化，在电磁斥力机构位移不减小的前提下，使斥力盘所受应力减小，有效延长了斥力盘的机械寿命。

技术特征：

1.一种电磁斥力机构结构优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种电磁斥力机构结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤s1中，电磁斥力机构结构的结构参数包括斥力盘高度h、斥力盘内径l、圆台半径r和倒角半径r四个结构参数。

3.根据权利要求1所述的一种电磁斥力机构结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤s2中，选取斥力盘应力峰值σ和整体的最终位移s作为优化目标。

4.根据权利要求1所述的一种电磁斥力机构结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤s4中，lstm神经网络预测模型拥有三个门，分别为遗忘门、输入门、输出门，输入门决定有多少新的信息加入到细胞当中，遗忘门控制每一时刻信息是否会被遗忘，输出门决定每一时刻是否有信息输出。

5.根据权利要求1所述的一种电磁斥力机构结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤s4中，试验样本的百分之八十作为lstm神经网络预测模型的训练集，对模型进行训练，试验样本的其余部分作为测试集对lstm神经网络预测模型进行训练。

6.根据权利要求1所述的一种电磁斥力机构结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤s5中，结构参数的约束条件如下：

技术总结
本发明提供一种电磁斥力机构结构优化设计方法，包括如下步骤：S1、利用有限元软件对电磁斥力机构结构机构进行CPRM仿真模型建立，对电磁斥力机构结构的结构参数进行单一化仿真；S2、根据仿真分析结果，确定优化目标；S3、采用Box‑Behnken试验设计方法，设计选取试验样本，将试验样本导入CPRM仿真模型中，进行计算得到两个优化目标的数值；S4、建立LSTM神经网络预测模型，将试验样本导入LSTM神经网络预测模型对LSTM神经网络预测模型进行训练和测试；S5、采用训练好的LSTM神经网络预测模型对电磁斥力机构结构机构的结构参数进行优化，最终确定CPRM优化参数组合。该方法实现降低CPRM所受应力、增大结构强度、满足长行程的多目标优化要求，提升快速机械开关的整体性能。

技术研发人员：丁璨,丁奕灵,王周琳,李进其
受保护的技术使用者：三峡大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/6