电磁起动器范文

电磁起动器范文（精选7篇）

电磁起动器 第1篇

关键词：双风机双电源,PLC自动切换,应用

0 引言

潞安矿业 (集团) 公司常村煤矿王村风井各采区工作面采用分区通风方式, 通风机为局部对旋轴流式通风机。为保证检修和突然断电不给工作面通风造成重大影响, 工作面配备主、备2台通风机。平时运行主风机, 当主风机因人为或故障停机时, 备用风机可以开启。但用传统的旧式真空电磁起动器来控制主、备风机的切换, 其外部接线方式非常繁琐, 所需设备数量众多, 自动化切换程度低。现以我项目部施工的北翼西轨大巷投入使用的新型双电源双风机自动切换组合式真空电磁起动器简单介绍其在掘进工作面风机供电系统中的应用。

1 传统风机供电系统的现状和存在问题

以前工作面的风机供电电源均采用的是传统的真空电磁起动器, 主、备风机分别引自不同回路的电源, 主风机电源从采区变电所分馈开关上引出后, 负荷侧接一台QBZ-200的真空电磁起动器作为控制主风机电机的总开关, 该开关的负荷侧再接两台QBZ-80的真空电磁起动器来直接控制主风机的一级电机和二级电机;而备用风机的电源引自工作面的动力总开关 (型号一般为QBZ-200) , 动力总开关的电源侧接一台QBZ-80的真空电磁起动器来直接控制备用风机电机。这样一来, 控制主、备2台风机就需要1台QBZ-200的真空电磁起动器和3台QBZ-80的真空电磁起动器。传统的QBZ-200型真空电磁起动器自身只具有过载、短路、漏电闭锁、断相、过压等保护功能, 要配合断电器、风电闭锁装置才能实现风电闭锁和瓦斯电闭锁功能, 而主、备风机切换功能也只是半自动化, 主风机停机后, 可以延时切换到备用风机模式运转, 但主风机可以恢复供风后, 要想从备用风机切换到主风机上还需人工切换。而采用新式起动器实现全自动化切换后, 将比人工切换的效率大为提高, 而且新式起动器自身就带有风电、瓦斯电闭锁功能。

2 双电源双风机组合式真空电磁起动器工作特征

QBZ-4×120双电源双风机组合式真空电磁起动器 (以下简称起动器) 作为一种对旋式风机, 在煤矿井下生产过程中得到广泛使用, 实现采掘工作面双风机双电源, 以主风机为主的风机自动切换装置。该起动器具有一体式的两个独立隔爆腔室, 检修时另一侧不带电, 进而在一定程度上可以实现不停机检修。采用SDB-F智能化电动机综合保护器对起动器实施保护, 采用先进的微处理器、高精度的数据处理及先进的保护算法对保护器进行处理, 进而在一定程度上具有保护精度高、反应速度快、操作直观简便的特点。对自动切换装置通过双DVP-14SS可编程逻辑控制器进行处理, 同时两台电机在一定程度上可以实现延时起动和切换, 一方面防止吹裂风筒, 另一方面降低了风机起动时对电网电压的冲击。

3 双电源双风机组合式真空电磁起动器结构

通常情况下, 起动器由隔爆外壳和本体两部分组成。其中, 左右两个独立的隔爆主腔组成隔爆外壳, 隔爆外壳的上部后面是进出线接线腔, 主、备机换相开关的操作手柄分别位于左右, 共有正、停、反三档, 紧急停止按钮设在换相开关的操作手柄的下面。开门时需要按下紧急停止按钮, 同时将手柄转到停的位置, 并定位槽内旋入联锁杆, 进而打开门。通常情况下, 前门为平移式快开门结构, 并且左右各有一转动手把, 抬起右侧手把向右转动为开左门, 反之为关左门。

4 外部电源供电设计

QBZ-4×120双电源双风机组合式真空电磁起动器的两个独立隔爆腔内电源侧的接线柱分接来自两路不同的电源, 分别控制主风机和备用风机。主风机的电源来自北翼西轨大巷附近的103采区变电所 (为北翼各工作面供电) “三专”变压器所带的分馈开关, 备用风机的电源来自103采区变电所动力变压器所带的分馈开关。这样就实现了“三专”和双风机双电源, 保证一台风机检修时另一台风机可正常运转且停电时互不影响。

5 双电源双风机组合式真空电磁起动器在生产中的应用

5.1 手动工作方式

把钮子切换到手动位置, 在STOP位置设置PLC开关。同时将主机起动按钮按下, 进而运行主机一级电机, 将主机停止按钮按下, 运行主机二级电机, 将主风机紧急停止按钮按下, 主停止运行风机一级、二级电机。

5.2 自动工作方式

5.2.1 在自动状态下, 主、备用风机电源正常, PLC工作正常, 首次起动, 主风机优先工作, 按下主风机起动按钮, 主风机一级电机运行, 延时4秒主风机二级电机运行, 备用风机处于备用状态。

5.2.2 当主机电源断开后, 延时4秒, 运行备用风机一级电机, 再延时4秒, 运行备用风机二级电机, 当恢复主机电源后, 停止运行备用风机, 延时4秒, 运行主风机一级电机, 再延时4秒, 运行主风机二级电机, 备用风机处于备用状态。

5.2.3 如果主风机发生故障, 那么主风机相应的故障指示灯就会显示变亮, 经过4秒的延时, 备用风机一级电机开始运行, 再经过4秒延时, 备用风机二级电机开始运行。这时, 对故障原因需要进行检查, 并且及时除故障, 然后按下备用风机的急停按钮, 确认已经排除故障, 然后再按下备用风机停止按钮。如果备用风机运行过程中, 发生瞬时停电, 停止运行备用风机, 延时4秒后, 运行主风机一级电机, 再延时4秒后, 运行主风机二级电机, 按下备用风机停止按钮, 进行相应的确认。

5.3

运行过程中, 如果主风机出现故障, 运行自定切向备用风机;如果没有排除主风机故障, 一直运行备用风机, 排除主风机故障后, 必须按下主机停止按钮进行确认, 排除PLC确认主机故障后, 备用风机停止运行, 运行自动转上主风机。

6 结语

QBZ-4×120双电源双风机组合式真空电磁起动器不仅具有传统起动器的一般功能, 更能独立实现风电闭锁、瓦斯电闭锁和主、备风机全自动切换, 符合煤矿安全规程对矿井局部通风要实现三专两闭锁和双电源双风机自动切换的要求, 将逐步成为矿建二、三期工程掘进工作面局部通风机供电设备的主流。

参考文献

[1]位长河, 朱德山.煤矿掘进工作面供风的“三专”、双机、双电源及自动切换[J].采矿技术, 2008 (11) .

[2]张星晃.煤矿井下主用、备用局部通风机单双日交替使用技术[J].科学之友, 2010 (12) .

电磁起动器 第2篇

煤炭是我国能源结构的基础,在一次能源生产和消费中占有重要地位。随着煤矿开采深度的不断增加,井下供电系统不断延伸,对井下供配电及用电设备的可靠性要求越来越高。电磁起动器主要由防爆外壳、隔离换向开关、接触器和保护装置组成,用于实现对低压电动机的控制和保护。煤矿井下三大保护包括过流保护、漏电保护和接地保护,其中,过流保护是指电磁起动器的电流超出额定值时的保护,包括短路保护、过负荷保护和断相保护。目前,过流保护试验调压过程采用手动调节,存在调节速度慢、调节精度低,稳定性差,过于依赖工作人员经验等问题,研究自动化调压系统属于煤矿电磁起动器过流保护检验技术领域研究的热点。

2 ATmegal16L单片机

煤矿电磁起动器过流保护检验装置调压系统选用AVR单片机为核心,该单片机是8 位处理器,功耗低、性价比高且功能齐全,单片机内部集成功能强大的硬件接口电路和存储空间较大的存储器。ATmegal16L的性能与MEGE系列高档单片机相似,由于采用DPI40模式的引脚封装结构,故其价格与其他低档单片机价格相当。ATmegal16L的优点如下:ATmegal16L单片机运行速度快,命令指令集结构简单,最高可以达到16 MIPS,在相同频率下是普通CISC单片机处理速度的10 倍;单片机内部集成频率可调的PWM脉宽调制信号模块,可以根据实际需要对输出信号的相位、频率进行调解;具有特定的中断程序允许位和不同的中断源,18个中断源可以独立工作,大幅度提升了系统的稳定性和安全等级;单片机内部具有大量非易失性数据、程序及工作存储器,能够满足系统的需求,并具有外部扩展功能;ATmegal16L单片机的端口驱动能力强,可以根据控制需求通过编程设置为输入/输出方向,大部分I/O口为既可以做通用I/O口,也可以作为第二功能方便与外部电路配合使用,同时I/O口的输出可以直接驱动大电流负载;ATmegal16L单片机的定时/计数器不仅具有常规的定时和计数功能,还能够实现信号比较、捕捉和调制输出,同时还可以实现时钟计算的功能。ATmegal16L单片机具有数字量与模拟量间相互转换功能,具有8 路标准10 位ADC转换端口。ATmegal16L单片机的程序一旦进入死循环可以通过看门狗电路复位,提高了系统的稳定性,为控制系统的安全提供良好保障。

3 控制系统设计

煤矿电磁起动器过流保护检验装置调压控制系统采用AVR单片机和MC33035 联合控制,结构框图如图1 所示,主要包括操作按钮、单片机、驱动芯片、位置检测单元、测速单元、PWM调制单元、整流单元、驱动电路、逆变单元、CAN通讯单元和保护单元,其中单片机用于采集和计算操作按钮信号、位置检测单元信号、测速单元信号,并发送控制指令;驱动芯片根据单片机的控制指令发送驱动信号,同时接收速度信号并反馈给单片机;测速单元采集位置检测电路信号,根据位置信号变化计算电动机转速;PWM调制单元用于调节控制信号占空比,实现对电动机运行速度调节;检测电路用于检测电机温度、电压和电流等信号,并反馈给单片机,实现对驱动电机主要运行参数实时检测和动态保护。

3.1 位置检测电路

霍尔传感器利用霍尔效应原理,根据外界磁场的变化输出高低电平信号。为了提高系统的实时性,满足高精度控制需求,煤矿电磁起动器过流保护检验装置调压控制系统选用三只锁存型霍尔传感器检测电机转子位置,霍尔传感器固定在霍尔盘上,其在不同磁场下输出特性曲线及空间分布结构如图2、3所示。

当该霍尔元件置于N极(或S极)时开启,磁场移除后继续保持开启,只有当置于S极(或N极)时才会关闭,磁场移除后继续保持其开启或关闭状态,直到下次磁场改变。霍尔传感器感应外界磁场变化反馈给控制芯片不同的信号,控制芯片计算电机转子位置并输出不同的控制信号确定IGBT管的导通顺序,驱动电机按照需求持续运转,直到接收到停止指令。

3.3 电流检测

为了保证控制系统的安全,避免电机绕组电流过高超过IGBT所承受的电流值,必须对绕组电流进行实时检测。串接分压电阻法成本低、结构简单,但系统工作过程中,电阻的温漂现象将影响检测的精度。霍尔电流传感器基于磁平衡原理制成,通过测量霍尔电流的大小实现对载流体电流的准确测量,具有结构简单、测量精度高、抗干扰能力强等优点。因此采用高精度的霍尔电流传感器对绕组的电流进行实时检测,霍尔电流传感器连接图如图4 所示。电流传感器输出的信号较弱,通过运算放大器对信号进行放大处理,然后接入A/D转换芯片将模拟信号转变为单片机可以识别的数字信号传递给ATmegal16L单片机。

3.3 CAN通信电路

由于ATmegal16L单片机内部没有CAN通讯控制器,在使用CAN通讯技术时必须采用外部控制模式。SJA1000 为独立控制器,能够实现移动目标和CAN总线网路之间通讯,故选择SJA1000 作为CAN控制器。SJA1000 与CAN物理总线之间通过一个隔离收发器CTM8251T相连接,数据经过SJA1000的串行数据输入RX和串行数据输出线TX与隔离收发器CTM8251T之间相互传输,CTM8251T通过具有差动发送和接收功能的两个总线端CANH和CANL连接到物理总线。为了提高系统抗干扰能力,保证数据传输的可靠性,在CAN通讯网络的两端并联一个阻值为120 Ω的电阻,CAN总线接口的电路图如图5所示。

3.4 软件程序设计

煤矿电磁起动器过流保护检验装置调压控制系统采用模块化设计思想对调压控制系统软件程序进行编译、调试,首先设计控制系统主程序,用于实现AVR单片机的初始化、控制指令接收与发送、系统运行状态检测、反馈信号计算与处理及电机制动等,然后设计CAN总线的通讯部分程序,包括CAN通讯硬件电路初始化、SJA1000 控制器复位、接收CAN信息帧与解析、数据帧发送等,最后将各个部分程序整体联合调试,主程序流程如图6所示,CAN通讯程序流程如图7 所示。

4 结论

伴随“机械化换人、机器人作业、自动化减人”科技强安专项行动的开展,对煤矿电气产品及其检验装置的稳定性和自动化水平提出了更高的要求。煤矿电磁起动器过流保护检验装置调压控制系统能够根据控制指令要求调节电动机速度,实现对检验装置电流的平稳调节,同时具有实时检测系统故障和保护功能。

参考文献

[1]刘卢杰.机械自动化在煤矿中的应用[J].煤炭技术,2014,(3):106-108.

[2]岳云涛,徐志勇.矿用多电平高压变频器的研究[J].煤炭工程,2013,45(5):112-113,117.

[3]张红奎,刘爱民,杜春梅,等.高压断路器永磁无刷直流电动机机构伺服控制系统的设计[J].组合机床与自动化加工技术,2013(8):80-83.

[4]孔庆宇.新型矿用高压漏电保护装置硬件设计[J].煤矿安全,2015,46(5):121-123.

矿用汽车起动机电磁开关的防爆研究 第3篇

关键词：汽车电磁开关,电弧,隔爆外壳

0 引言

随着国家对能源需求量的加大, 煤矿开采量大幅提升, 浅层煤量已经很难满足需求, 为满足能源的需求, 要求煤矿开采逐渐向深层进展。采集地离地面距离越来越远, 工人进入采集区就要由专门的运输汽车送达目的地。然而, 随着开采距离的增加, 矿用汽车在矿井中行使的距离必然会增加, 矿井中存在着可燃可爆性的气体, 汽车行驶中产生的电火花或者高温部位遇到可燃气体就会发生爆炸, 所以汽车防爆不容忽视。

1 矿用汽车起动机工作原理

图1为起动机电磁操纵结构示意图。启动时, 接通启动开关, 启动继电器线圈通电产生磁吸力, 从而继电器触电闭合。触点12闭合, 即接通了吸引线圈、保持线圈的电路电流, 在电磁作用下, 铁芯左移带动小齿轮与飞轮齿圈啮合。由于吸引线圈电流同时也经过电动机磁场绕组, 电动机电枢旋转, 所以啮合过程是在旋转中进行的, 减小了对飞轮齿圈的冲击;然后接触盘将线柱3、线柱10接通, 起动机开始启动发动机, 在保持线圈产生的磁吸力下铁芯保持在左位 (此时吸引线圈被短接) 。启动后, 松动启动开关, 继电器电路断电, 磁力消失, 在回位弹簧的作用下, 铁芯回位, 起动机电路断开, 齿轮退出啮合。

2 矿用汽车起动机引起爆炸的原因

防爆电气在矿井下工作, 引起爆炸的因素很多, 其中主要是电气设备在运行过程中产生的火花和高温。在起动机电磁开关的结构中, 最容易发生故障和最可能产生危险的部位就是动、静触头的接触处。起动机电磁开关断开电路时, 触头在断开的瞬间形成热电子放射, 使空气中的自由电子增多, 这些自由电子在一定的电场作用下, 以极高的速度运动, 使空气发生电离作用而变成导体, 于是, 在触头断开时便产生电弧。

1启动继电器;2起动机;3起动机蓄电池接线柱;4接触片;5吸引线圈;6保持线圈;7铁芯;8驱动杠杆;9小齿轮;10电动机接线柱;11启动开关;12启动继电器触点;13启动继电器线圈

试验证明, 当在大气中开断或闭合电压超过10 V、电流超过0.5 A的电路时, 触头间隙 (或称弧隙) 中会产生一团温度极高、亮度极强并能导电的气体, 称为电弧。由于电弧主要产生于触头断开电路时, 高温将烧损触头及绝缘, 严重的甚至引起相间短路、电器爆炸, 酿成火灾, 危及人员及设备的安全。另外, 电磁开关的接线端也可能发生短路的故障, 在短路电流忽然增大时, 其瞬间放热量很大, 大大超过线路正常工作时的发热量, 不仅能使绝缘材料烧毁, 而且能使金属熔化, 引起可燃物燃烧发生火灾。

3 电磁开关的防爆措施

3.1 电弧的处理

首先要采用隔爆式电磁开关进行隔爆处理。在电磁开关上加一个隔爆外壳, 把可能产生火花、电弧和危险温度的电气部分与周围的爆炸性气体混合物隔开。但是, 这种外壳并非是密封的, 周围的爆炸性气体混合物可以通过外壳的各部分接合面间隙进入开关内部。当与外壳内的火花、电弧、危险高温等引燃源接触时就可能发生爆炸, 这时开关内的隔爆外壳不仅不会损坏或变形, 而且爆炸火焰或炽热气体通过接合面间隙传出时, 也不能引燃周围的爆炸性气体混合物。

根据上面的分析, 汽车启动开关可能引起爆炸的部位在动、静触头接触的地方, 该处可能产生强烈的电弧, 所以要进行灭弧处理。现在已有的灭弧装置中, 使用效果最好也是最常用的是真空灭弧室。真空灭弧室的外壳可用玻璃或陶瓷绝缘材料制成, 内部的真空度通常在10 Pa以上。由于壳内的空气少, 触头开距可以做得很小, 电弧也较容易被熄灭。

3.2 电磁开关接线箱的改造

在汽车电磁开关中可能引起爆炸的部位还有开关外面引线的接线柱处。根据电机接线盒的防爆原理, 在电磁开关的防爆外壳中同时制作一个隔爆接线箱, 使外壳又分为接线箱和主腔两个独立的隔防爆部分, 分别起到防爆的作用。外壳上的两个接线腔的引入装置分别用于引入、引出电缆, 引入装置采用的是压紧螺母式电缆引入装置。压紧螺母式电缆引入装置依靠压紧螺母的拧紧, 压缩弹性密封圈, 使弹性密封圈在轴向缩短的同时产生径向膨胀, 从而与连通节和电缆紧密结合, 产生压紧密封作用。在新防爆电气标准GB3836-2000中要求密封圈压紧密封后, 密封的最小轴向尺寸应满足火焰通路的最小长度要求。接线腔的外壳与上盖之间采用的是止口隔爆结构, 并且用螺纹固定。防爆接线盒结构示意图见图2。

3.3 开关拨叉连杆的设计

开关拨叉连杆与内端盖轴孔是移动的隔爆接合面, 其隔爆间隙要比静止隔爆接合面稍大些。由于设备在矿井下运行条件较差, 隔爆间隙容易因为隔爆接合面磨损或锈蚀而增大, 从而失去了隔爆性能。为了恢复其隔爆性能, 可对拨叉连杆轴进行修复。轴的修复方法较多, 可采取喷涂、电镀等方法来增加其外径, 但此法设备复杂, 而且费工费时, 而轴一般情况是不允许电焊的, 因为电焊温度较高, 对轴的强度有所影响, 为此最好的办法是在轴的隔爆面上镶一个钢套。

4 结束语

本文根据矿井中引起电气设备爆炸的原因, 对工作在矿井中的运输汽车的起动机电磁开关进行了分析, 找出了容易产生爆炸的部位, 并且对其进行了相应的防爆改造, 在很大程度上减少了产生爆炸的概率。

参考文献

[1]中国标准出版社.防爆电器标准汇编[M].北京:中国标准出版社, 2006.

[2]国际机械工业委员会.防爆电机电器产品样本[M].北京:机械工业出版社, 1988.

[3]王文义.防爆电器技术及应用[M].哈尔滨:黑龙江科学技术出版社, 1985.

带磁流体的电磁驱动器特性分析 第4篇

电磁驱动器作为常见的电-机械转换装置, 是许多自动化设备的必备部件。其吸力、响应时间以及其尺寸和重量都对自动化设备的性能起至关重要的影响, 故很有必要对其加以研究改造。目前随着制造技术的不断发展, 以新型功能材料为基础的电磁装置的研制开发, 使吸力更大, 尺寸更小的电磁驱动器的出现和应用成为现实。

磁流体又称为磁性液体, 是一种由直径为纳米量级的磁性固体颗粒、基载液以及表面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶体溶液。由于其即具有液体的流动性, 又具有固体磁性材料的特性, 已经广泛应用于密封、减震、声音调节等领域[1]。

本文将磁流体添加于电磁驱动器的工作间隙中, 以增大电磁驱动器电磁吸力或者减少线圈匝数进而减小装置尺寸。由于磁流体拥有行对于空气更大的磁导率[2], 故加入磁流体的电磁驱动器的磁路效率会提高, 进而增加了输出力。相对而言, 同样输出力的加入磁流体的电磁驱动器相对于传统电磁驱动器拥有更少的线圈匝数 (电流相同) , 故能达到减小装置尺寸的目的。

1 结构及工作原理

加入磁流体的电磁驱动器结构如图所示, 主要由线圈、衔铁以及轭铁组成。线圈通电后, 在衔铁和轭铁以及之间的工作间隙中形成磁路[3]轭铁与衔铁之间产生吸力, 驱动衔铁动作。由于磁流体的磁导率大于空气磁导率, 因而在工作间隙中加入磁流体后, 电磁驱动器磁路的磁效率大大增加, 进而提高了吸力。

2 电磁驱动器的数学模型

运用麦克斯韦吸力公式[4]计算电磁力为:

式中:u0为工作间隙介质磁导率, S为工作间隙横截面积, Φ为工作间隙磁通。

由定义得:

式中:N为线圈匝数, I为工作直流电流, R为磁路的总磁阻。

采用磁路分割法[5], 由电磁驱动器结构得出, 总磁阻可分为三部分:轭铁及起始位置衔铁磁阻和R1, 随着衔铁移动衔铁磁阻增加值R2以及工作间隙的磁阻R3, 即:

由磁阻定义得:

式中:l2为衔铁位移, l3为工作间隙长度, u2衔铁导磁率, u3为工作间隙导磁率, 则有:l2=x, l3=g0-x, s2=s3=s, u3=u。

联立式 (1) — (4) 得:

由此式可得电磁力与介质磁导率的关系图以及在相对磁导率为1、5、10、15、20时, 电磁力随衔铁位移的变化图。

由图2、图3可得知随着工作间隙中介质的相对磁导率的增加, 电磁力也随之近似线性增加, 且在衔铁在运动过程中, 电磁力增加更加平稳, 机械冲击更小。

4 动力学分析

4.1 动力学模型

在衔铁与轭铁之间的工作间隙中加入磁流体后, 衔铁会在运动过程中受到磁流体的反作用力FN以及Fu粘滞阻力。而在未加入磁流体电磁驱动器中, 由于空气的密度极小, 因而这一力可忽略不计。因此未加入磁流体的电磁驱动器和加入磁流体的电磁驱动器的衔铁动力学方程[6]分别为:

式中, Fc为负载, Fm为轭铁与衔铁的摩擦力, FN为磁流体对衔铁的压力, FU为粘滞阻力。

4.2 流体力学

由粘滞阻力公式[7]得:

利用能量守恒定律[8]建立如下方程:

即FN在时间t内所做的功等于所有流体的动能, 由图4可得, 在时间t为时所有流体的动能可分为A1区域流体的动能W1、A2区域流体的动能W2以及流出A2区域流体的动能W3, 故:

容易得出:

式中, λ为涡流能量损失弥补系数, ρ为磁流体密度, m4为A2区域磁流体质量, S4为A2区域横截面积。

联立式 (9) ——— (13) 得:

4.3 动力学方程

联立 (5) 、 (6) 得出未加入磁流体时的动力学方程:

联立 (7) 、 (8) 、 (14) 得加入磁流体后的动力学方程:

由上述微分方程可得未加入磁流体和加入磁流体后, 衔铁位移x随时间t的变化图:

由图6可得知当工作间隙中加入磁流体后, 电磁驱动器的工作时间会大大增加。

5 结论

电磁起动器 第5篇

电磁制动器作为电磁机构的一种,是根据电磁铁原理,利用电磁吸力将电能转化为机械能,从而达到制动效果的一种制动设备[1]。电磁线圈是电磁制动器电磁系统的重要组成部件,制动器的工作可靠与否,在相当大的程度上是由线圈结构和参数决定的,因此,对其参数进行合理的优化设计是十分必要的。

遗传算法是模拟自然进化过程搜索最优解的方法,其应用广泛[2],也是电磁优化中常用的方法[3,4],标准遗传算法存在收敛速度较慢,计算量较大等问题,特别是对于电磁优化这类复杂非线性问题的寻优,当搜索空间不能准确定位时,算法很容易陷入局部最优[5],或者浪费很长时间而得不到最优解。目前,对遗传算法的改进主要体现在交叉和变异的方法[6,7]及收敛准则、适应函数的描述[8]之上,而并未从实质上解决算法本身所存在的缺陷。

因此,本文提出个体拥挤度和搜索空间稳定裕度的概念来改进遗传算法,并用算例验证了改进的有效性。在对电磁制动器电磁系统进行研究的基础上,建立了电磁线圈参数优化的数学模型,利用改进遗传算法对其进行优化,得出合理的电磁线圈参数,并与采用一般标准遗传算法的结果进行了对比。

2 遗传算法的改进

针对标准遗传算法在实际应用中常常出现收敛速度慢和“早熟”现象[9]等问题,在种群进化过程中对个体进行拥挤度计算,生成与适应值同一等级的拥挤度影响因子,并将其作用于适应值函数,得到个体新的适应值,显然这个适应值考虑了个体周围生存空间的大小,生存空间较大的个体(拥挤度较大,周围较不拥挤的个体)获得更大的生存几率,这样,个体的存活率不仅取决于其生存能力,还与其生存空间的大小有关,从而使种群以可能的最优解为中心分散地分布在其周围。

这种分散的分布是具有一定规律性,以多峰函数为例,在理想情况下,1)峰值点与其周围点:峰值点附近个体分布最密集,峰值两边随函数值的减小个体分布密度逐次减少;2)峰值点与峰值点:峰值点函数值减小个体分布密度也随之逐次减少。

在遗传算法进化过程中,群体中适应度较低的一些个体被逐渐淘汰掉,而适应度较高的一些个体会越来越多,出现局部解空间中个体特别稀疏,甚至会没有个体的现象,称这些局部解空间为弱解空间,反之则称为强解空间[10]。利用基于稳定裕度的搜索空间收缩方法,形成新的强解空间,这样,种群前期的分布特性,增加了最优解存在于强解空间的概率,种群后期由于搜索空间的缩小,算法运行效率和搜索精度得以提高。

2.1 个体拥挤度

一个种群中个体的与其所处种群中的密度有关[4],本文利用拥挤度来表示个体周围生存空间的大小。定义拥挤度为个体前后最邻近两点的距离占种群跨度的比值,在二维空间中,如图1所示个体i周围包含其本身但不包含其他个体的最小的长方形abcd即可表示其拥挤度,多维空间中可将每一维的比值相加得到该个体拥挤度。然后对个体按拥挤度进行排序,将其转换成与适应值等同的拥挤度影响因子,并作用于初始适应值,形成个体新的适应值。

2.2 搜索空间收缩

采用自适应遗传算法[10]可以得到强解空间,但收缩贯穿算法始终,降低了算法运行的效率。因此,本文利用搜索空间稳定裕度来判断搜索空间是否应该收缩。设第n次迭代搜索空间左右端点值分别为a和b,第n+1次迭代种群中最小和最大值分别为xmin和xmax,定义第n+1次迭代搜索空间稳定裕度为第n+1次迭代的极值与上一步搜索空间端点值的接近程度,可用式(1)表示。

对种群搜索空间进行收缩时,首先计算稳定裕度,其值大于给定阈值时,相应地对左端点或右端点进行收缩。否则,不对搜索空间进行收缩。

3 电磁制动器线圈优化模型的建立

3.1 电磁系统结构

(1)电磁系统的几何结构,图2表明,制动器电磁系统主要由激磁线圈、铁芯、挡铁、磁轭、颈圈等几部分组成,其主要参数尺寸如表1所示。

3.2 线圈优化数学模型

一般的优化设计问题数学模型包括优化变量、约束条件及目标函数三部分[11]。本文优化主要考虑的线圈结构参数包括:绕制线圈导线直径和线圈匝数[12,13],数学模型如下。

(1)设计变量,根据实际的设计问题,选取电磁导线直径dx、线圈匝数N为设计变量,并以下式表示:

(2)目标函数,根据设计问题所寻求的目标,可以得到该优化设计问题的目标函数。对于电磁线圈的优化设计选择以温升值τx(℃)为目标函数。其表达式为:

其中,KT为线圈的散热系数(W/m2℃),其值通常可取为KT=9.5～12.7之间[14],本文选取KT=11;ρx为导线电阻率(Ωm2/m);ft为线圈填充系数,指的是导体材料所占空间的截面积与线圈窗口截面积的比值;bx为线圈厚度(m),hx为线圈高度(m),均为设计变量的函数;I为流过载流导线的电流值(A),其值可由文献[15]中方法求得。将设计变量代入式(3),得到温升目标函数的表达式如下:

其中,α=4.95107、β=0.0106、γ=1.44410-5,且均为常数。

(3)约束条件,约束条件是设计方案所应满足的技术条件,本文在电磁线圈优化设计中的主要约束条件包括以下几方面:

(a)吸力约束,满足吸力要求,是电磁系统的基本要求,电磁系统在工作气隙为δ时的吸力F可以文献[16]中的方法求得,由于篇幅限制,本文不予赘述,则电磁吸力应满足不等式:

其中,Ff为系统反力,取δ=3mm时,其值约为500N,ν为安全系数,可取1.2。

(b)体积约束,根图2所示结构图,线圈厚度bx应小于或等于d2-bgj,其中bgj为线圈骨架厚度。

(c)磁密约束,为了使电磁系统在一般情况下不至于工作在高度饱和状态,电磁系统工作时,磁路中铁磁材料的最高磁密B不能超过磁密允许值Bmax值。

(d)线圈导线的电流密度约束,根据系统工作制时和导线材料不同,其容许的电流密度不同,设导线材料的容许的电流密度为jrx,则应满足下式:

其中,Ix为线圈电流,jrx取10A/mm2。

4 仿真结果分析

4.1 数学函数测试

本文以多峰函数f(x)=xsin(10πx)+2.0为例,对本文提出的改进遗传算法进行验证,并与标准遗传算法进行比较,种群大小NIND=100,最大迭代次数为MAXGEN=1000,代沟GGAP=0.9,变量的二进制位数PRECI=20,交叉概率Pc=0.7,变异概率Pm=0.1,编码方式为标准二进制编码,稳定裕度阈值dy0=0.01。

(1)拥挤度对种群分布影响的分析,图3是进化20代后,种群在搜索空间[1,2]的分布情况,由图可见利用拥挤度影响后的种群按照一定规律分布在可能的最优解周围,并根据目标值的大小依次减少。

(2)寻优结果分析,图4是进化1000代后,种群在搜索空间[-1～2]的分布,由图可见搜索空间收缩使种群分布在最优解周围的强解空间内。图5是进化过程中解及种群均值的变化,随着搜索空间收缩的完成,种群完全分布在强解空间内,种群均值高于标准遗传算法。

4.2 电磁线圈优化结果

采用标准遗传算法和改进遗传算法对电磁制动器电磁线圈参数分别进行30次优化。其参数设置相同,即种群大小NIND=200,最大迭代次数MAX-GEN=5000,代沟GGAP=0.9,变量的二进制位数PRECI=30,交叉概率Pc=0.7,变异概率Pm=0.1,编码方式为标准二进制编码。稳定裕度阈值dy0=0.01,优化仿真结果如表2所示。

电磁线圈参数优化后线圈温升有所降低,可以看出,在满足系统正常工作要求的前提下,优化后线圈不易被烧毁,使用寿命会有所延长,由于体积约束限制,本文得出的线圈体积也不会高于优化前线圈体积,显然,优化后的参数更加合理。

在运算当中跟踪进化代数,当优化解比较稳定时,认为已经找到最优解,记录下此时的进化代数,以此作为衡量算法收敛速度的指标,在30次优化计算中,标准遗传算法有12次陷入局部最优(目标函数值收敛于一个较大的值,即认为其陷入局部最优),其他收敛结果也不一致,最大值达到了54.6以上,平均收敛代数1452,平均收敛时间10.56h,本文改进遗传算法30次计算全部收敛,平均收敛代数354,平均收敛时间2.45h,且收敛结果相同。

5 结论

(1)提出基于稳定裕度的搜索空间收缩方法,得到种群的强解空间,提高了遗传算法的搜索精度,并有可能缩短群体进化过程;定义了拥挤度的概念,搜索空间收缩之前使种群以可能的最优解为中心分散的分布在其周围,最大程度地避免了因搜索空间收缩而陷入局部最优。仿真算例表明本文改进遗传算法有效、可行。

(2)采用改进遗传算法对电磁线圈参数进行优化,在满足系统正常工作的要求下,最大程度地降低了线圈工作时的温升,延长了制动器的使用寿命。与采用标准遗传算法优化的结果进行对比可以看出,本文改进遗传算法具有运行稳定、收敛速度快等优点,验证了改进遗传算法对电磁线圈参数优化问题的有效性。

本文改进遗传算法不仅在寻优精度方面具有优势,而且算法稳定,收敛速度快,对于约束条件复杂的非线性问题的寻优具有更大的优越性。

摘要：本文在标准遗传算法的基础上,提出基于稳定裕度的搜索空间收缩方法,提高了遗传算法的计算精度和收敛速度,定义个体拥挤度的概念,在搜索空间收缩前使种群按特定规律分布,最大程度地保证最优解包含在强解空间内。本文分析了电磁制动器电磁系统的结构及吸力计算方法,给出了电磁线圈参数优化的数学模型,并采用本文改进的遗传算法对其进行了优化,算例仿真表明,本文对遗传算法的改进有效、可行,对线圈优化后,其工作时的温升明显降低,制动器性能得到提高,和采用标准遗传算法进行优化获得的结果进行比较可见,改进遗传算法对于电磁线圈参数的优化问题具有寻优精度高,收敛速度快等优点。

电磁起动器 第6篇

起动机是汽车的关键部件,起动机电路出现故障会造成汽车无法起动,起动机电路的起动原理看似简单,但大多数有关的教材对其阐述都是轻描淡写,甚至含糊不清的,起动机起动过程是一个连续的动态过程,只有把这一过程分阶段再配以插图逐一说明,才能使读者快速容易地掌握其工作原理。

1.组成

电磁操纵式起动机电路由蓄电池、起动开关(通常起动开关与点火开关合为一体)、主开关接触盘、吸拉线圈(与电动机串联)、保持线圈(与电动机并联)、活动铁芯、复位弹簧、拨叉、单向离合器、飞轮等组成。(见图1)

2.工作原理

2.1起动前准备阶段

起动时,接通起动开关,蓄电池经起动控制电路向起动机电磁开关通电,其电路分为二路,一路为蓄电池正极(12V)→起动开关→保持线圈→搭铁接地(蓄电池负极),另一路为蓄电池正极→起动开关→吸拉线圈→起动机电枢→搭铁。此时,吸拉线圈和保持线圈磁场方向相同,活动铁芯在电磁力的作用下,克服复位弹簧的弹力向左移动,带动拨叉上端左移,拨叉下端驱动单向离合器右移,单向离合器小齿轮与飞轮开始啮合。这里需强调的是由于吸拉线圈和起动机电枢串联,虽然起动机电枢内有电流流过,但电流很小,起动电机是不转的。(见图1)

2.2起动进行阶段

当驱动小齿轮与飞轮齿圈接近完全啮合时,接触盘与接触点接通,当主开关接通后,起动机主电路接通,直流电动机产生强大的转矩,通过接合状态的单向离合器传给发动机飞轮,此时的电路为,蓄电池正极→接触盘→起动机电枢→搭铁,吸拉线圈由于线圈的两端等电位而断电,另一路仍为蓄电池正极(12V)→起动开关→保持线圈→搭铁接地(蓄电池负极),此时只有保持线圈有电磁力。(见图2)

2.3起动阶段结束前瞬时

起动开关断开时,起动控制电路断开,但电磁开关内吸拉线圈和保持线圈通过仍然闭合的主开关得到电流,其电流回路为,蓄电池正极→主开关→吸拉线圈→保持线圈→搭铁,另一路仍为畜电池正极→主开关→起动机电枢→搭铁,此时因吸拉线圈和保持线圈磁场方向相反,相互削弱。(见图3)

2.4起动阶段结束

由于在起动阶段结束前瞬时,吸拉线圈和保持线圈磁场方向相反,相互削弱,活动铁芯便在复位弹簧的作用下迅速回位,使驱动小齿轮与飞轮脱离啮合,主开关断开,起动机停止工作。(见图4)

3.结束语

汽车起动机的起动过程是一个动态的过程,图文描述再详细也是静止不动的图文资料,如果再配以视频动画演示这一起动过程,就会起到事半功倍的教学效果。

摘要：文章把汽车起动机电路的动态起动过程分解成起动前准备、起动进行时、起动结束前瞬时、起动结束后四个阶段分别进行了阐述,从电路组成、分阶段的工作过程配以通俗易懂的图片,作了全面详实的描述,是读者学习汽车电路值得收藏的资料。

关键词：汽车,电磁操纵式,起动机,电路组成,工作原理

参考文献

[1]杨智勇.汽车电器(第2版)[M].人民邮电出版社,2014.

[2]王爱国.汽车电器的构造与检修[M].人民邮电出版社,2011.

电磁起动器 第7篇

国内某公司生产的TK6916/L80数控落地镗铣床, 控制系统采用西门子840D数控系统, 主要应用于大型内燃机车机体等箱体类产品加工。原设计其垂直方向Y轴配有重锤铅块作为平衡装置, 为防止停机或故障异常导致主轴箱下坠危险, 伺服电机配置有电磁制动器, 制动器工作方式是在失电状态下要求有可靠的刹车性能;轴运行时要求处于释放状态, 使伺服电机处于正常运转状态。

1问题分析

2014年夏季, 设备偶尔发生Y轴伺服过载报警疑难故障, 根据信息提示, 我们对Y轴传动系统中的丝杠螺母副、导轨润滑系统、伺服电机、电磁制动器线圈等多方面进行检测分析, 未见异常, 通过对制动器电源进行在线实时监控, 发现制动器电源电压偶尔向下波动, 同时产生故障报警停机。由此确认因电压低于制动器允许最低电压时, 制动器工作电流过小, 电机处于制动状态造成过载运行。分析原制动器电气控制设计, 发现其设计采用开环控制方式:继电器吸合后, 控制系统不对制动器是否加载电压和通过电流进行检测。正是因为如此设计, 导致故障分析十分困难, 同时设备运行也存在安全风险。

2解决方案

针对制动器应用工况分析, 其故障主要分为两类: (1) 线圈电压过低或失电。 (2) 线路、线圈开路或短路。为了避免上述故障, 要求机床能在诊断系统异常时及时作出判断, 并显示报警。目前大部分数控机床都没有详细设计这一功能, 造成伺服故障维修过程漫长, 排查较困难, 严重时会使伺服电机损坏。本解决方案提出了制动器线圈电流闭环控制的解决方案:首先在刹车线圈回路上安装电流检测装置, 测量线圈的实时电流, 当电流波动超出设定的最小值时, 通过继电器触点给出信号。然后在PLC信号中编写相应轴的报警程序和报警文本信息, 准确给出报警;如果发生线路、线圈短路, 则由其电源短路保护装置 (熔断器、断路器) 进行保护。

3硬件设计: (以Y轴为例)

继电器选型

根据伺服电机参数表显示的制动器阻值、功率或电流参数, 选择电流继电器, 通常计算方法为:电流继电器量程取制动器额定电流的2.5~5倍。

硬件为主的设计方案

对于不太熟悉840DPLC编程调试或者更改PLC程序不太方便的情况, 可以采用以下简易的方案: (以Y轴为例) 通过电流继电器 (KI2) 驱动一个时间继电器 (KT2) , 取KT2的常闭触点接入Y轴的正/负向限位PLC输入点, 这样既可以避免误动作, 又可以保留报警记录, 电路如图1。

当Y轴在行程范围内出现限位报警时, 即首先排查制动器。

软、硬件结合的设计方案

在控制柜内找到制动器线圈的主回路, 将控制继电器KY2的输出端拆下, 串入电流继电器KI2。取KI2常开触点, 接入PLC输入点I32.0 (搜索PLC全部程序保证此输入点未使用) 。

4软件设计

报警号计算

PLC报警信号和报警号是西门子定义的, DB2.DBX18a.b对应700000及以后的信号, 报警号的计算公式为:

程序编写

在PLC中, 选取DB2中未使用的报警接口信号, 如DB2.DBX189.2, 对应的报警号为700075.编写如下PLC用户程序:

其中, Y45.2为Y轴制动器输出信号, T2为延时接通定时器, 将其作为条件可避免系统误报警。接下来调用FC10标准的子程序处理PLC用户报警接口信号:

编写报警文本

选择SERVICE▶DATA SELECTION▶MBDDEALARMTEXTS, 光标定位到该目录, 按DATA MANAGEMENT▶NEW, 输入报警文件名, 如ybrake.com。然后按以下格式输入文本:

(依次表示:报警号, 显示方式, 是否有帮助文档, 报警内容) 。如果要编写中文的报警文本, 则只能在计算机上编好后, 下载传入PCU50。

电流继电器的调试

根据伺服电机参数表显示的制动器阻值或电流参数, 计算出电磁阀正常工作电流I1, 调整电流继电器的下限电流至0.8倍I1位置, 然后打开制动器, 降低制动器电压至0.8倍额定电压, 观察是否能够正常输出报警。如果未正常动作, 则重新调整电流继电器直至符合要求。

5结束语