TRIZ理论在开关电器操动机构优化设计中的应用研究

徐卜一，袁海梅

(沈阳工业大学 a.电气工程学院；b.文法学院，沈阳110870)

双电源转换开关(automatic transfer switching equipment，ATSE)在配电系统中扮演着重要角色，被广泛应用于高层建筑、医院、机场、消防、纺织等重要用电场所。为保障双电源转换开关的稳定运行，其操动机构的稳定性至关重要，已成为该类开关电器研究领域的热点。在对一种用于双电源转换开关的三稳态操动机构的研究中发现，该操动机构作为动力装置会使开关电器的分闸过程产生震荡现象，对双电源转换开关的稳定运行产生严重影响。因此，消除该操动机构所引起的分闸震荡成为迫切需要解决的技术问题。

TRIZ(Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch)是前苏联科学家阿奇舒勒在海量专利的基础上所总结出的能够有效指导创新设计的理论和方法，TRIZ理论经过半个多世纪的发展，目前已经成为发明创造、解决技术问题的主要科学原理和理论方法[1-3]。学者S，EN N[4]、AZAMMI N A M等[5]将TRIZ理论应用在不同产品的问题解决过程中。知名公司如三星、西门子和华为等许多世界知名企业也通过引入TRIZ理论指导设计和研发，并且取得了成功[6]。TRIZ理论中的功能分析、矛盾分析等手段越来越多地被应用到产品的研发及创新设计中[7-8]。本文基于TRIZ理论，以在双电源转换开关中使用的三稳态操动机构为研究对象，采用TRIZ理论对该机构中所存在的技术问题进行深度挖掘并提出优化设计方案。

1 问题分析

三稳态差动式永磁操动机构的结构如图1所示。

图1 三稳态永磁操动机构示意图

图1中，永磁体以环状对称形式安装在导磁块与外缸套间，储能弹簧由两个结构参数完全相同的碳素钢弹簧构成，两侧储能弹簧分别固定于圆柱形钢材质的限位套筒中，留有一定的预压缩量，以使得动铁心在两侧弹簧的作用下稳定在中间位置[9]，其他部分结构与双稳态永磁机构类似。该结构的设计初衷是实现三个稳态，即动铁心处于中间位置时的主电源和备用电源均断开的中间稳态、动铁心分别吸合于左右两端盖处的主电源合闸位置及备用电源合闸位置两个稳态。该机构采用一体化设计，用一个操动杆同时带动主电源和备用电源触头系统，因此不需额外的机械及电气互锁装置，即可实现两路电源的切换，降低系统的复杂程度。同时，由于存在中间的第三稳态，因此在两路电源切换过程中可满足系统对不同负载切换时的延时要求。

图2为三稳态机构样机测试平台及分闸特性曲线。

图2 样机测试平台及分闸特性曲线

当样机制造完毕后，按照图2a所示的电路连接并对样机进行测试。其中，机构励磁线圈供电电压取值180V，储能电容取值10000μF，选择分闸脉冲宽度为10ms，采用激光位移传感器(此处未画出)对机构动铁心的动态特性进行测量。在测量动态特性时，将激光位移传感器的光点垂直射到导杆的前端，通过测量导杆的运动得到动铁心的动态特性。

由图2b的样机分闸特性曲线可以看出，动铁心在从主电源侧或备用电源侧到中间位置的分闸过程中，由于结构本身的特性决定了动铁心在到达中间位置后并不能立刻停止，而是继续向另一侧运动，经过数次震荡后才能逐步稳定在中间位置。不难看出，此种结构虽然能够实现三个位置的切换，但由于从两侧向中间位置运动时存在震荡问题，因此该机构作为开关电器的动力部件存在着一定的弊端。要消除动铁心在中间位置的震荡，需要外加驱动电路及专门的控制系统才能完成，这势必会增加整个双电源转换系统的复杂程度，降低系统的稳定性。因此，若将该三稳态机构应用于双电源转换开关，并使整个双电源转换系统的复杂程度降低，需要对该机构进行优化完善，在不引入复杂控制系统的同时消除机构在中间位置的震荡，简化系统的复杂性，提高系统的稳定程度。

2 基于TRIZ理论的机构优化设计

在应用TRIZ理论解决问题时，首先要将实际工程问题转化为问题模型，然后利用TRIZ中的相关工具进行分析以找到对应的发明原理，最终结合发明原理和技术领域的科学知识形成具体的解决方案。

2.1 三稳态机构的功能模型

三稳态操动机构主要由驱动杆、去磁线圈、合闸线圈、永磁体、导磁块、动铁心和储能弹簧等零部件组成。动铁心在线圈和永磁体所产生磁场的作用下向一侧运动，同时压缩另一侧的储能弹簧形成分闸时的弹簧反力。驱动杆除了起到连接动铁心的作用外，还起到固定动铁心运动方向和连接外部电源触头系统的作用。为使动铁心运动至中间位置后能够迅速停止运动，需要添加专用的控制系统才能实现；此处优化设计的主要目的是通过优化三稳态机构自身的结构来消除动铁心在中间位置的震荡，所以将驱动杆连接的触头系统和专用控制系统认为是三稳态机构的超系统组件。经过分析，得到的三稳态机构的系统组件构成及相互作用矩阵如表1和表2所示。

表1 三稳态机构系统组件构成

表2 三稳态机构系统相互作用矩阵

表2中“+”表示两器件之间有着相互关系；“-”表示两器件之间无相互关系。对于表2的系统组件之间的作用关系，考虑的是组件之间的直接接触性的作用关系及通过磁场所构建的场的直接作用关系。在该结构中，储能弹簧设置于端盖外并套接于驱动杆上，由于驱动杆与动铁心相连，最终储能弹簧的作用是由驱动杆传递至动铁心；因此在分析相互作用关系时，将动铁心与储能弹簧之间认定为存在相互作用关系，而驱动杆与储能弹簧之间不存在相互作用关系。最终由表2所示的各组件之间的作用关系可得系统的功能模型，如图3所示。

图3 三稳态机构功能模型

2.2 冲突分析及发明原理确定

通过上述分析可知，该操动机构所存在问题的根源在于采用两个储能弹簧夹持动铁心，进而实现主电源侧、中间位置及备用电源侧的三个位置切换。如果在不考虑超系统组件及不改变现有结构的前提下减小动铁心在中间位置的震荡幅度，则需要加大两个储能弹簧的刚度，但这样又会减小整个机构净输出力的大小，即改善动铁心在中间位置的震荡势必会使机构的净输出力减小，也就是系统中存在着矛盾需要解决。矛盾分析是TRIZ理论进行优化设计的常用工具，将系统的技术缺陷转换为TRIZ系统中的矛盾进行处理。矛盾主要分为技术矛盾和物理矛盾两类，技术矛盾指的是在系统中改善一个参数时将导致另一个参数的恶化；物理矛盾指的是在系统中单个参数存在矛盾[10-11]。为使问题的分析更加全面，从技术矛盾和物理矛盾两方面分别进行分析，然后对得出的发明原理进行取交集处理以得出最终所采用的发明原理。

首先，从技术矛盾的角度出发对该机构进行分析，可以有如下两种分析思路。

(1)将需要改善的工程参数视为加大弹簧刚度也就是增大弹簧的力的作用，而此工程参数的改善会造成机构其它参数不变情况下净输出力的减小，要想保持机构净输出力不变，此时需要增大动铁心与端盖的接触面积，这会造成动铁心质量的增大，即运动物体的质量参数发生恶化。

(2)将需要改善的工程参数视为改善物体产生的有害因素，即改善系统的震荡，而此工程参数的改善会造成机构其它参数不变情况下输出力的减小，即力的参数发生恶化。

综合上述两种分析思路，可以得出表3所示的技术矛盾矩阵查询结果。

表3 技术矛盾矩阵查询

其次，从物理矛盾的角度出发对该机构进行分析，为减小动铁心在中间的震荡幅度，可以将储能弹簧的刚度加大，这样动铁心每次震荡所受到的阻尼增大，可以有效减小动铁心的震荡幅度。但在不改变机构其他参数的前提下，增大弹簧的刚度势必会增加合闸时储能弹簧的反力，使整个系统的净输出力下降，对开关电器的合闸保持力产生不利影响。要想系统的净输出力不变，则需要增大动铁心的截面积来增加动铁心和端盖之间的吸力，导致动铁心的质量变大，进而导致动铁心的动能增大，增大动铁心在中间位置的震荡幅度。通过上述分析可以看出，要想保持系统输出力不变，期望增大动铁心截面积，但截面积的增大又会导致动铁心质量增大、震荡幅度变大。一方面需要增大动铁心截面积，另一方面又不期望动铁心质量增加即不希望动铁心与端盖接触面积增大，这便产生了一对物理矛盾。此处尝试采用物理矛盾的解决方式之一，即空间分离原理去解决。对于该物理矛盾及其对应的发明问题，解决原理如表4所示。

表4 物理矛盾及对应的发明原理

最后，将两种不同分析思路得出的技术矛盾和物理矛盾所采用的发明原理进行如图4所示的取交集处理，即可得到用来解决该问题的发明原理为“1-分割原理”，即将一个物体分割成相互独立的部分。

图4 发明原理交集

2.3 机构优化方案及评价

TRIZ原理提供的是一整套系统化解决问题的流程，具有系统性、高效性[12]。通过TRIZ工具分析得到的发明原理并不能提供直接的技术解决方案，只是通过TRIZ理论提供给设计者能够迅速得到创新问题解的结构化方法[13]，在得出的发明原理的启发下形成最终的优化设计方案。在通过上述分析得出的分割原理的启发下，结合相关技术领域的知识，可以获得如图5所示的解决方案。

该方案基于单稳态永磁机构的设计思想，将两个相同的单稳态永磁机构对称设置于磁缸分隔部两侧，即两个单稳态永磁机构在中间位置共用一个端盖。在每个单稳态永磁机构的动铁心上固定连接有至少一个限位导杆和开设有一个限位导向孔，在磁缸分隔部上设置有可以让限位导杆穿过的通孔。

当该三稳态机构置于图5a状态时，分别固定设置于两个动铁心上的限位导杆可以穿过位于磁缸分隔部上的通孔插入所对应的另一个动铁心的限位导向孔中。对于动铁心上的限位导向孔的深度，需略大于插入该限位导向孔的限位导杆位于该动铁心一侧的长度，以使得机构在图5a状态时限位导杆可以插入另一个动铁心的深孔中，以达到对两侧动铁心的固定和导向作用。假设主电源侧和备用电源侧的单稳态永磁机构结构参数完全相同，此时限位导杆的长度L和动铁心上深孔的深度H为

(1)

式中：δ为动铁心行程(mm)；W为磁缸分隔部宽度(mm)；h为图5状态时限位导杆插入限位导向孔的深度；Δh为动铁心运动至中间位置与磁钢分隔部接触时，限位导杆端部与限位导向孔底部的距离余量(mm)。

图5 机构优化设计方案

通过对触头系统的设计，可以使图5a状态下的主电源侧和备用电源侧均处于分闸状态。当一侧的动铁心运动至中间位置合闸后，另一侧的动铁心在限位导杆的作用下不能向中间位置运动，两侧触头系统不能同时处于合闸状态。由于新方案将两个相同的单稳态永磁机构对称设置于磁缸分隔部两侧，机构整体上为对称结构，因此在对新方案进行仿真时只需要对单侧机构的分闸过程进行分析即可，以此来验证新方案在消除震荡方面的可行性。假设位于磁缸分隔部一侧机构的动铁心已经处于合闸状态，采用Ansoft软件对优化后的新三稳态永磁操动机构建模仿真，设置励磁线圈匝数为2000匝，励磁电压为180V，动铁心的运动距离为16mm，得到分闸过程中动铁心的动态特性曲线如图6所示。

图6 优化后机构动铁心动态特性

由图6可以看出，当对合闸侧励磁线圈通电30ms后，动铁心在励磁线圈和储能弹簧反力的作用下开始运动；当动铁心运动16mm时与位于机构一侧的磁缸端盖接触后停止运动，分闸过程结束。在分闸过程中，位于磁缸分隔部两侧的机构实际上为技术已经成熟的单稳态永磁操动机构，因此可以有效消除分闸时动铁心的震荡现象。

3 结束语

以TRIZ理论为分析工具，以三稳态操动机构为研究对象，给出了该机构的优化设计实例，解决了依靠经验法、试错法等传统创新方法在技术优化创新中所存在的弊端。在应用TRIZ理论对系统进行分析时，可按照组件分析、功能模型建立、矛盾分析、得出对应发明原理的流程进行，最终在发明原理的启发下得出优化设计方案。虽然TRIZ理论在优化设计、创新设计中应用广泛，但采用TRIZ理论进行实际问题分析时仍需要结合具体研究对象选择合适的TRIZ工具才能获得最佳方案。