隔离开关拨盘驱动槽轮廓设计方法及拨盘与操动机构与流程

本技术涉及隔离开关拨盘，尤其是涉及一种隔离开关拨盘驱动槽轮廓设计方法及拨盘与操动机构。

背景技术：

1、目前隔离开关是电力系统中用于隔离电源、建立明显断开点以保障设备检修与运行安全的重要电气设备。随着电网容量的不断扩大，隔离开关正向着高电压、大电流、智能化、小型化、高可靠性等方向发展。隔离开关作为一种以机械结构实现电气功能的设备产品，其机械特性是电气性能实现的前提和基础，故其合闸、分闸操作的可靠性在很大程度上取决于其传动机构的性能。在隔离开关的操动机构中，通常由电机经传动齿轮组带动传动丝杠转动，传动丝杠驱动套设于其上的驱动螺母作直线运动，驱动螺母再通过垫套与拨盘上的驱动槽接触，从而拨动拨盘绕其回转中心旋转并带动输出轴动作以完成合闸。因此，拨盘的驱动槽是将驱动螺母的直线运动转换为拨盘旋转运动的关键部件，其轮廓形状直接决定了传动机构的传力特性与运动特性。

2、现有隔离开关的拨盘驱动槽通常采用沿径向或近似直线延伸的槽口。驱动螺母在传动丝杠的带动下作匀速或近似匀速的直线运动，并通过其垫套沿驱动槽的轮廓推动拨盘转动，使得驱动螺母的直线运动按照该固定槽形所确定的、基本恒定的传动比转换为拨盘的旋转运动。然而，在双断口隔离开关的合闸操作过程中，其负载反力曲线呈现出显著的极度非线性特征：在合闸动作的前、中段行程中，机构主要克服常规触指弹簧的摩擦阻力，负载曲线相对平缓；而当动触头运动至即将与静触头插接的末端阶段时，由于弧触头及自力触头压力的瞬间介入与叠加，系统的负载阻力曲线会发生陡峭的阶跃式突增。而现有拨盘驱动槽未针对该末端的局部阻力峰值进行轮廓优化，当机构运行至该高阻力区段时，电机端感受到的等效反负载瞬间剧增；此时，若电机输出扭矩不足，极易导致机构卡滞、合闸不到位甚至电机堵转烧毁；若为克服该瞬间的死点峰值而盲目选用大功率电机，则又会造成设备体积冗余、制造成本高昂，且在合闸前段平稳期造成功率的极大浪费。因此，现有拨盘驱动槽难以兼顾合闸末端阻力峰值的可靠跨越与电机功率的合理利用，亟需对其轮廓进行针对性的优化。

技术实现思路

1、为了克服上述问题，本技术提供一种隔离开关拨盘驱动槽轮廓设计方法。

2、第一方面，本技术提供的隔离开关拨盘驱动槽轮廓设计方法采用如下的技术方案：

3、一种隔离开关拨盘驱动槽轮廓设计方法包括：

4、根据拨盘回转中心与传动结构的初始空间布置参数，将隔离开关在合闸过程中的阻力等效到拨盘回转中心上，建立合闸全行程的等效总负载力矩函数t_load(α)，其中，α为拨盘的绝对转角；

5、根据初始设定电流i_test，确定驱动螺母的当前直线推力f_test；

6、根据所述总负载力矩函数t_load(α)与所述当前直线推力f_test，确定驱动槽的当前包络线函数(x(α),y(α))；

7、根据所述当前包络线函数(x(α),y(α))，确定所述驱动槽的目标包络线函数。

8、通过采用上述技术方案，建立等效总负载力矩函数、确定当前直线推力、反向求解当前包络线函数并经评估确定目标包络线函数的设计流程，使得拨盘驱动槽的轮廓不再是凭经验确定的固定几何形状，而是根据合闸全行程的阻力特征和电机的实际驱动能力反向生成的自适应曲线。由此生成的驱动槽轮廓在合闸末端阻力峰值区段具有较大的传动比以放大杠杆作用，在合闸前中段阻力平缓区段具有较小的传动比以提高运动速度，从而对电机的等效输出扭矩起到削峰填谷的效果，既有助于在不增大电机额定功率的前提下使机构顺利跨越合闸末端的阻力死点，有利于改善电机的利用效率、降低电机的发热与过载风险，又也有助于避免因过度选型大功率电机而造成的设备体积冗余和制造成本增加。

9、可选的，所述根据所述当前包络线函数(x(α),y(α))，确定所述驱动槽的目标包络线函数的步骤，包括：

10、根据所述驱动槽的当前包络线函数(x(α),y(α))，对所述驱动槽的当前轮廓进行评估；

11、根据评估结果，确定所述驱动槽的目标包络线函数。

12、通过采用上述技术方案，在求解当前包络线函数之后，增设评估环节并根据评估结果确定目标包络线函数，使得设计方法具备了自校验能力，既有助于避免将几何尺寸超限或运动学特性不佳的驱动槽轮廓直接用于加工制造，有利于提高所设计的拨盘驱动槽在实际应用中的可靠性和可行性，又有助于在设计阶段即排除潜在的机构卡滞或自锁风险。

13、可选的，所述根据评估结果，确定所述驱动槽的目标包络线函数的步骤，包括：

14、当评估结果合格时，则将所述当前包络线函数(x(α),y(α))作为所述目标包络线函数；

15、当评估结果不合格时，所述初始设定电流增加预设电流步长后，再返回执行确定驱动螺母的当前直线推力f_test步骤。

16、通过采用上述技术方案，在评估不合格时以预设电流步长递增设定电流并返回重新求解的迭代机制，使得设计方法能够自动寻找到既满足几何约束和运动学约束、又使电机设定电流尽可能低的目标包络线函数，既有利于在满足驱动槽可行性约束的前提下使电机工作在较低的电流水平，有助于改善电机的效率和减少发热，又有利于降低对电机额定功率的需求，从而有助于实现降本增效的设计目标。

17、可选的，所述根据所述当前包络线函数(x(α),y(α))，对所述驱动槽的当前轮廓进行评估的步骤，包括：

18、根据所述驱动槽的当前包络线函数(x(α),y(α))，确定所述驱动槽的当前最大半径及当前最大压力角；

19、根据所述驱动槽的当前最大半径及当前最大压力角，判断评估结果是否合格。

20、通过采用上述技术方案，采用当前包络线函数所对应的驱动槽轮廓的当前最大半径和当前最大压力角作为评估指标，使得评估过程具有明确的量化依据。其中，以最大半径约束驱动槽的空间延展范围有助于保证拨盘的紧凑性和可安装性，以最大压力角约束接触副的传力效率有助于避免机构在高传动比区段发生自锁或卡滞，从而有利于从几何和运动学两个方面确保所设计的驱动槽轮廓在实际应用中的可行性和可靠性。

21、可选的，所述根据所述驱动槽的当前最大半径及当前最大压力角，判断评估结果是否合格的步骤，包括：

22、当所述当前最大半径不大于预设半径上限r_limit、且所述当前最大压力角不大于预设压力角上限γ_limit时，则评估结果合格；

23、当所述当前最大半径大于预设半径上限r_limit、或所述当前最大压力角大于预设压力角上限γ_limit时，则评估结果不合格。

24、通过采用上述技术方案，设定预设半径上限和预设压力角上限作为评估合格的约束条件，并采用两者同时满足才合格、任一不满足即不合格的判断逻辑，使得评估过程具有明确且严格的判断标准，有利于保证最终确定的目标包络线函数所对应的驱动槽轮廓在几何空间和运动学特性两个方面均满足要求，有助于避免因单一指标评估而遗漏潜在的设计缺陷，从而有利于提高所设计的拨盘驱动槽在实际工程应用中的可靠性和安全性。

25、可选的，所述根据所述总负载力矩函数t_load(α)与所述当前直线推力f_test，确定所述驱动槽的当前包络线函数(x(α),y(α))的步骤，包括：

26、根据所述总负载力矩函数t_load(α)与所述当前直线推力f_test，确定传动比函数i(α)；

27、根据所述传动比函数i(α)，确定所述驱动螺母的绝对推进位移函数s(α)；

28、根据所述驱动螺母的绝对推进位移函数s(α)，确定所述驱动槽的当前包络线函数(x(α),y(α))。

29、通过采用上述技术方案，将确定当前包络线函数的过程分解为传动比求解、位移积分和坐标旋转变换三个子步骤，建立了从负载力矩到驱动槽实体轮廓的完整解析映射路径。其中传动比的逆向求解使得驱动槽轮廓能够自适应地匹配合闸全行程的非线性阻力特征，在阻力峰值区段自动形成较大的传动比以放大杠杆作用，在阻力平缓区段自动形成较小的传动比以提高运动速度。运动学反转法的引入使得力学域的求解结果能够直接转换为可用于加工的实体轮廓坐标，有助于缩短从设计计算到实际制造之间的转换环节，有利于提高设计方法的工程实用性。

30、可选的，所述根据初始设定电流，确定所述驱动螺母的当前直线推力f_test的步骤，包括：

31、根据所述初始设定电流i_test，确定电机的输出扭矩；

32、根据所述电机的输出扭矩，确定所述驱动螺母的当前直线推力f_test。

33、通过采用上述技术方案，于电机台架实测数据拟合电流与扭矩的映射函数，并经传动链折算得到驱动螺母的当前直线推力，使得设计方法的输入参数来源于电机的真实输出特性而非理论估算值，有助于提高后续传动比逆向求解的准确性，有利于使所设计的驱动槽轮廓与电机的实际驱动能力更好地匹配，从而有助于改善设计结果在实际应用中的可靠性，减少因电机实际输出与设计假设不符而导致的机构卡滞或余量浪费。

34、可选的，所述根据初始设定电流，确定驱动螺母的当前直线推力f_test的步骤之前，包括：

35、根据电机的电流效率曲线，确定所述初始设定电流。

36、通过采用上述技术方案，根据电机的电流效率曲线确定初始设定电流，使得设计方法的起始工作点选取具有明确的物理依据和优化导向。从高效区间的较小电流值开始设定有助于使最终的设计结果趋向于电机效率较高、发热较少的工作状态，有利于改善电机在合闸全行程中的综合能效表现，同时也有助于降低对电机额定功率和散热能力的需求，从而有利于实现操动机构的小型化和降本增效。

37、第二方面，本技术提供的隔离开关拨盘采用如下的技术方案：

38、一种隔离开关拨盘设有驱动槽，所述驱动槽的轮廓曲线为非线性包络线，以使得隔离开关拨盘在合闸过程中能够自适应地调节传动比以匹配非线性的负载阻力。

39、第三方面，本技术提供的隔离开关操动机构采用如下的技术方案：

40、一种隔离开关操动机构包括；电机；传动结构，包括传动丝杠与驱动螺母，所述传动丝杠通过传动齿轮组与所述电机的输出轴驱动连接，所述驱动螺母套设于所述传动丝杠；以及，拨盘，包括所述隔离开关拨盘，所述驱动螺母通过垫套与所述拨盘的驱动槽连接。

41、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

42、1.通过建立合闸全行程的等效总负载力矩函数，以电机初始设定电流所对应的驱动螺母直线推力为输入，反向求解驱动槽的包络线函数并经评估确定目标包络线函数，使得拨盘驱动槽的轮廓由根据合闸全行程的真实阻力特征和电机实际驱动能力反向生成的自适应曲线所确定，而非凭经验确定的固定几何形状。由此生成的驱动槽轮廓在合闸末端阻力峰值区段具有较大的传动比以放大杠杆作用，在合闸前中段阻力平缓区段具有较小的传动比以提高运动速度，对电机的等效输出扭矩起到削峰填谷的效果，有助于在不增大电机额定功率的前提下使机构顺利跨越合闸末端的阻力死点，有利于改善电机的利用效率、降低电机的发热与过载风险，同时也有助于避免因过度选型大功率电机而造成的设备体积冗余和制造成本增加；

43、2.通过在求解当前包络线函数之后增设以当前最大半径和当前最大压力角为评估指标的评估环节，并在评估不合格时以预设电流步长递增初始设定电流后返回重新求解的迭代机制，使得设计方法能够自动寻找到既满足几何空间约束和运动学约束、又使电机设定电流尽可能低的目标包络线函数，有利于在满足驱动槽可行性约束的前提下使电机工作在效率较高、发热较少的较低电流水平，有助于在设计阶段即排除潜在的机构卡滞或自锁风险，从而有利于改善所设计的拨盘驱动槽在实际工程应用中的可靠性和安全性；

44、3.通过根据电机台架实测数据拟合电流与扭矩之间的映射函数，并在执行设计流程前依据电机的电流效率曲线从高效区间的较小电流值开始确定初始设定电流，使得设计方法的输入参数来源于电机的真实输出特性，起始工作点的选取具有明确的物理依据和优化导向，既有助于提高传动比逆向求解的准确性，有利于使所设计的驱动槽轮廓与电机的实际驱动能力更好地匹配，又有助于使最终设计结果趋向于电机综合能效较优的工作状态，有利于降低对电机额定功率和散热能力的需求，从而有利于实现操动机构的小型化和降本增效。