摘 要

新型智能材料的出现，突破了传统材料的局限，尤其是形状记忆合金在汽车工业、人工智能、医疗器械、土木工程及日常生活等方面都有很多的应用。本课题拟研究设计提出了一种采用智能结构与形状记忆合金结合的小型断路器自动重合闸机构。

断路器是一种能够在正常电路条件下关闭、承载和断开电流的开关装置，能够在规定的时间内关闭、携带和断开异常电路条件下的电流。断路器可以用来分配电能，不经常启动异步电动机，保护电线和电动机。当电路发生严重过载或短路及欠压故障时，可以自动切断电路。它们的功能相当于熔断器开关和过热继电器的组合。一般不需要在断裂电流后更换零件。目前，它已被广泛应用。现有的小型断路器都配有自动重合闸装置。自动重合闸装置是一种自动装置，它能自动将因故障而产生的断路器按要求进行操作。电力系统采用自动重合闸装置，大大提高了供电可靠性，降低了功率损耗，提高了电力系统的水平，提高了线路的传输容量。

基于上述背景，本课题拟利用形状记忆合金材料的记忆效应设计出一种基于形状记忆合金的断路器自动重合闸，形状记忆合金在温度升高的时候会产生形变，使形状记忆合金收缩，产生位移，经机构转化为角度。同时形状记忆合金也会产生恢复力，经过杠杆机构增大输出力。产生合适的位移和力拉动玻片实现电路的断开与闭合。设计完成后，通过ANSYS 15.0对该材料进行热分析，通过对电路电流功率的分析，对材料内的温度上升情况和温度对力学性能的影响进行分析。

关键字:形状记忆合金；形状记忆合金驱动器；自动重合闸；热分析

Abstract

The emergence of new smart materials has broken through the limitations of traditional materials, especially shape memory alloys have many applications in automotive industry, artificial intelligence, medical devices, civil engineering and daily life. This subject intends to study and design a kind of automatic reclosing mechanism of miniature circuit breaker which adopts flexible amplifying structure and shape memory alloy。

Circuit breaker refers to a switching device that can close, load and break the current in normal loop conditions and can close, load and break the current in abnormal loop conditions within a specified time. Circuit breakers can be used to distribute electrical energy, start asynchronous motors infrequently, protect power lines and motors, and automatically cut off circuits when they are in serious overload or short-circuit and under-voltage faults. their functions are equivalent to the combination of fuse switches and over - and under-heat relays, etc. And generally do not need to change parts after breaking fault current. At present, it has been widely used. The existing miniature circuit breakers are equipped with automatic reclosing devices, which are automatic devices to automatically put the circuit breakers that have jumped out due to faults into operation as required. The automatic reclosing device is adopted in the power system, which greatly improves the reliability of power supply, reduces the loss of power failure, improves the level of the power system and enhances the transmission capacity of the line.

Based on the above background, this project intends to design an automatic recloser of circuit breaker based on shape memory alloy by using the memory effect of shape memory alloy materials. when the temperature rises, the shape memory alloy will deform, shrinking and displacing the shape memory alloy, amplifying the displacement by a compliant amplifying mechanism, and generating appropriate displacement fluctuations to open and close the glass segment. After the design is completed, the material is thermally analyzed by ANSYS 15.0, and the temperature and mechanics in the material are analyzed.

Key words: Shape memory alloy;shape memory alloy driver;automatic reclosing;thermal analysis

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题的研究背景及意义 1

1.2断路器自动重合闸的研究现状 2

1.2.1国外断路器自动重合闸研究现状 4

1.2.2国内断路器自动重合闸研究现状 4

1.3论文的主要研究内容 4

第2章 形状记忆合金材料 6

2.1形状记忆合金发展历程 6

2.2形状记忆合金力学特性 7

2.3形状记忆合金微观相变机制 8

2.4形状记忆合金的工程应用 10

2.5本章小结 13

第3章 断路器自动重合闸总体设计结构 14

3.1断路器自动重合闸的整体设计 14

3.2自动重合闸的工作原理 14

3.3控制机制 15

3.4本章小结 15

第4章 形状记忆合金驱动器的设计 16

4.1概述 16

4.2设计需求分析 16

4.3结构方案设计 16

4.4本章小结 17

第5章 形状记忆合金热分析及回复应力 18

5.1传热学的基本方式 18

5.2有限元分析及ANSYS仿真软件介绍 19

5.3 ANSYS热分析 20

5.4形状记忆合金热分析原理及步骤 23

5.5形状记忆合金驱动器热分析 26

5.6温度和恢复应力之间的关系 26

5.7本章小结 27

第6章 形状记忆合金加热方法的改进及分析 29

6.1加热问题 29

6.2新型加热方式 29

6.3热平衡方程 29

6.4新型加热方式下的形状记忆合金热分析 30

6.5本章小结 31

第7章 环境影响分析及经济性分析 32

7.1环境影响分析 32

7.2经济性分析 32

7.3本章小结 32

第8章 结论与展望 33

8.1结论 33

8.2展望 33

参考文献 34

致谢 35

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

形状记忆合金(SMA)是一种能够感知温度变化， 并能外界给予的热能转换成其他形式的能量。比如转化为机械能。同时形状记忆合金遇到热能会发生形状上的改变，比如收缩或者变形等。用于形状记忆合金 具有形状记忆效应(SME)、超弹性(SE)、高阻尼(HD)、 耐腐蚀和生物相容性等许多优异性能，已广泛应用于航空航天、人工智能、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领域。 但是形状记忆合金材料存在一些问题，比如目前SMA的应用尚存在成本贵，这样导致无法在日常生活中得到推广和应用。最大的缺点在于相变热滞大，这样导致的结果是响应时间长，使形状记忆合金做成的智能结构灵敏度出现很大问题。以及受操作环境限制。因此形状记忆合金在日常生活中存在很大局限性，如果要使SMA的应用进一步扩展， 就必须克服上述的局限。

另一方面，在当今以工业 4.0 智能制造和中国制造 2025为主导的时代，SMA 作为一种功能材料， 具有巨大的潜在应用价值和商业价值。 目前，有关 SMA 的发明专利很多，但要把这些专利转化为生产力，尚存在诸多问题。 SMA 未来发展趋势可归结为三个方面：（1）研发新型 SMA或改善现有 SMA。在 Ti-Ni 系、铜系、铁系和磁控形状记忆合金中，通过加入合金元素或优化合金成分来改善其性能， 如减小其相 变热滞、提高响应速度，改善 SME、SE 等。（2）把 SMA 的功能特性与其他材料的智能结构特性结合起来，在保证其特有功能的前提下，尽可能降低材料的成本。（3）SMA 领域的发明专利数量逐年增加，但只有少部分被商业化利用，今后应改善制备方法，使其能适应实际需要，进而发掘新的应用市场。

与此同时在电力方面，特别是高架输送线很容易发生故障，为了使输送电力安全，自动重合闸非常重要。通过一些经验验证，大部分架高输送线都是瞬时性的故障，因此当线路出现断开时，重新合闸的工作有工作人员完成，并且是手动完成，但是手动完成时间过长，而且非常不安全，因此电力系统广泛使用自动重合闸。

同时为了响应国家智能电网的发展，断路器自动重合闸研究越来越多。如果在输电线采用自动重合闸，当线路发生短暂性故障时，它能过迅速使电路恢复正常，大大的提高了可靠性。在对有双侧电源的高压线路上时，自动重合闸可以大大提高运行的稳定性。如果断路器设计有问题，很有可能会出现误动作，自动重合闸也可以避免断路器的误动作造成的电路问题。重合闸本身结构简单，设计并不复杂，如果电力系统采用自动重合闸装置，极大地提高了供电的可靠性，减少了停电损失，而且还提高了电力系统的水平，增强了线路的送电容量。

因此基于上述背景，为了高新技术的发展需求，本文研究的目的就是针对现有的断路器自动重合闸的不足，项目提出了一种采用新型智能结构与形状记忆合金结合的小型断路器自动重合闸机构。与现有的自动重合闸机构相比，将具有结构简单，响应快，稳定性好，装配性好等优势。

1.2断路器自动重合闸的研究现状

自动重合闸一般分为两大类:单相自动重合闸和三相自动重合闸，如图1.1和1.2。自动重合闸在供电方面带来了很大的经济效益 在供电部门，由于供电方面容易出现薄弱环节，为了改善对用户供电的系统运行性能，提高供电的可靠性的需求，开始了重合闸的采用。以前输送线路电压比较低，输送线路短，这样造成了没有潜在的电流。开始为单相自动重合闸提供了巨大的优势。随着时代的发展，高压输送电流使电路损失大大降低，因此输送线路电压很高，为了电路的安全和避免人工手动合闸，三相自动重合闸营运而生。最后，随着当今计算机、互联网、大数据的飞速发展，微型计算机在继电器保护装置得到快速的推广，同时为实现自适应重合闸提供了更为有利的条件。至今，国内外又研制出了功能更强大的第二代重合闸装置——微机式重合闸,由于微机式自动重合闸结构简单，灵敏度高，因此得到了快速的推广，现已在电力系统得到了广泛的应用。

但是也带来了一些影响。主要有两点：

（1）在电力方面，最容易出现的故障可以分为永久性故障和短暂性故障。当电力系统出现永久性故障时，电力系统会受到短路出现大电流的冲击，这样会造成自动重合闸重合过程电力系统的出现比较大幅度的摇摆增大，如果严重的话有可能使电力系统出现不稳定性；从另一外面来说，由于线路出现短路，断路器在短时间内连续两次切断短路电流，这样使电路工作环境非常恶劣，自动重合闸效果不佳。

（2）国内外火力发电占主要发电形式，如果在大型火电厂的高压出线上采用自动重合闸，会造成火电厂的发动机出现故障，造成整个发电系统出现问题。

图1.1单相自动重合闸

图1.2三相自动重合闸

1.2.1国外断路器自动重合闸研究现状

在欧洲，人们很早就开始使用单相和三相自动重合闸，由于欧洲变电所密集，平均线路长度为60KM，大部分发生的故障是接地。为了降低网络的传送容量，断路器和继电保护得到了广泛的应用，因此自动重合闸得到重视。十九世纪五十年代和六十年代，欧洲输送电压大大提高，为了保证线路的安全高效的运行，自动重合闸进一步得到改善。

在北美，最普遍采用的各级电压线路自动重合闸方式是快速三相重合闸，也曾经对不同的重合闸时间对系统稳定性的影响进行过分析，但是也还是仅仅的数据分析。

同时对于自动重合闸带来的不利，当出现永久故障时，电力系统一方面再一次受到短路电流的影响的冲击，有可能造成重合过程电力系统的摇摆幅度增大，甚至可能使电力系统失去稳定性；另一方面，继电保护再一次使断路器断开，断路器在短时间内连续两次切断短路电流，恶化了断路器的工作条件。外国的学者也提出了一些应对策略，有一种是自适应重合闸。为了消除瞬时性故障，然后使线路重新通路，发明了自适应重合闸。但是也存在一些缺陷，就是当自动重合闸运作的时候，它不能判断出故障到底是永久性的还是瞬时性的。为了克服传统断路器自动重合闸的缺点，国外推出了自适应重合闸。

1.2.2国内断路器自动重合闸研究现状

近几年，工业的要求国外对于自动重合闸的研究大约比国内晚了十年左右。随着电子技术的发展，出现了晶体管重合闸装置。其实我国自动重合闸研究的起步比较早，为了正确识别瞬时性和永久故障，我国进行实质的探究，第一种方案就是采用人工神经网络与自适应单相重合闸相结合。这种方案能过很好的判断瞬时性故障和永久性故障。第二种方案就是利用电弧制造出自适应式自动重合闸，但是不同类型的电路电弧差异性比较大，所以实行起来不太容易。第三种法方案就是利用耦合电压。自动重合闸重合时间越短越好，为了使自动重合闸重合时间降低，国内也进行了一系列的研究，对最佳重合时间进行了探究，也提出了一些方案。 同时对于传统自动重合闸带来的不利影响，80年代初期我国教授也提出了自适应重合闸，为我国的继电保护前景开辟了新的时代。

1.3论文的主要研究内容

本论文所研究设计的是基于形状记忆合金材料断路器自动重合闸，即在充分了解掌握了形状记忆合金材料的工作和机理以及智能机构学的基础上，设计出一种形状合金材料为驱动设备，以其产生灵敏的直线位移作为输入，然后通过圆柱结构转化为角度输出，然后通过一个杠杆结构输出较大的力。主要研究内容可分为以下三个方面内容：

（1）建立基于形状记忆合金的驱动单元，包括块状形状合金驱动特性分析，热场的建立与分析（Ansys热分析）；

（2）形状记忆合金驱动器的分析与设计，包括驱动器的基本原理、驱动结构的设计规则，以及驱动结构的热的分析；

（3）基于形状记忆合金断路器自动重合闸的不足之处，进行优化和改进。

文章的章节结构图如下图1.3所示。

图1.3 论文结构图

第2章 形状记忆合金材料

2.1形状记忆合金发展历程

形状记忆合金（ SMA）,SMA从发明至今，大致可分为三个阶段，在二十世纪三十至五十年代期间，被称为形状记忆效应发现和全面提高阶段、二十世纪六十至七十年代被称为Ni-Ti合金发明并推广应用阶段和二十世纪八十年代到今天全面提高发展的阶段。

第一阶段，20世纪30~50年代，SMA的形状记忆效应被发现。1932年瑞典化学家Olander首次发现了在Au-Cd合金中存在金属相变，并且相变可以引起材料宏观形状的变化。在Olander研究的基础上，Chang和Read在1951年发现了Au-Cd系列合金在马氏体状态下发生形变后，加热到高温能恢复到初始形状，这就是形状记忆合金最重要的特征之一——形状记忆效应。Rachikger在1958发现了Cu-Al-Ni合金棒在加载到4%应变后卸载，形状可以完全恢复，他将这一现象定义为“超弹性”，这一名词一直沿用至今。尽管这些新发现引起了科学界极大的兴趣，但由于上述材料价格昂贵、制造困难、力学性能较差，尚不能在工程实际中得到应用。

第二阶段，20世纪60~70年代，大家开始关注Ni-Ti形状记忆合金。1962年，在美国海军武器实验室的Bueher等人在自己的实验室无意间发现了Ni-Ti合金具有优良的形状记忆效应，并且成功研制出的形状记忆合金“Niti-noi”不仅力学性能良好，而且价格便宜。在60年代末，Buehler等进一步发现在NiTi系列合金中添加Co、Fe等第三元素，可以大幅降低合金的相变温度。基于这样的发现，在1969年，Raychem公司成功研制的CryoFit形状记忆合金性能优良，并成功制造成智能管管头，被美国Grumman航空公司广泛应用于F-14喷气战斗机。同年，SMA智能天线在美国“阿波罗”11号登月舱上成功应用。随后，Aadeasen成功将超弹性SMA用于医学矫齿器中，开启了记忆合金的医学应用的大门。

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