（电气工程专业论文）带辅助触头的迎击式接触器触头动态响应的研究.pdf

河北工业大学硕士学位论文 i 带辅助触头的带辅助触头的迎击式接触器触头动态响应的研究迎击式接触器触头动态响应的研究 摘摘 要要 随着工业自动化水平的进一步提高，对接触器产品的性能和寿命要求越来越高。交流 接触器在接通电路时，动触头与静触头在达到稳定接触前会产生弹跳,不仅影响系统的性 能而且产生的电弧对触头的烧蚀作用会降低接触器的电寿命。因而,研究交流接触器接通 电路的整个动态过程，尤其是触头弹跳对于接触器的优化设计和提高整体性能具有重要的 意义和实用价值。本课题以 cj20-25 型交流接触器为主要研究对象，对触头的合闸过程进 行了动态仿真的研究。 第一，利用专业的建模软件 pro/e 完善了交流接触器的三维实体模型。在原有模型基 础上添加了两副常开辅助触头和两副常闭辅助触头，用于输出控制信号。利用 pro/e 和 adams的接口程序mech/pro将所建模型导入adams对迎击式电磁机构进行了深入的分 析。 第二，本课题利用 adams 软件对操动机构进行了动态仿真，主要从激磁电压和合闸 相角两个重要因素出发，具体研究了二者对交流接触器操动机构的动态仿真的影响。 第三，将理论分析结果和实验结果进行了比较，主要验证参数为：线圈励磁电压、线 圈电流以及铁心的位移，仿真结果与实测结果二者基本吻合，验证了理论分析的正确性； 并对电磁机构动态特性进行了分析。 第四，以 adams 为平台，对迎击式接触器在不同合闸相角下的触头的碰撞、弹跳进 行了仿真分析，分析了主动触头的触动时间、闭合时间、弹跳时间和弹跳幅度，获得了触 头的运动过程与弹跳情况，并通过分析触头的位移曲线和速度曲线，进一步对触头的动态 响应进行了研究。 本课题将 ansys 的结果与 adams 相结合进行接触器动态过程的仿真，经试验验证 有较高的精度，在理论上和应用上具有一定的参考和实用价值。本课题的研究成果对于研 究交流接触器触头动态响应具有一定的指导意义和参考价值。 本课题是结合国家自然科学基金项目“迎击式接触器触头动态响应不确定性研究”进 行的。 关键词：关键词：交流接触器，动力学仿真，触头动态响应 带辅助触头的迎击式接触器触头动态响应的研究 ii study on the dynamic response of contacts in collision contactor with accessorial contacts abstract with the improvement of the automation level, the demands of the contactor product performance and life have become increased. when ac contactor connects to the circuit, the moving contacts and the stable contacts will bounce before they touch reliably, not only affect the performance of system, but also reduce the electrical life of the contact because of the arc. so it is very important to study on the whole dynamic process of the contactor when it is connected to the circuit, in particular the contact bounce, it has great significance and practical value for the optimal design of the contactor and improve its overall performance. this paper chooses cj20-25 ac contactor as the research object, and implemented dynamic simulation of contacts closing process of the contactor. first, a 3d model of actuating mechanism of ac contactor was improved using the pro/engineer software. this paper added two open accessorial contacts and two close accessorial contacts to the original model for the output signal. the model was leaded in adams through the special interfaces mech/pro of pro/engineer and adams for farther simulation analysis. secondly, dynamic simulation of actuating mechanism of ac contactor was carried out using adams. it studied on two important factors: different switch phase angle and excitation voltage, specifically studied how they affect the dynamic simulation of actuating mechanism of ac contactor. thirdly, this paper compared the theoretical analysis results and experimental results. the main verification parameters were excitation voltage, current and the displacement of the magnet core. the simulation results are basically consistent with the measured results, verified the accuracy of the theoretical analysis; and analyzed the dynamic electromagnetic properties. fourthly, using the software of adams, we can simulate and analyze contacts collision and bouncing. the contacts were in different closing angle. this paper made an analysis of the contact time、 closing time、 bouncing time and bouncing rate. we got the bouncing process of the contacts, by analyzing the displacement curve and velocity curve of the contacts, we can further study on the dynamic response of the contacts. the paper completed dynamic simulation of actuating mechanism of ac contactor using ansys and adams. the research results in this paper are significant to researching dynamic characteristics of ac contactors. this project combined the national natural science fund project “study on uncertainty of dynamic response of contact of counterpunching ac contactor” with the aid of the national natural science foundation of china. key words: ac contactor, dynamic simulation, contact dynamic response 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1 1- -1 1 引言引言 1-1-1 1-1-1 低压电器的开发低压电器的开发 为了适应电网容量的不断增大及控制要求的不断提高， 低压配电与控制系统日益复杂化， 对低压电 器产品的性能与结构提出了更高的要求。同时，随着科学技术的进步，新技术、新材料、新工艺的不断 出现，给低压电器的发展提供了良好的发展空间。 长期以来 ,低压电器的开发主要依靠反复制作样机和试验。 由于低压电器在运行时存在着多种能量 的转换，而且这些转换规律大多是非线性的，许多现象又是一种瞬态过程，使低压电器的理论分析、产 品设计、性能检验变得极为复杂。在分析与设计低压电器产品时，除采用低压电器传统理论:电接触理 论、电弧理论、发热与电动力理论、电磁机构理论等进行必要的理论推导、分析计算之外，还使用了大 量的经验数据 1。即便这样，有时设计计算数据与产品实际性能仍然存在较大差异，需要反复修改和试 验，这种传统的方法不但使开发周期延长 ,而且样机制作和试验都要花费很高的成本。 早期电器产品的研制开发，由于技术发展的限制，都是以静态特性为研究对象。静特性无法准确反 映电器在工作过程中的实际特性， 无法真实的反映电器真正的工作特性， 设计出来的电器产品性能指标 难以达到预期目标。 随着计算机技术的飞速发展，使低压电器的设计与研究跨进了一个新阶段。低压电器产品的设计， 从传统的静态设计、近似计算、经验分析转化到基于电磁机构动态数学模型的优化设计阶段，产品开发 周期大大缩短。 动态特性可以描述电器实际的工作过程与状态变化， 揭示在不同时刻点上各参量间的关 系，表明各参量随时间的变化规律。交流接触器的运行过程涉及到电、磁、热、机械、材料、绝缘、电 接触、可靠性等方面的原理和技术，其动态过程呈现出非线性、复杂性、不确定性。 计算机仿真技术的发展,一方面使人们可以利用交互式图形技术在计算机屏幕上建立一个三维的可 视样机,并通过精确的仿真技术使该样机具有和实际样机相同的性能;另一方面,还可通过交互手段改变 样机的结构参数,使样机满足预定的技术条件,实现优化设计。采用该技术可节省开发费用,并缩短新产 品开发周期。 本课题就是采用“虚拟样机”技术,即利用动力学仿真分析软件 adams 建立了迎击式交流接触器 完备的多体多自由度机-电-磁耦合系统动态响应数学物理模型； 对模型进行仿真， 将仿真结果与实测结 果进行了比较；对触头动态响应进行了研究，通过动触头的位移曲线，分析了其触动时间、闭合时间、 弹跳时间与弹跳幅度，获得了触头的运动过程与弹跳情况。 1-1-2 1-1-2 虚拟样机技术在低压电器中的应用虚拟样机技术在低压电器中的应用 虚拟样机技术(virtual prototype technology)是一种崭新的产品开发方法， 它是一种基于产品的计算 机仿真模型的数字化设计方法。应用虚拟样机技术，可以使产品的设计者、使用者和制造者在产品研制 的早期， 在虚拟环境中直观、 形象地对虚拟的产品原型进行设计优化、 性能测试、 制造仿真和使用仿真， 这对启迪设计创新、提高设计质量、减少设计错误、加快产品开发周期有重要意义。 虚拟样机技术是一门综合多学科的技术。该技术以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，加 上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，以及广泛应用网络技术、计算机技术、信息 带辅助触头的迎击式接触器触头动态响应的研究 2 技术、集成技术等，将分散的产品设计开发和分析过程集成在一起，把虚拟技术与仿真方法相结合，为 产品的研发提供一个全新的设计方法，可以显著的提高设计质量、降低产品开发成本，极大地提高企业 的创新能力、竞争能力和经济效益。具体说来就是在建立第一台物理样机之前，设计师利用计算机技术 建立产品的数字化模型， 进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性， 从而修 改并得到最优设计方案的技术。 由于虚拟样机是一种计算机模型， 它能反映实际产品的特性， 包括外观、 空间关系以及运动学和动力学的特性，借助于这项技术，设计师可以在计算机上建立产品系统的模型， 伴之以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动和动力特性，并根据仿真结果精化和优化系统。 近年来，国内一些汽车公司也引入了 adams 进行产品开发，如北京的吉普，福田等公司，均取 得了很好的效果。国内工厂和设计院、所纷纷引进如 ug、pro/e 等三维计算机辅助设计软件，这类软 件能实现在三维空间内零部件的实体造型、 装配和自动生成工程图纸等功能， 但没有系统的整体运动仿 真功能。 因此还要制作大量的样机来验证所设计的产品的性能。 一些高校和科研机构将虚拟样机技术应 用于电器产品的设计和开发中，取得了良好的效果。文献2对单线圈单稳态永磁式接触器的操动机构 进行了基于 ansys 和 adams 软件的机构动力学仿真特性分析， 缩短了永磁式接触器的开发周期和开 发成本。文献3利用 adams 对断路器分闸过程进行了仿真，并结合有限元软件 ansys 对其中一个 连杆进行了应力应变的分析。文献4-5利用 adams 对断路器的开断特性进行了仿真分析，通过将仿 真结果与试验结果相比较，为断路器的优化提供了依据。 关于电磁铁的动态特性，以及交流接触器的动态过程的分析，尽管国内外已经做了大量的工作，但 其中的主要工作仅对合闸过程的线圈电流、 动触头和动铁心的行程、 速度和吸力等参数进行了详细的分 析，对于触头碰撞后的弹跳问题做的工作相对来说比较少。文献6在不考虑摩擦力的影响下，研究了 接触器闭合的动态过程中的触头弹跳现象， 但是该文中的电磁吸力是用简单磁路和均匀磁场的吸力的公 式计算的，这样使得计算结果存在较大的误差。 触簧系统是带有机械触点的开关电器的功能执行部件， 其具有的可分合接触性使得电接触的过程更 加复杂。文献7对触头运动进行动力学研究和分析，考虑了触头弹跳过程的存在。通过试验研究解释 了触头接触电阻的构成机理，研究了触头碰撞后的运动，确定了触头的动力学模型，通过它可以从量上 解释触头的有效运动。为了支持理论模型，计算了阻尼系数和触头的相对硬度。文献8在机械振动条 件下，通过引入局部刚度的概念，应用 hertz 理论建立了触簧系统的等效数学模型，将触簧系统等效成 两自由度的线性系统进行谐响应分析， 提供了触簧系统保持机械接触可靠性的合理判据。 研究结论对于 带有机械触点的开关电器的抗振动设计具有指导作用。 文献9研究了无迎击的交流接触器在吸合过程中的动态特性。利用 pro/e 软件建立交流接触器操 动机构的三维实体模型,用 ansys 对其电磁机构进行电磁力的有限元分析, 用 adams 软件对操动机 构进行了动力学仿真分析,仿真结果与实验结果吻合。文献10应用 pro/e 软件建立了 cj20-25 型交流 接触器操动机构的三维实体模型； 用有限元分析软件对交流接触器的电磁机构进行了电磁吸力的静态分 析；在此基础上以多体动力学分析软件 adams 为平台，对交流接触器操动机构动态特性进行可视化 仿真与分析。但其模型中未考虑带常开和常闭辅助触头。 总之， 尽管虚拟样机技术在低压电器及接触器研究中已有一些应用， 但由于所建模型中有些因素未 被考虑，所以还需要进一步完善模型，进行更切合实际的仿真研究。 河北工业大学硕士学位论文 3 1 1- -2 2 交流接触器动态特性的研究交流接触器动态特性的研究 接触器是使用量最大的低压电器产品，主要用于电动机控制。随着工业自动化水平的进一步提高， 对接触器产品的性能和寿命要求越来越高。 交流接触器在接通电路时， 动触头与静触头在达到稳定接触 前会产生弹跳， 不仅影响系统的性能而且产生的电弧对触头的烧蚀作用会降低接触器的电寿命， 尤其是 当接触器用在 ac3 使用类别下，闭合的起动电流达 6 倍的额定电流，触头弹跳成为影响电寿命的主要 因素。因而，研究交流接触器接通电路的整个动态过程，尤其是触头弹跳对于接触器的优化设计和提高 整体性能具有重要的意义和实用价值。 近年来， 国内外学者围绕交流接触器动态特性作了不少研究工作， 但其中的大部分工作是通过简单 的耦合机构运动方程和线圈电路方程分析电磁铁的动态特性，对触头弹跳的问题没有做详细的分析 11-13。 文献14-15通过采用电子线路控制和限定线圈的通电时间来减小触头弹跳， 但由于电子线路 会提高接触器产品的成本，目前电子线路一般应用在额定电流大于 160a 的接触器。文献16采用龙格 库塔法求解接触器闭合过程的电路、电磁场和机械运动微分方程，对动态过程进行了仿真，并对触头弹 跳进行了分析， 但其中未考虑闭合过程磁场的瞬态变化和磁路的饱和， 通过均匀磁场和简单的磁路来分 析闭合过程的电磁力，使计算结果存在较大误差。文献17对交流接触器闭合过程进行了仿真，但仅计 算了不同合闸相角下触头的运动，没有进一步分析影响触头弹跳因素。 本课题建立了接触器闭合动态过程的数学模型，通过对多体系统动力学软件 adams 的二次开发， 耦合求解机械运动方程、 电磁场方程和电路方程， 对接触器闭合动态过程尤其是触头弹跳进行了仿真分 析，并通过实验对仿真结果进行验证。最后，基于建立的模型对合闸相角以及线圈电压等因素对动触头 运动及弹跳的影响进行了分析。 1-3 本课题所做的主要研究工作本课题所做的主要研究工作 本课题的研究将采用试验测试与理论分析相结合的方法进行。 通过理论分析建立完备的多体多自由 度机-电-磁耦合系统动态响应数学物理模型，对具体产品进行动态响应分析，与测试结果比较，并进一 步改进模型。 1. 利用机械振动理论及电磁理论完善迎击式电磁机构多体多自由度机-电-磁耦合系统动态响应 物理模型 adams 虽然也可以用来建立三维实体模型，但是在这方面功能不是很强。一些几何形状复杂的零 件用 adams 难于直接甚至不可能建立， 因此采用专业的建模软件 pro/e 建立交流接触器操动机构的三 维模型。本课题在原有模型基础上添加了两副常开辅助触头和两副常闭辅助触头，用于输出控制信号。 利用 pro/e 和 adams 的接口程序 mech/pro 将所建模型导入 adams 对迎击式电磁机构进行深入的分 析。确定各运动部件之间的相互关系，建立运动方程及相关部件间的电磁作用关系。建立的模型应能揭 示试验现象产生的机理。 2. 对迎击式交流接触器的操动机构进行动力学仿真 用 adams 可以对交流接触器操动机构的合闸和分断过程进行可视化的动态仿真，使用户可以方 便快捷地观察和研究 adams 的仿真结果。不同激磁电压和不同合闸相角对交流接触器操动机构的动 态仿真都有影响，本课题分别从这两方面进行具体的分析。 带辅助触头的迎击式接触器触头动态响应的研究 4 3. 将理论分析结果和实验结果进行比较 对模型的仿真结果与实测结果进行比较，本课题主要对线圈励磁电压、线圈电流、动铁心的位移进 行验证，并对电磁机构动态特性进行分析。 4. 对迎击式交流接触器触头动态响应进行仿真分析 本课题对迎击式交流接触器在不同合闸相角下的弹跳进行分析，主要从合闸相角和激磁电压两个 因素研究它们对主动触头运动的影响，分析其触动时间、闭合时间、弹跳时间与弹跳幅度，获得触头的 运动过程与弹跳情况；并通过主动触头和辅助动触头的位移曲线、速度曲线，进一步对触头的动态响应 进行研究。 河北工业大学硕士学位论文 5 第二章第二章 交流接触器交流接触器操动操动机构机构的的模型建立模型建立 2 2- -1 1 概述概述 2-1-1 2-1-1 研究对象研究对象 本文的研究对象为 cj20-25 型交流接触器， 它主要由磁系统、 触头系统、 灭弧系统、 弹簧释放机构、 辅助触头及基座等几部分组成。 cj20-25 型交流接触器是一种典型的迎击式交流电磁机构，其电磁机构是由动铁心、静铁心、分磁 环、线圈、反力弹簧系统和缓冲弹簧等构成的。这种电磁机构的出现，将有效的减少触头的二次振动， 大大提高电器寿命。 2-1-2 2-1-2 基本原理基本原理 它的基本原理是利用电磁原理通过控制电路和可动衔铁来带动触头控制主电路通断的。 当交流接触 器的线圈通入交流电时，在静铁心上会产生电磁吸力，将动铁心吸合，由此带动主触头闭合，同时辅助 常闭触头打开，辅助常开触头闭合。当线圈断电时，铁心上的磁力消失，在反力弹簧的作用下动铁心回 到原位，动铁心与静铁心之间形成一个工作气隙；同时各触头也随之回到原始状态，动、静触头之间为 触头开距。 在接通与分断的过程中， 触头压力弹簧片和缓冲弹簧都起到了很好的压力传递和减缓振动的 效果。灭弧罩用来熄灭在线圈断电(即触头断开)时产生的电弧。静铁心端面短路环的作用是为了防止交 变电流产生的电磁噪声和振动，因此也叫减振环。在电磁机构方面，对于交流接触器，为了减小因涡流 和磁滞损耗造成的能量损失和温升，铁心和衔铁采用硅钢片叠成。接触器的主触头用于通断主电路，辅 助触头用于通断控制回路。 2 2- -2 2 基于基于 adams 的的运动仿真运动仿真 本节以 adams 软件为平台，充分利用 adams 软件在多体动力学求解方面的优势，对交流接触 器操动机构进行了动力学的可视化仿真。 2-2-1 2-2-1 adams 软件软件 adams（automatic dynamics analysis of mechanical system） 是由美国 mdi（mechanical dynamics inc.）公司开发的机械系统动力学仿真分析软件 18-19。它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库， 创建完全参数化的机械系统几何模型， 其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法， 建 立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反 作用力曲线。adams 软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值裁荷以及计 算有限元的输入载荷等。 adams 软件由若干模块组成， 分为核心模块、 功能扩展模块、 专业模块、 工具箱和接口模块 5 类。 其中最主要的模块为 adamsview用户界面模块和 adamssolver求解器。通过这两个模块 可以对大部分的机械系统进行仿真。adamsview 是 adams 系列产品的核心模块之一，其界面是 以用户为中心的交互式图形环境。 它将简单的图标、 菜单、 鼠标点取操作与交互式图形建模、 仿真计算、 带辅助触头的迎击式接触器触头动态响应的研究 6 动画显示、x-y 曲线图处理、结果分析和数据打印等功能完美地集成在一起。adamssolver 是 adams 系列产品的核心模块之一，是 adams 产品系列中处于心脏地位的仿真“发动机” 。该软件自 动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。adamssolver 有各 种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种工程应用问题。adamssolver 可以对刚体和弹性体进 行仿真研究。为了进行有限元分析和控制系统研究，除满足用户输出位移、速度、加速度和力等的要求 外，还可输出用户自己定义的数据。用户可以通过运动副、运动激励，高副接触、用户定义的子程序等 添加不同的约束，同时可求解运动副之间的作用力和反作用力，或施加单点外力。 2-2-2 2-2-2 adams 的设计流程的设计流程 adams 的设计流程 20如图 2.1 所示，它包括以下几个方面 1. 创建模型 在创建机械系统模型时，首先要创建构成模型的物体，它们具有质量、转动惯量等物理特性。创建 物体的方法有两种：一种是使用 adams/view 中的零件库创建形状简单的物体，另一种是使用接口模 块 adams/exchange 从其他 cad 软件(如：pro/e)输入形状复杂的物体。 使用 adams/view 创建的物体一般有三类：刚体、点质量和弹性体。创建完物体后，需要使用约 束库创建两个物体之间的约束副，这些约束副确定物体之间的连接情况以及物体之间是如何相对运动 的。 最后，通过施加力和力矩，以使模型按照设计要求进行运动仿真。 图 2.1 建模与仿真的步骤 fig. 2.1 steps in modeling and simulating 河北工业大学硕士学位论文 7 2. 测试和验证模型 创建完模型后，或者在创建模型的过程中，都可以对模型进行运动仿真，通过测试整个模型或模型 的一部分， 以验证模型的正确性。 在对模型进行仿真的过程中，adams 自动计算模型的运动特性， 如： 距离、速度信息等。使用 adams/view 则可以测量这些信息以及模型中物体的其他信息。 3. 细化模型和迭代 通过初步的仿真分析， 确定了模型的基本运动后， 就可以在模型中增加更复杂的因素， 以细化模型。 例如：增加两个物体之间的摩擦力、将刚性体改变为弹性体、将刚件约束副替换为弹性联接等等。 为了便于比较不同的设计方案，可以定义设计点和设计变量，将模型进行参数化，这样就可以通过 修改参数自动地修改整个模型。 4. 优化设计 adamsview 可以自动进行多次仿真， 每次仿真改变模型的一个或多个设计变量， 帮助找到机械 系统设计的最优方案。 5. 定制界面 为了使 adams/view 符合设计环境， 可以定制 adams/view 的界面， 将经常需要改动的设计参数 定制成菜单和便捷的对话窗，还可以使用宏命令执行复杂和重复的工作，提高工作速度。 2 2- -3 3 交流接触器操动机构模型交流接触器操动机构模型 2-3-1 2-3-1 三维实体模型三维实体模型 本课题的研究对象为 cj20-25 型交流接触器，它是一种典型的迎击式交流电磁机构。这种电磁机构 的出现，有效地减少了触头的二次振动，大大提高了电器寿命。在创建机械系统模型时，首先要创建构 成模型的物体。本节采用专业的建模软件 pro/e 建立交流接触器操动机构的三维实体模型，如图 2.2 所示。通过利用 pro/e 和 adams 的接口程序 mech/pro 将 pro/e 所建模型导入 adams 软件。 实体模型包括：动静铁心、主触头、主动触桥、支架、常开辅助触头、常闭辅助触头、辅助动触桥、 反作用弹簧、缓冲弹簧、触头压力弹簧、分磁环、底座等。 带辅助触头的迎击式接触器触头动态响应的研究 8 图 2.2 操动机构三维实体模型 fig. 2.2 3d solid model of actuating mechanism 创建完物体后，需要对模型添加约束，施加载荷，添加系统元素和数据元素 21-22。 （1）底座与大地之间、主静触头与大地之间、常开辅助静触头与大地之间、常闭辅助静触头与大 地之间、支架与衔铁之间分别添加固定副。 （2）衔铁与主动触桥之间、衔铁与辅助动触桥之间、动静铁心之间分别添加滑移副。 （3）动静触头之间、动触桥与支架之间、动静铁心之间分别添加接触。 （4）主动触桥与支架之间、辅助动触桥与支架之间分别创建触头弹簧，动铁心与底座之间创建反 力弹簧，静铁心与底座之间创建缓冲弹簧。 2-3-2 2-3-2 动态动态数学模型数学模型 迎击式电磁机构在接通电源时要经历一个合闸过程， 切断电源时也要经历一个释放阶段， 也就是我 们通常所说的吸合和释放过程。吸合过程通常分为两个阶段：第一阶段称之为触动过程，它是指从线圈 接通电源到电流增长到触动电流为止的过程，这个阶段吸力小于或等于反力，动铁心尚未运动。第二阶 段称之为运动过程，在这个阶段中，吸力大于反力，动铁心开始运动。当吸力大于缓冲弹簧的反力时， 静铁心开始向上迎击，气隙减小，直至动、静铁心完全闭合。 交流接触器电磁机构的动作过程包括电磁和机械的过渡过程， 在过渡过程中线圈的电流和磁系统的 磁通都含有瞬态分量，而且与负载特性有关，因此闭合过程的动态特性是由电路、电磁场和机械运动的 微分方程决定。 1、 电路方程 对于线圈来说，满足式（2.1）所示的电路方程，当线圈两端加上交流电压后，线圈中有电流通过, 电流不仅与线圈电阻有关，而且与线圈中的磁通变化率有关。 河北工业大学硕士学位论文 9 s i n () m d uti r dt (2.1) 其中初始条件为： 0 0 t ， 0 0 t i 式中 d dt 磁链对时间的变化率，即线圈反电势 m u电源电压峰值 角频率 合闸相角 , i r线圈电流和电阻 2、 电磁吸力的计算 要对接触器闭合运动过程进行计算关键是要确定系统所受的电磁吸力， 电磁吸力的准确计算是动态 过程仿真的基础。本文所用的电磁吸力是通过有限元软件 ansys 求出的。在不考虑涡流和磁滞的条件 下，对同一电磁机构，电流 i 和吸力 fx 都只是磁链 和气隙 （或位移 x1、x2）的二元函数，此函数 虽然不能直接用数学表达式来表示，却可以用离散数据来表示，按一系列不同的磁链 和气隙 ，求出 对应的 i 和 fx。但是，在使用 ansys 进行有限元分析计算时，只能施加电流密度，磁链无法作为载荷 进行施加，可利用表 2.1 所示关于磁链和吸力的二元数据表进行插值求解。 表 2.1 磁链和吸力的二元数据表 table 2.1 datasheet of fluxlinkage and electromagnetic force i1 i2 im 1 (fx11,11) (fx12,12) (fx1m,1m) 2 (fx21,21) (fx22,22) (fx2m,2m) n (fxn1,n1) (fxn2,n2) (fxnm,nm) 在进行动态仿真前，把具体的电流 i 和气隙 决定的电磁吸力二元数据表（如表 2.2 所示）读入 adams 其中每一气隙下分为两行，上边一行为吸力数据，下面一行为磁链数据23。在进行动特性仿真 时，adams 根据当前时刻的各变量值，通过迭代校正步骤，直到满足收敛条件，得到了下一时刻各个 变量的解。如此反复，直到求解时间达到规定的模拟时间。根据 adams 的求解原理，我们可以由当 前时刻的电流和气隙值通过二元插值得到电磁吸力的值。 根据插值算法我们将电磁吸力 fx 定义为电流 i 与气隙 的二元函数 fx（i，） ，通过取当前时刻的 电流和气隙值得到瞬时吸力值，从而进行下一步的求解。 带辅助触头的迎击式接触器触头动态响应的研究 10 表 2.2 二维数据表 table 2.2 two-dimensional datasheet 0.000 0.030 0.060 0.090 0.120 0.150 0.180 0.210 0.240 0.270 0.300 0.330 0.360 0.390 0.0010 0.000 2.334 9.337 21.017 37.374 58.372 83.944 113.82 146.94 179.44 208.43 229.81 239.07 241.06 0.000 0.395 0.790 1.185 1.580 1.975 2.368 2.756 3.130 3.3457 3.723 3.909 4.015 4.041 0.0015 0.000 1.169 4.675 10.519 18.705 29.232 42.090 57.266 74.726 94.379 116.004 139.417 164.401 190.707 0.000 0.272 0.545 0.817 1.089 1.362 1.643 1.906 2.177 2.445 2.710 2.972 3.231 3.487 0.0020 0.000 0.711 2.842 6.396 11.371 17.771 25.592 34.833 45.486 57.543 70.975 85.746 101.755 118.706 0.000 0.227 0.453 0.680 0.907 1.134 1.361 1.587 1.814 2.040 2.265 2.489 2.711 2.926 0.0025 0.000 0.482 1.929 4.341 7.718 12.061 17.370 23.644 30.880 39.077 48.226 58.322 69.345 81.271 0.000 0.198 0.396 0.594 0.792 0.990 1.188 1.386 1.583 1.781 1.978 2.175 2.372 2.567 0.0030 0.000 0.351 1.404 3.159 5.615 8.775 12.637 17.201 22.467 28.434 35.097 42.455 50.504 59.235 0.000 0.178 0.356 0.534 0.712 0.890 1.068 1.246 1.424 1.602 1.780 1.957 2.134 2.311 0.0035 0.000 0.267 1.069 2.406 4.277 6.684 9.625 13.101 17.113 21.659 26.737 32.345 38.484 45.150 0.000 0.152 0.304 0.456 0.608 0.760 0.912 1.064 1.216 1.368 1.520 1.672 1.823 1.975 0.0040 0.000 0.211 0.843 1.897 3.372 5.270 7.589 10.329 13.492 17.077 21.081 25.505 30.348 35.608 0.000 0.142 0.284 0.425 0.567 0.709 0.851 0.992 1.134 1.276 1.418 1.559 1.700 1.842 0.0045 0.000 0.170 0.681 1.533 2.726 4.259 6.133 8.348 10.905 13.801 17.039 20.615 24.529 28.783 0.000 0.127 0.254 0.381 0.508 0.636 0.763 0.890 1.017 1.144 1.271 1.398 1.525 1.651 0.0050 0.000 0.140 0.561 1.262 2.244 3.507 5.050 6.874 8.978 11.363 14.028 16.973 20.197 23.700 0.000 0.121 0.242 0.363 0.484 0.606 0.727 0.848 0.969 1.090 1.211 1.332 1.453 1.573 0.0055 0.000 0.117 0.469 1.054 1.874 2.929 4.218 5.741 7.498 9.490 11.716 14.176 16.868 19.794 0.000 0.112 0.224 0.337 0.449 0.561 0.673 0.785 0.897 1.010 1.122 1.234 1.346 1.458 0.0060 0.000 0.099 0.395 0.889 1.581 2.470 3.556 4.841 6.323 8.002 9.880 11.954 14.224 16.692 0.000 0.106 0.211 0.317 0.422 0.528 0.633 0.739 0.844 0.950 1.055 1.161 1.266 1.371 3、 机械动力学方程 交流接触器在闭合运动过程中线圈回路满足式（2.1）所示的电路方程。线圈中通过电流时动铁心 受到电磁吸力，带动可动部分运动。结合磁场和磁路方法求得电磁吸力后，可以对闭合过程机械运动方 程求解。本文闭合过程中的机械运动是通过 adams 自动求解的，求解时 adams 根据建立的机械系 统模型，自动建立系统的拉格朗日运动方程24，对每个物体列出带乘子的拉格朗日方程及相应的约束 方程 i 河北工业大学硕士学位论文 11 1 0 0 ,1, 2 , n i ij i ii i dkk f dtuqq im （2.2） 式中 k物体的动能， 1 , 2 t ku mu uq q广义坐标，描述系统中每个物体的位置和方位，对于本文研究对象，不存在转动， ( , , ) t qx y z 系统的约束方程 拉格朗日乘子 f根据建立的动力学模型，系统中每个物体受到的力 下标i表示约束个数，下标j表示系统中的刚体个数。 adams 通过对上述的微分方程和约束方程组构成的多体系统动力学方程求解， 即可求得系统中各 部分的位移、速度和加速度等物理量。 2-3-3 电磁机构反力的计算电磁机构反力的计算 cj20-25 型交流接触器在运动过程中所受的反力主要来源于动静铁心的弹簧系统。其中，静铁心所 受的反力主要来源于 2 个缓冲弹簧。动铁心的反力弹簧系统主要由 2 个主反力弹簧、3 个主触头弹簧和 4 个辅助触头弹簧（2 个常开触头弹簧、2 个常闭触头弹簧）组成。 静铁心所受反力由式(2.3)表示： ff2=2(f0+kx2) (2.3) 其中: f0缓冲弹簧的初始反作用力； k缓冲弹簧的弹性系数； x2静铁心的位移。 动铁心弹簧系统的相关数据如表 2.3 所示。 表 2.3 弹簧系统的相关数据 table 2.3 parameters of spring system 2 个主反力弹簧 3 个主触头弹簧 4 个辅助触头弹簧 初压力（n） 2.400.24 2.45 0.59 终压力（n） 3.920.392 3.43 0.98 开距 （mm） 6 40.5 40.7 超程 （mm） 20.35 20.7 带辅助触头的迎击式接触器触头动态响应的研究 12 动铁心弹簧系统反力特性关键点数据如图 2.3 所示。 15.35666 6.827 4.6333 5.81 2.84 0 5 10 15 20 0123456 气隙长度(mm) 反力(n) 图 2.3 反力特性图 fig.2.3character of opposite force 河北工业大学硕士学位论文 13 第三章第三章 交流接触器交流接触器操动操动机构机构的的动动力学仿真力学仿真 操动机构是接触器的动作执行部分，接触器的工作是否可靠很大程度上取决于其操动机构的性能， 因此要获得更加合理的设计方案就必须对操动机构的动态特性进行研究。 动态特性的复杂性不仅在于磁 路参数的分布性及磁化特性的非线性， 还存在着多变量的相互影响。 电磁式接触器为了适应频繁操作的 需要，动作时间应适当快些，这就要求在规定行程下有较高的运动速度，而衔铁的快速运动将在线圈中 引起运动反电动势，改变了电压平衡时各参量的关系，同时铁芯的磁通变化引起了涡流，它的存在为电 磁机构的动态特性计算增加了难度。 本章利用动力学仿真分析软件 adams 对迎击式交流接触器动态响应数学物理模型进行仿真，并 将仿真结果与实测结果进行比较25-29。 3-1 动态特性仿真动态特性仿真分析分析 本节的研究对象为 cj20-25 型交流接触器，它是一种典型的迎击式交流电磁机构。这种电磁机构的 出现，有效地减少了触头的二次振动，大大提高了电器寿命。在创建机械系统模型时，首先要创建构成 模型的物体。本节采用专业的建模软件 pro/e 建立交流接触器操动机构的三维实体模型，通过利用 pro/e 和 adams 的接口程序 mech/pro 将 pro/e 所建模型导入 adams 软件中进行仿真分析。 3-1-1 操动机构的动力学仿真操动机构的动力学仿真 用 adams 可以对交流接触器操动机构的合闸和分断过程进行可视化的动态仿真。 adams 提供了 丰富的前后处理功能， 可以同时输出高性能的动画和各种数据曲线， 此外还可以进行曲线编辑和数字信 号处理等，使用户可以方便快捷地观察和研究 adams 的仿真结果。操动机构动态仿真的动画截图如 图 3.1 所示。图中左边为三维模型运动过程的动画，右边为运动过程中部分动态参数曲线，曲线的光标 指示会随模型的运动而变化。 带辅助触头的迎击式接触器触头动态响应的研究 14 图 3.1 动态仿真的动画截图 fig.3.1 animation frame of dynamic simulation 3-1-2 不同激磁电压对动态仿真的影响不同激