- 頭條福州大學科研人員提出交流接觸器彈簧系統優化設計的新方法2022-06-22 作者：唐昭暉、許志紅 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語交流接觸器是一種頻繁操作的開關電器，其運動過程中的吸反力配合直接影響可靠性和性能指標，良好的吸反力配合能減少觸頭彈跳、提高分斷特性。在此過程中，交流接觸器的彈簧系統發揮著關鍵作用。 針對交流接觸器彈簧系統的多目標優化問題，福州大學電氣工程與自動化學院福建省新能源發電與電能變換重點實驗室的研究人員唐昭暉、許志紅，在2022年第2期《電工技術學報》上撰文，提出一種動態過程的電磁-機械耦合仿真方法和彈簧實體仿真方法，在此基礎上引入基于灰色關聯法和響應曲面法的綜合優化方法，建立觸頭彈跳時間、觸頭剛分速度、觸頭閉合速度、鐵心閉合速度與觸頭彈簧自由高度、觸頭彈簧有效圈數、反力彈簧自由高度和反力彈簧有效圈數的二階預測模型，對彈簧系統進行優化設計。 實驗結果表明，該優化方法獲得的彈簧系統參數能有效減小觸頭彈跳時間，降低觸頭及鐵心的閉合時間，提高觸頭分斷速度，對于提高交流接觸器的工作性能具有積極意義。
交流接觸器是一種應用廣泛的控制電器，其工作可靠性和各項性能指標直接影響系統的運行情況。吸力與反力特性的合理配合是保證交流接觸器可靠性及工作性能的關鍵。研究人員提出了許多交流接觸器電磁機構的優化方法以改善吸力特性。但是單純優化吸力特性是不全面的，還應考慮彈簧系統的優化設計。交流接觸器常使用圓柱螺旋彈簧和截錐螺旋彈簧配合構成反力系統，其設計參數多，且力學特性非線性，因此，需要重點研究如何設計一個合理的彈簧系統。
虛擬樣機技術能夠有效提高設計效率，有學者采用等效磁路模型計算電磁機構動態特性。等效磁路法有著計算快、建模方便等優點，但誤差較大，且涉及一些重要參數難以精確計算。有學者將有限元理論引入電磁機構的計算中，利用電磁有限元軟件計算電磁機構的動態過程。有限元法考慮了電磁機構內磁場的分布情況，比等效磁路法更接近實際工作情況。以上文獻未考慮觸頭系統及其他部件，只對電磁系統建模計算。
有學者采用實驗方法對接觸器和繼電器的觸頭彈跳影響因素進行探究，分析觸頭閉合瞬時速度、彈簧剛度、觸頭規格等因素對彈跳振動的影響。有學者建立真空斷路器觸頭合閘彈跳的動力學理論模型，分析觸頭彈跳影響因素，但該模型將機構等效為質點和理想桿件，進行較大的簡化和理想化處理，不適用于定量計算。有學者通過機械動力學軟件建立含觸頭系統的接觸器模型，引入觸頭系統和電磁系統的碰撞彈跳。碰撞彈跳計算需要確定接觸剛度系數等關鍵參數，但文獻并未給出這些參數的確定方法。
為了獲得最優設計參數，在虛擬樣機的基礎上，研究人員通過優化算法對接觸器進行優化。有學者建立電磁機構有限元模型，對分磁環結構進行分析和優化。有學者采用遺傳算法和模擬退火算法對永磁接觸器的永磁體進行優化。有學者采用徑向基函數（Radial Basis Function, RBF）神經網絡和粒子群算法對螺管式接觸器進行結構優化。上述文獻僅從靜態特性角度進行優化。
福州大學的研究人員提出一種電磁-機械耦合仿真方法和基于梁單元的實體彈簧仿真方法，實現交流接觸器電磁場與機械動作過程的耦合仿真和圓柱螺旋彈簧、截錐螺旋彈簧力學特性的計算。
圖1 交流接觸器結構
他們在動態仿真方法的基礎上，首次在交流接觸器彈簧系統的優化設計中引入基于灰色關聯系數和響應曲面法的綜合優化方法，從動態特性角度對彈簧系統進行優化設計。通過中心復合試驗，以最少的試驗次數為響應曲面優化提供足夠的數據。通過灰色關聯系數，將多目標問題轉化為單目標決策問題。最后采用響應曲面法對交流接觸器的彈簧系統進行了優化設計。
圖2 實驗現場
科研人員最后總結研究成果如下：
1）提出一種電磁-機械耦合的交流接觸器仿真方法，引入赫茲彈性接觸理論確定各部件之間的接觸參數，能考慮交流接觸器鐵心、觸頭等部件之間的多體作用，模擬交流接觸器工作全過程電磁過程、運動過程耦合計算。
2）建立了圓柱螺旋彈簧和截錐螺旋彈簧的實體模型，分析了不同自由高度和有效圈數下圓柱螺旋彈簧的剛度系數變化情況以及截錐螺旋彈簧非線性力學特性的變化情況。對于圓柱螺旋狀的觸頭彈簧，彈簧自由高度對彈簧剛度系數沒有影響，可以通過調整自由高度調整初壓力；圓柱螺旋彈簧的剛度系數與有效圈數呈負相關。對于截錐螺旋狀的反力彈簧，其剛度是非線性的。在線性區域，剛度系數不受自由高度影響，進入非線性段后，自由高度小的截錐螺旋彈簧的力學特性曲線更加陡峭；截錐螺旋彈簧的剛度系數與有效圈數呈負相關。
3）設計中心復合試驗，計算不同結構彈簧系統下交流接觸器的吸合與分斷動態特性，采用灰色關聯分析法和響應面法對彈簧系統進行多目標優化，得到觸頭彈簧自由高度、觸頭彈簧有效圈數、反力彈簧自由高度和反力彈簧有效圈數的最優匹配，使得觸頭吸合時間縮短4.5%，觸頭彈跳時間縮短31.1%，鐵心閉合時間縮短16.2%，鐵心閉合速度減小19.9%，觸頭剛分速度提高4.6%，有助于提高交流接觸器的速動性，減小觸頭彈跳引起的觸頭燒蝕，對觸頭的電壽命具有積極意義。
本文編自2022年第2期《電工技術學報》，論文標題為“基于響應面法的交流接觸器彈簧系統優化設計方法”，作者為唐昭暉、許志紅。
