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交流接觸器是一種應(yīng)用廣泛的控制電器，其工作可靠性和各項(xiàng)性能指標(biāo)直接影響系統(tǒng)的運(yùn)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(guān)鍵。研究人員提出了許多交流接觸器電磁機(jī)構(gòu)的優(yōu)化方法以改善吸力特性。但是單純優(yōu)化吸力特性是不全面的，還應(yīng)考慮彈簧系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。交流接觸器常使用圓柱螺旋彈簧和截錐螺旋彈簧配合構(gòu)成反力系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)參數(shù)多，且力學(xué)特性非線性，因此，需要重點(diǎn)研究如何設(shè)計(jì)一個(gè)合理的彈簧系統(tǒng)。

虛擬樣機(jī)技術(shù)能夠有效提高設(shè)計(jì)效率，有學(xué)者采用等效磁路模型計(jì)算電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性。等效磁路法有著計(jì)算快、建模方便等優(yōu)點(diǎn)，但誤差較大，且涉及一些重要參數(shù)難以精確計(jì)算。有學(xué)者將有限元理論引入電磁機(jī)構(gòu)的計(jì)算中，利用電磁有限元軟件計(jì)算電磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)過程。有限元法考慮了電磁機(jī)構(gòu)內(nèi)磁場(chǎng)的分布情況，比等效磁路法更接近實(shí)際工作情況。以上文獻(xiàn)未考慮觸頭系統(tǒng)及其他部件，只對(duì)電磁系統(tǒng)建模計(jì)算。

有學(xué)者采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)接觸器和繼電器的觸頭彈跳影響因素進(jìn)行探究，分析觸頭閉合瞬時(shí)速度、彈簧剛度、觸頭規(guī)格等因素對(duì)彈跳振動(dòng)的影響。有學(xué)者建立真空斷路器觸頭合閘彈跳的動(dòng)力學(xué)理論模型，分析觸頭彈跳影響因素，但該模型將機(jī)構(gòu)等效為質(zhì)點(diǎn)和理想桿件，進(jìn)行較大的簡(jiǎn)化和理想化處理，不適用于定量計(jì)算。有學(xué)者通過機(jī)械動(dòng)力學(xué)軟件建立含觸頭系統(tǒng)的接觸器模型，引入觸頭系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)的碰撞彈跳。碰撞彈跳計(jì)算需要確定接觸剛度系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，但文獻(xiàn)并未給出這些參數(shù)的確定方法。

為了獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，在虛擬樣機(jī)的基礎(chǔ)上，研究人員通過優(yōu)化算法對(duì)接觸器進(jìn)行優(yōu)化。有學(xué)者建立電磁機(jī)構(gòu)有限元模型，對(duì)分磁環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化。有學(xué)者采用遺傳算法和模擬退火算法對(duì)永磁接觸器的永磁體進(jìn)行優(yōu)化。有學(xué)者采用徑向基函數(shù)（Radial Basis Function, RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和粒子群算法對(duì)螺管式接觸器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。上述文獻(xiàn)僅從靜態(tài)特性角度進(jìn)行優(yōu)化。

福州大學(xué)的研究人員提出一種電磁-機(jī)械耦合仿真方法和基于梁?jiǎn)卧膶?shí)體彈簧仿真方法，實(shí)現(xiàn)交流接觸器電磁場(chǎng)與機(jī)械動(dòng)作過程的耦合仿真和圓柱螺旋彈簧、截錐螺旋彈簧力學(xué)特性的計(jì)算。

圖1 交流接觸器結(jié)構(gòu)

他們?cè)趧?dòng)態(tài)仿真方法的基礎(chǔ)上，首次在交流接觸器彈簧系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中引入基于灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)和響應(yīng)曲面法的綜合優(yōu)化方法，從動(dòng)態(tài)特性角度對(duì)彈簧系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過中心復(fù)合試驗(yàn)，以最少的試驗(yàn)次數(shù)為響應(yīng)曲面優(yōu)化提供足夠的數(shù)據(jù)。通過灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)決策問題。最后采用響應(yīng)曲面法對(duì)交流接觸器的彈簧系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

科研人員最后總結(jié)研究成果如下：

1）提出一種電磁-機(jī)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(shù)，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(yùn)動(dòng)過程耦合計(jì)算。

2）建立了圓柱螺旋彈簧和截錐螺旋彈簧的實(shí)體模型，分析了不同自由高度和有效圈數(shù)下圓柱螺旋彈簧的剛度系數(shù)變化情況以及截錐螺旋彈簧非線性力學(xué)特性的變化情況。對(duì)于圓柱螺旋狀的觸頭彈簧，彈簧自由高度對(duì)彈簧剛度系數(shù)沒有影響，可以通過調(diào)整自由高度調(diào)整初壓力；圓柱螺旋彈簧的剛度系數(shù)與有效圈數(shù)呈負(fù)相關(guān)。對(duì)于截錐螺旋狀的反力彈簧，其剛度是非線性的。在線性區(qū)域，剛度系數(shù)不受自由高度影響，進(jìn)入非線性段后，自由高度小的截錐螺旋彈簧的力學(xué)特性曲線更加陡峭；截錐螺旋彈簧的剛度系數(shù)與有效圈數(shù)呈負(fù)相關(guān)。

3）設(shè)計(jì)中心復(fù)合試驗(yàn)，計(jì)算不同結(jié)構(gòu)彈簧系統(tǒng)下交流接觸器的吸合與分?jǐn)鄤?dòng)態(tài)特性，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法和響應(yīng)面法對(duì)彈簧系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，得到觸頭彈簧自由高度、觸頭彈簧有效圈數(shù)、反力彈簧自由高度和反力彈簧有效圈數(shù)的最優(yōu)匹配，使得觸頭吸合時(shí)間縮短4.5%，觸頭彈跳時(shí)間縮短31.1%，鐵心閉合時(shí)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(dòng)性，減小觸頭彈跳引起的觸頭燒蝕，對(duì)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(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于響應(yīng)面法的交流接觸器彈簧系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法”，作者為唐昭暉、許志紅。