福州大学科研人员提出交流接触器弹簧系统优化设计的新方法

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交流接触器是一种频繁操作的开关电器，其运动过程中的吸反力配合直接影响可靠性和性能指标，良好的吸反力配合能减少触头弹跳、提高分断特性。在此过程中，交流接触器的弹簧系统发挥着关键作用。

针对交流接触器弹簧系统的多目标优化问题，福州大学电气工程与自动化学院福建省新能源发电与电能变换重点实验室的研究人员唐昭晖、许志红，在2022年第2期《电工技术学报》上撰文，提出一种动态过程的电磁-机械耦合仿真方法和弹簧实体仿真方法，在此基础上引入基于灰色关联法和响应曲面法的综合优化方法，建立触头弹跳时间、触头刚分速度、触头闭合速度、铁心闭合速度与触头弹簧自由高度、触头弹簧有效圈数、反力弹簧自由高度和反力弹簧有效圈数的二阶预测模型，对弹簧系统进行优化设计。

实验结果表明，该优化方法获得的弹簧系统参数能有效减小触头弹跳时间，降低触头及铁心的闭合时间，提高触头分断速度，对于提高交流接触器的工作性能具有积极意义。

交流接触器是一种应用广泛的控制电器，其工作可靠性和各项性能指标直接影响系统的运行情况。吸力与反力特性的合理配合是保证交流接触器可靠性及工作性能的关键。研究人员提出了许多交流接触器电磁机构的优化方法以改善吸力特性。但是单纯优化吸力特性是不全面的，还应考虑弹簧系统的优化设计。交流接触器常使用圆柱螺旋弹簧和截锥螺旋弹簧配合构成反力系统，其设计参数多，且力学特性非线性，因此，需要重点研究如何设计一个合理的弹簧系统。

虚拟样机技术能够有效提高设计效率，有学者采用等效磁路模型计算电磁机构动态特性。等效磁路法有着计算快、建模方便等优点，但误差较大，且涉及一些重要参数难以精确计算。有学者将有限元理论引入电磁机构的计算中，利用电磁有限元软件计算电磁机构的动态过程。有限元法考虑了电磁机构内磁场的分布情况，比等效磁路法更接近实际工作情况。以上文献未考虑触头系统及其他部件，只对电磁系统建模计算。

有学者采用实验方法对接触器和继电器的触头弹跳影响因素进行探究，分析触头闭合瞬时速度、弹簧刚度、触头规格等因素对弹跳振动的影响。有学者建立真空断路器触头合闸弹跳的动力学理论模型，分析触头弹跳影响因素，但该模型将机构等效为质点和理想杆件，进行较大的简化和理想化处理，不适用于定量计算。有学者通过机械动力学软件建立含触头系统的接触器模型，引入触头系统和电磁系统的碰撞弹跳。碰撞弹跳计算需要确定接触刚度系数等关键参数，但文献并未给出这些参数的确定方法。

为了获得最优设计参数，在虚拟样机的基础上，研究人员通过优化算法对接触器进行优化。有学者建立电磁机构有限元模型，对分磁环结构进行分析和优化。有学者采用遗传算法和模拟退火算法对永磁接触器的永磁体进行优化。有学者采用径向基函数（Radial Basis Function, RBF）神经网络和粒子群算法对螺管式接触器进行结构优化。上述文献仅从静态特性角度进行优化。

福州大学的研究人员提出一种电磁-机械耦合仿真方法和基于梁单元的实体弹簧仿真方法，实现交流接触器电磁场与机械动作过程的耦合仿真和圆柱螺旋弹簧、截锥螺旋弹簧力学特性的计算。

图1 交流接触器结构

他们在动态仿真方法的基础上，首次在交流接触器弹簧系统的优化设计中引入基于灰色关联系数和响应曲面法的综合优化方法，从动态特性角度对弹簧系统进行优化设计。通过中心复合试验，以最少的试验次数为响应曲面优化提供足够的数据。通过灰色关联系数，将多目标问题转化为单目标决策问题。最后采用响应曲面法对交流接触器的弹簧系统进行了优化设计。

图2 实验现场

科研人员最后总结研究成果如下：

1）提出一种电磁-机械耦合的交流接触器仿真方法，引入赫兹弹性接触理论确定各部件之间的接触参数，能考虑交流接触器铁心、触头等部件之间的多体作用，模拟交流接触器工作全过程电磁过程、运动过程耦合计算。

2）建立了圆柱螺旋弹簧和截锥螺旋弹簧的实体模型，分析了不同自由高度和有效圈数下圆柱螺旋弹簧的刚度系数变化情况以及截锥螺旋弹簧非线性力学特性的变化情况。对于圆柱螺旋状的触头弹簧，弹簧自由高度对弹簧刚度系数没有影响，可以通过调整自由高度调整初压力；圆柱螺旋弹簧的刚度系数与有效圈数呈负相关。对于截锥螺旋状的反力弹簧，其刚度是非线性的。在线性区域，刚度系数不受自由高度影响，进入非线性段后，自由高度小的截锥螺旋弹簧的力学特性曲线更加陡峭；截锥螺旋弹簧的刚度系数与有效圈数呈负相关。

3）设计中心复合试验，计算不同结构弹簧系统下交流接触器的吸合与分断动态特性，采用灰色关联分析法和响应面法对弹簧系统进行多目标优化，得到触头弹簧自由高度、触头弹簧有效圈数、反力弹簧自由高度和反力弹簧有效圈数的最优匹配，使得触头吸合时间缩短4.5%，触头弹跳时间缩短31.1%，铁心闭合时间缩短16.2%，铁心闭合速度减小19.9%，触头刚分速度提高4.6%，有助于提高交流接触器的速动性，减小触头弹跳引起的触头烧蚀，对触头的电寿命具有积极意义。

本文编自2022年第2期《电工技术学报》，论文标题为“基于响应面法的交流接触器弹簧系统优化设计方法”，作者为唐昭晖、许志红。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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