福州大学鲍光海、王金鹏 等：磁保持继电器多物理场耦合模型设计与触头弹跳影响因素分析

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针对将簧片定义为刚体的仿真方式无法还原簧片式继电器实际特性的问题，福州大学科研人员在2023年第3期《电工技术学报》上撰文，提出了基于显式动力学和电磁学耦合的仿真方法，模拟簧片的形变，求解继电器的动态特性，提高继电器刚柔耦合模型的仿真准确度。

研究背景

继电器多样的应用环境导致用户对高性能继电器的需求日益增加，使用仿真方法设计和优化继电器能够降低生产成本，提升产品设计效率。触头弹跳引起的触点粘接和触头磨损影响继电器的使用寿命。应用多物理场耦合仿真技术能够还原继电器的运动过程。

通过仿真方法得到样机模型的动作时间、吸合特性、触头运动速度等等，将仿真结果作为对样机模型的初步验证，满足设计要求后，再开模制造实物。对于需要优化的产品，也能通过仿真方法验证优化结果是否可靠，仿真结果可以为设计师提供参考，提高设计效率。

解决的问题及意义

提出了基于ANSYS LS-DYNA与ANSYS/Maxwell和ANSYS/Simplorer的联合仿真方法，提高了继电器刚柔耦合模型的仿真准确度。实现了励磁线圈外电路、电磁系统三维有限元模型、机械动力学模型的控制和耦合。提升了产品设计效率、降低生产成本。

方法及创新点

借助ANSYS/Maxwell和ANSYS/Simplorer联合建立继电器电磁学模型。将ANSYS/Simplorer与Simulink耦合，编写程序通过MATLAB控制Simulink即可控制电磁学模型。通过基于连续介质力学的ANSYS/LS-DYNA处理簧片的非线性变形，建立刚柔耦合的机械动力学模型，使用APDL命令流实现机械动力学模型的创建，通过MATLAB控制并调用APDL命令流文件。

由于ANSYS/LS-DYNA没有与电磁学模型数据交互的通道，通过编写MATLAB m文件建立ANSYS/LS-DYNA与电磁学模型间的数据交互通道，实现相同时间域下三维瞬态电磁场模型和动力学模型的数据交互和动态耦合。图1所示为联合仿真流程图。

图1  联合仿真流程图

联合仿真步骤如下：

（1）第1个步长

设衔铁初始转速为0，在第一个时间步内，启动三维瞬态电磁学模型，将初始转速通过Simulink赋给Simplorer运动控制器件，在此转速下，通过Simulink指令控制电磁学模型运行一个步长后暂停，并将此时的转矩曲线导出至后台文本文件中。

通过APDL中VREAD指令，将生成的转矩文件导入动力学模型，并作为衔铁的转矩载荷，在求解一个步长的时间后停止动力学模型，并对动力学模型进行后处理，计算在此转矩驱动下衔铁的转速，并输出至后台文本中，第一步结束。

（2）第2个步长

在第二个时间步长开始时，通过Simulink读取后台衔铁转速值，再次赋给Simplorer运动控制器件，控制Maxwell中衔铁运动，得出电磁转矩曲线，再暂停。动力学模型利用ANSYS LS-DYNA的重启动功能，在上一个步长计算的基础之上，读取此时的转矩曲线，并对后台计算文件进行修改，然后进行重启动，取得下一个步长的衔铁转速。

（3）步长循环

当累积的总时间步长达到所设定的总仿真时间时，计算停止。电磁学模型在Simulink的控制下，可在每步长任意启动和暂停来刷新参数，但在ANSYS LS-DYNA基础上的动力学模型，无法暂停计算刷新数据，所以采用重启动功能，在上一步长的基础上更新计算文件并重启动计算，保证计算过程的连续性。全过程仿真控制程序由MATLAB编写实现。

结论

采用ANSYS LS-DYNA能够实现对继电器柔性体簧片和其余刚体部件动力学仿真。在此基础上通过MATLAB建立ANSYS-Maxwell与ANSYS LS-DYNA的数据交互接口，实现多物理场联合仿真。通过机-电-磁多物理场耦合仿真，能够得到磁保持继电器的动态特性和触头的运动情况，提升仿真准确性和设计效率。

团队介绍

该论文的作者团队鲍光海、王金鹏、和王毅龙来自福州大学电气工程与自动化学院。研究团队负责人鲍光海，博士，教授，长期从事电器及其系统智能化与故障诊断、故障电弧检测、机器视觉缺陷检测等研究。主持福建省科技厅工业引导重点项目、福建省自然科学基金以及相关企业横向项目20多项；近五年产学研合作项目到校经费超过300万元；近年来发表学术论文50多篇，其中SCI收录8篇，EI收录5篇，获得多项发明专利授权。

本文编自2023年第3期《电工技术学报》，论文标题为“磁保持继电器多物理场耦合模型设计与触头弹跳影响因素分析”。

引用本文

鲍光海, 王金鹏, 王毅龙. 磁保持继电器多物理场耦合模型设计与触头弹跳影响因素分析[J]. 电工技术学报, 2023, 38(3): 828-840. Bao Guanghai, Wang Jinpeng, Wang Yilong. Design of Multi-Physical Field Coupling Model of Magnetic Latching Relay and Analysis of Influencing Factors of Contact Bounce. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(3): 828-840.

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