接触器触头系统动态特性仿真分析及优化
发布时间：2021-03-08 12:42
交流接触器是一种应用广泛的远程自动控制开关,由于其易于加工、接触可靠且过载能力强等优点,广泛应用于频繁通断的各种电路控制系统中。交流接触器在频繁的接通与开断过程中会引起触头弹跳,触头弹跳产生的电弧不仅严重影响触头系统的性能,还会对触头造成相应的烧蚀和磨损,其次,触头弹跳会造成电路瞬间反复开断,进而产生浪涌电流,严重危害被控设备的使用寿命。因此如何减小和抑制触头弹跳已成为提高接触器电寿命及可靠性的关键。本文以A9-30-10型接触器为研究对象,基于ADAMS和ANSYS软件建立了交流接触器三维动态仿真模型,对交流接触器合闸过程进行了全面且系统的研究,并通过实验对仿真结果进行了验证,取得了如下研究成果:（1）为了揭示接触器触头系统弹跳动力学行为及影响因素,本文对交流接触器结构模型进行深入分析并简化,从振动角度建立了交流接触器二自由度非线性碰撞振动模型,根据交流接触器合闸过程中有无碰撞的特点,采用分段思想,提出了触头和铁心弹跳全过程分段振动微分方程,结果表明,该方程能准确反映接触器动态合闸过程中触头、铁芯弹跳的全过程。（2）本文利用ADAMS与ANSYS相结合的方法,实现了交流接触器电-磁-...
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
铁芯B-H曲线
西安建筑科技大学硕士学位论文233.2.3网格的划分单元属性和材料属性添加后，就需要对所建模型进行网格划分，以便进行求解和后处理。网格是有限元分析的基础，要想得到可靠的分析结果，首先要保证网格的质量。模型求解的精确程度和网格质量有着紧密关联，在模型体积一定时，网格尺寸越小，网格数量越多，其最终结果的计算精度也会越高，但网格尺寸越小，会使得仿真模型的计算量大大增加，因此网格尺寸的划分并没有统一标准，具体需要根据仿真模型的实际尺寸进行调整。ANSYS软件中将网格的划分精细水平设为10个等级，根据模型的大小，不同的等级对应不同的网格划分尺寸，其中1级划分为最精细网格，模型求解精度最高，但网格划分时间长，计算量大，模型求解耗时较长，对电脑设备性能要求较高。10级为最粗糙等级，网格尺寸较大，划分网格较快，但由于网格尺寸过大导致求解精度不高。因此本课题综合考虑了网格尺寸和求解精度，最终选择了3级网格划分精度。网格划分等级确定后，就需要选择网格划分的形式，ANSYS中网格的划分种类和方式有很多。对于形状比较复杂的模型多采用自由网格划分，对于比较规则的模型可以考虑映射网格划分，扫掠式网格划分是从体的一侧到另一侧扫掠式划分。本课题最终选用了ANSYS的MeshTool工具进行了自由网格划分，其网格划分后的模型如图3.3所示。图3.3电磁机构有限元模型3.2.4电流源的施加电磁线圈是交流接触器电磁机构的主要部件，通常在模型建立中，我们必须对其进行建模和进行网格划分。但随着ANSYS软件的不断发展，其单元类型和
西安建筑科技大学硕士学位论文24功能也变得更加强大和完善，因此本课题直接采用ANSYS软件中的有限哑单元SOURC36，该单元是ANSYS建立线圈的专用单元，采用该单元建立的线圈模型不需要进行有限元网格划分就能直接进行计算和后处理。使用该单元建立线圈模型只需要在命令中指明电流源的形状和位置，通过哑元单元实常数可以自定义线圈的匝数、所施加电流的大小以及电磁线圈的长、宽、高。需要注意的是，虽然本课题只建立了四分之一电磁机构模型，但任然需要为整个电流源建模。本课题所用的SOURC36单元是在ANSYS中采用命令流的方式直接生成的，其跑道型线圈具体命令流如下：RACE,XC,YC,RAD,TCUR,DY,DZ,,,CNAME,命令流对应的线圈各参数分布如图3.4所示。图3.4跑道型线圈3.2.5边界条件和载荷的施加边界条件和载荷的施加是进行有限元仿真计算的关键一环。ANSYS软件的边界条件和载荷即可以直接施加到实体模型上，也可以施加到有限元模型中，当载荷施加到实体模型时，ANSYS程序会自动将模型中施加的载荷和边界条件传递到有限元模型上。本课题电磁仿真中求解边界条件采用系统默认的边界条件，即磁力线平行边界条件。要想计算电磁机构吸力大小，需要对动铁芯整体进行力标志的添加，本文采用ANSYS宏命令中的FMAGSUM，对其网格模型中的麦克斯韦和虚功力进行求和计算，其基本做法为将动铁心的网格单元定义为一个组件，通过组件可以对构成动铁芯的所有网格单元进行电磁力求和计算。本课题为了避免模型在后处理过程中出现病态矩阵，还需要对其模型中的一个点上施加约束，即MAG=0，如图3.5所示。其相关操作的命令流如下：将所选单元生成一个组件：UtilityMenu>Select>Comp/Assembly>CreateComponent,
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种新型自适应遗传算法在多峰函数优化中的应用[J]. 张大科,钱谦. 软件导刊. 2018(06)
[2]交流接触器智能控制技术的发展[J]. 黄火明,薛毓强,吴旋昊. 电气开关. 2017(06)
[3]基于BP神经网络的交流接触器剩余电寿命预测[J]. 李奎,李晓倍,郑淑梅,贺建超,武一. 电工技术学报. 2017(15)
[4]低压开关的机构动态仿真分析与优化[J]. 谭韡,查海林,肖星. 中国机械工程. 2017(09)
[5]改进的自适应遗传算法在函数优化中的应用[J]. 杨从锐,钱谦,王锋,孙铭会. 计算机应用研究. 2018(04)
[6]基于模型预测控制的接触器开关弹跳抑制研究[J]. 郭凯伟,王立国,张超羽,魏家昊. 中国电机工程学报. 2017(09)
[7]交流接触器虚拟样机设计技术[J]. 何晓燕,许志红. 电工技术学报. 2016(14)
[8]智能交流接触器的研究现状及发展趋势[J]. 林成全,魏国莲. 山东工业技术. 2016(14)
[9]基于混沌人工搜索群算法的交流接触器优化设计[J]. 徐前程,陈堂功. 电器与能效管理技术. 2016(09)
[10]具有电磁可控反力的智能交流接触器的实现与动态分析[J]. 陈德为,陈文桂,吕伯钦,黄烨洋. 中国电机工程学报. 2016(13)
博士论文
[1]基于触头动态接触压力信号的触头弹跳分析与试验研究[D]. 李俊峰.河北工业大学 2016
[2]交流接触器现代设计关键技术研究[D]. 赵升.河北工业大学 2015
[3]迎击式交流接触器动态响应性能评价研究[D]. 杨怡君.河北工业大学 2013
硕士论文
[1]闭环控制接触器及其动态性能的研究[D]. 王雷.沈阳工业大学 2018
[2]大功率接触器多目标综合优化方法研究[D]. 郭久威.哈尔滨工业大学 2017
[3]智能同步交流接触器及其控制系统设计[D]. 刘桐麟.沈阳工业大学 2016
[4]交流接触器触头接触特性的仿真研究[D]. 方圣.河北工业大学 2015
[5]司机控制器的速动开关特性仿真和调速模块检测技术研究[D]. 杨松.河北工业大学 2015
[6]交流接触器仿真设计与智能控制系统研究[D]. 陈亚彬.东南大学 2015
[7]基于改进人工搜索群算法的电磁装置优化设计[D]. 刘亚贤.河北工业大学 2014
[8]智能交流接触器电磁机构的仿真及优化技术研究[D]. 刘会巧.河北工业大学 2014
[9]滚珠丝杠感应加热有限元分析及优化[D]. 宋燕莎.山东大学 2013
本文编号：3071065
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
铁芯B-H曲线
西安建筑科技大学硕士学位论文233.2.3网格的划分单元属性和材料属性添加后，就需要对所建模型进行网格划分，以便进行求解和后处理。网格是有限元分析的基础，要想得到可靠的分析结果，首先要保证网格的质量。模型求解的精确程度和网格质量有着紧密关联，在模型体积一定时，网格尺寸越小，网格数量越多，其最终结果的计算精度也会越高，但网格尺寸越小，会使得仿真模型的计算量大大增加，因此网格尺寸的划分并没有统一标准，具体需要根据仿真模型的实际尺寸进行调整。ANSYS软件中将网格的划分精细水平设为10个等级，根据模型的大小，不同的等级对应不同的网格划分尺寸，其中1级划分为最精细网格，模型求解精度最高，但网格划分时间长，计算量大，模型求解耗时较长，对电脑设备性能要求较高。10级为最粗糙等级，网格尺寸较大，划分网格较快，但由于网格尺寸过大导致求解精度不高。因此本课题综合考虑了网格尺寸和求解精度，最终选择了3级网格划分精度。网格划分等级确定后，就需要选择网格划分的形式，ANSYS中网格的划分种类和方式有很多。对于形状比较复杂的模型多采用自由网格划分，对于比较规则的模型可以考虑映射网格划分，扫掠式网格划分是从体的一侧到另一侧扫掠式划分。本课题最终选用了ANSYS的MeshTool工具进行了自由网格划分，其网格划分后的模型如图3.3所示。图3.3电磁机构有限元模型3.2.4电流源的施加电磁线圈是交流接触器电磁机构的主要部件，通常在模型建立中，我们必须对其进行建模和进行网格划分。但随着ANSYS软件的不断发展，其单元类型和
西安建筑科技大学硕士学位论文24功能也变得更加强大和完善，因此本课题直接采用ANSYS软件中的有限哑单元SOURC36，该单元是ANSYS建立线圈的专用单元，采用该单元建立的线圈模型不需要进行有限元网格划分就能直接进行计算和后处理。使用该单元建立线圈模型只需要在命令中指明电流源的形状和位置，通过哑元单元实常数可以自定义线圈的匝数、所施加电流的大小以及电磁线圈的长、宽、高。需要注意的是，虽然本课题只建立了四分之一电磁机构模型，但任然需要为整个电流源建模。本课题所用的SOURC36单元是在ANSYS中采用命令流的方式直接生成的，其跑道型线圈具体命令流如下：RACE,XC,YC,RAD,TCUR,DY,DZ,,,CNAME,命令流对应的线圈各参数分布如图3.4所示。图3.4跑道型线圈3.2.5边界条件和载荷的施加边界条件和载荷的施加是进行有限元仿真计算的关键一环。ANSYS软件的边界条件和载荷即可以直接施加到实体模型上，也可以施加到有限元模型中，当载荷施加到实体模型时，ANSYS程序会自动将模型中施加的载荷和边界条件传递到有限元模型上。本课题电磁仿真中求解边界条件采用系统默认的边界条件，即磁力线平行边界条件。要想计算电磁机构吸力大小，需要对动铁芯整体进行力标志的添加，本文采用ANSYS宏命令中的FMAGSUM，对其网格模型中的麦克斯韦和虚功力进行求和计算，其基本做法为将动铁心的网格单元定义为一个组件，通过组件可以对构成动铁芯的所有网格单元进行电磁力求和计算。本课题为了避免模型在后处理过程中出现病态矩阵，还需要对其模型中的一个点上施加约束，即MAG=0，如图3.5所示。其相关操作的命令流如下：将所选单元生成一个组件：UtilityMenu>Select>Comp/Assembly>CreateComponent,
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种新型自适应遗传算法在多峰函数优化中的应用[J]. 张大科,钱谦. 软件导刊. 2018(06)
[2]交流接触器智能控制技术的发展[J]. 黄火明,薛毓强,吴旋昊. 电气开关. 2017(06)
[3]基于BP神经网络的交流接触器剩余电寿命预测[J]. 李奎,李晓倍,郑淑梅,贺建超,武一. 电工技术学报. 2017(15)
[4]低压开关的机构动态仿真分析与优化[J]. 谭韡,查海林,肖星. 中国机械工程. 2017(09)
[5]改进的自适应遗传算法在函数优化中的应用[J]. 杨从锐,钱谦,王锋,孙铭会. 计算机应用研究. 2018(04)
[6]基于模型预测控制的接触器开关弹跳抑制研究[J]. 郭凯伟,王立国,张超羽,魏家昊. 中国电机工程学报. 2017(09)
[7]交流接触器虚拟样机设计技术[J]. 何晓燕,许志红. 电工技术学报. 2016(14)
[8]智能交流接触器的研究现状及发展趋势[J]. 林成全,魏国莲. 山东工业技术. 2016(14)
[9]基于混沌人工搜索群算法的交流接触器优化设计[J]. 徐前程,陈堂功. 电器与能效管理技术. 2016(09)
[10]具有电磁可控反力的智能交流接触器的实现与动态分析[J]. 陈德为,陈文桂,吕伯钦,黄烨洋. 中国电机工程学报. 2016(13)
博士论文
[1]基于触头动态接触压力信号的触头弹跳分析与试验研究[D]. 李俊峰.河北工业大学 2016
[2]交流接触器现代设计关键技术研究[D]. 赵升.河北工业大学 2015
[3]迎击式交流接触器动态响应性能评价研究[D]. 杨怡君.河北工业大学 2013
硕士论文
[1]闭环控制接触器及其动态性能的研究[D]. 王雷.沈阳工业大学 2018
[2]大功率接触器多目标综合优化方法研究[D]. 郭久威.哈尔滨工业大学 2017
[3]智能同步交流接触器及其控制系统设计[D]. 刘桐麟.沈阳工业大学 2016
[4]交流接触器触头接触特性的仿真研究[D]. 方圣.河北工业大学 2015
[5]司机控制器的速动开关特性仿真和调速模块检测技术研究[D]. 杨松.河北工业大学 2015
[6]交流接触器仿真设计与智能控制系统研究[D]. 陈亚彬.东南大学 2015
[7]基于改进人工搜索群算法的电磁装置优化设计[D]. 刘亚贤.河北工业大学 2014
[8]智能交流接触器电磁机构的仿真及优化技术研究[D]. 刘会巧.河北工业大学 2014
[9]滚珠丝杠感应加热有限元分析及优化[D]. 宋燕莎.山东大学 2013
本文编号：3071065
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