基于三维有限元的AC接触器的动特性工程数值仿真

1、引言

    AC接触器是一种属于电磁接触器的控制电器。它主要用于频繁接通或分断交流电路，具有控制容量大，可远距离操作，配合继电器可以实现定时操作，连锁控制，各种定量控制和失压、欠压保护，广泛应用于自动控制电路。而电磁机构又是接触器的重要组成部分，只有动态过程才表征了电磁机构动作时的真实过程，只有动态吸力与反力特性的配合才是电磁机构设计的关键。这也就使得在进行优化之前，完成对电磁机构动态特性一定程度上的精确仿真，变得尤为重要。

    过去解电磁机构动特性方程时的经典的方法是简化分析法、图解法、图解分析法等工程简化方法。本文将运用目前广泛流行的应用计算机及有限元技术对电磁机构进行数值法的求解，最后再进行整体机构的运动仿真。

2、分析模型与方法

    2.1 电磁吸力的计算

    图1所示为建立的GSC1型接触器的分析模型和计算电磁吸力的有限元模型图。

图1 分析模型及有限元模型

    AC接触器电磁机构动态特性计算的复杂性，不仅在于磁路计算的非线性，而且还在于运动过程诸参量间的互相影响。动铁心的快速运动将在线圈中引起反电动势，改变了电压平衡时各参量之间的关系，同时铁心磁通的变化引起了涡流，它的存在增加了AC接触器电磁机构的动态特性的计算难度。通常采用的AC接触器电磁机构动态特性计算方法有基于磁场计算和基于磁路计算两种不同途径。其中电磁吸力的计算又是动态过程仿真的基础。文献指出，对于气隙大于2mm时，可以不考虑分磁环中的感应电流的影响，而且考虑到气隙较大时磁场分布不均匀，采用“路”的方法会引起较大的误差，这样，本文采用“场”和“路”结合的方法来进行电磁吸力的计算。

    2.2 电磁吸力二维数据表的构建

    通过改变 和 ，经过若干次静态分析计算，获得各离散点处的电磁吸力 的数值，构造出二维数据表（见表一）。只要给出气隙 和励磁电流 的数值，就可以利用插值法计算出此时对应的电磁吸力 的数值。这样就为后续用进行运动仿真提供了数据支持。

表一 电磁吸力的二维数据表

    2.3 电磁机构动态特性分析

    是一个虚拟原型机仿真工具。可以模拟机动化装配体的机械动作以及他们产生的作用力。通过确定各种相关因素（如能量耗散、运动零件之间的干涉），有助于确定设计方案是否会失效、零件将在何时断裂以及它们是否存在安全隐患。