迎擊式接觸器觸頭動態(tài)分析中的操動機(jī)構(gòu)模型建立的研究

何潔 馬麗娜 劉帥

中圖分類號：TM572 文獻(xiàn)標(biāo)識：A 文章編號：1674-1145（2016）01-000-01

摘 要 本文通過對迎擊式接觸器觸頭動態(tài)運動過程的分析并使用ADAMS及PRO/E軟件，開展對觸頭操作機(jī)構(gòu)的三維動態(tài)模型建立的研究。

關(guān)鍵詞 迎擊式接觸器 動態(tài)分析 操動機(jī)構(gòu) 模型建立

低壓配電產(chǎn)品的性能和結(jié)構(gòu)隨著電網(wǎng)容量的不斷增大及控制要求的不斷提高，其性能和結(jié)構(gòu)也有了更高的要求。早期電器產(chǎn)品研究與開發(fā)，主要依靠的是反復(fù)的制作樣機(jī)和試驗來得到電器產(chǎn)品的性能與特性數(shù)據(jù)，但由于低壓電器在運行時存在許多能量的轉(zhuǎn)換，而這些轉(zhuǎn)換規(guī)律大多是非線性的，許多現(xiàn)象是多種瞬態(tài)形成的動態(tài)過程，使得通過制作樣機(jī)試驗的方式一方面無法得到全面的數(shù)據(jù)，另一方面成本高企、造成較大的浪費。

隨著計算機(jī)技術(shù)的快速進(jìn)步，使得通過計算機(jī)模擬的方式來得到電器實際的工作過程與狀態(tài)變化的動態(tài)特性獲得了極大的發(fā)展。本文對于迎擊式接觸器觸頭的動態(tài)分析應(yīng)用中，使用了ADAMS、Pro/E軟件，研究了建立操作機(jī)構(gòu)的仿真模型，包括三維實體模型和動態(tài)數(shù)學(xué)模型，能夠較全面的考慮到運行過程中涉及到的電、熱、磁、材料、絕緣、機(jī)械以及電接觸等方面的運行情況。

一、ADAMS建模流程

本文使用的ADAMS原件（Automatic Dynamics Analysis of Mechanical System）是使用交互式圖形環(huán)境創(chuàng)建完全參數(shù)化的系統(tǒng)幾何模型的動力學(xué)仿真分析軟件，采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)中的朗格朗日方程方法的求解器，來建立動力方程，能夠精確有效的建立動態(tài)模型以便有效的解決各種工程應(yīng)用問題。

建立迎擊式接觸器觸頭動態(tài)分析中的操動機(jī)構(gòu)模型，首先是要創(chuàng)建具有質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等特性的物體。物體的創(chuàng)建可以使用ADAMS零件庫創(chuàng)建也可使用其他CAD軟件輸入。由于接觸器觸頭操作機(jī)構(gòu)形狀較為負(fù)責(zé)，故本文研究的是通過ADAMS接口模塊Exchange從Pro/E輸入物體；

其次需要根據(jù)運動部件之間的相互關(guān)系及建立的相關(guān)部件的電磁作用關(guān)系及運動方程，使用 ADAMS中的約束庫，建立不同物體之間的連接情況及物體之間作用關(guān)系。最后是通過施加于模型上的力，與實際工況開展對比，通過對比來修正模型輸入的參數(shù)，來得到最能夠體現(xiàn)實際情況的模型。

二、三維實體模型

本篇研究的建模是針對CJ20系列迎擊式交流接觸器，其結(jié)構(gòu)為不帶滅弧的三層二段式結(jié)構(gòu)，上端為熱固性塑料固定著的輔助觸頭、主觸頭，下段熱塑性塑料底座安裝電磁系統(tǒng)及緩沖裝置。因此，實體模型需包括：

1.底座、主靜觸頭、常開常閉輔助靜觸頭，并在其與大地之劍、支架與銜鐵之間添加固定副；

2.銜鐵、主動觸橋、輔助動觸橋、動靜鐵心，并在之劍添加滑移副；

3.動靜觸頭、動觸橋；

4.主動觸橋、輔助動觸橋，并在其與支架之間添加觸頭彈簧；

5.動鐵心與獨鐵心之間的反力彈簧、經(jīng)鐵心與底座之間的緩沖彈簧創(chuàng)建實體后，添加約束、施加載荷，并計算得到系統(tǒng)元素和數(shù)據(jù)元素，構(gòu)建動態(tài)的數(shù)學(xué)模型。

三、動態(tài)數(shù)學(xué)模型

CJ20系列迎擊式交流接觸器的電磁機(jī)構(gòu)經(jīng)歷吸合和釋放過程，也即在接通電源時有一個合閘過程，切斷電源時有一個釋放階段。其中吸合過程包括線圈接通到電流達(dá)到觸動電流位置的觸動過程，此事動鐵心尚未運動，以及吸力大于反力、動鐵心開始運動的運動過程。電磁機(jī)構(gòu)的動作過程包括電磁過程及機(jī)械過程，這些過渡過程都含有與負(fù)載相關(guān)的電流和磁通的瞬態(tài)量。首先分析過程中的電路方程。

線圈通電后，電流不僅與電阻相關(guān)，與磁通變化率也有關(guān)系：

式中：

dψ/dt---磁鏈對時間的變化率

Um---電壓峰值

ω---角頻率

φ---合閘相角

i ---線圈電流

R---線圈電阻

操作機(jī)構(gòu)運動閉合運動中鐵心收到電磁磁力帶動動觸頭的電磁吸力的求解方程為：

式中：

K ——物體的動能，

q ——廣義坐標(biāo)，系統(tǒng)內(nèi)每個部件的位置和方位

ψ——系統(tǒng)的約束

λ——拉格朗日乘子

F ——建立的動力學(xué)模型中物體所收的力線

通過分析上述電路方程及機(jī)械動力學(xué)方程，分析線圈中通過電流時鐵心受到的電磁吸力及可動部分的運動，可以定義電流i、氣隙間距δ決定的電磁吸力Fx，且根據(jù)不同時刻的各變量通過迭代校正約束，逐步達(dá)到收斂條件時的各項瞬時數(shù)據(jù)。

ADAMS根據(jù)得到的一系列數(shù)據(jù)，建立系統(tǒng)的朗格郎日運動方程，對包括各動靜觸頭、輔助觸頭等物體列出帶乘子的約束方程來求解，即可建立各部分的包括位移、速度、加速度、狀態(tài)等物理量的機(jī)械系統(tǒng)模型。

四、結(jié)語

1.使用了ADAMS、Pro/E軟件構(gòu)建操作機(jī)構(gòu)模型能夠全面的考慮運行情況中的電、磁、機(jī)械等方面的參數(shù)。

2.通過與制作樣機(jī)進(jìn)行的試驗對比，采用建立模型的方式與實際試驗的閉合過程基本一致，實現(xiàn)完全的替代，縮短研發(fā)周期、節(jié)省試驗費用。

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