CN107229788B - 智能接触器虚拟样机设计平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能接触器虚拟样机设计平台，包括选型模块，提供上位机界面，用于用户根据需求对主电路类型、控制电路类型、电磁系统类型、触头系统类型和材料类型进行选型；参数设置模块，在选型确定后，对所选类型的参数进行设置；计算模块包括电磁场计算模型，内含电磁系统动态模型、触头电动力计算模型和电路器件电磁模型三部分，通过电磁场计算模型获得不同控制方案下电磁系统包含吸合、吸持和分断全过程的动态特性，不同主电路情况下的触头系统加载时的电磁分布参数和电路及器件的电磁特性参数；分析模块，对计算模块获得的参数进行分析。本发明综合考虑了电、磁、热、机械及流体的多场耦合。

Description

智能接触器虚拟样机设计平台

技术领域

本发明涉及一种智能接触器虚拟样机设计平台。

背景技术

接触器作为频繁通断的控制电器，是使用量最大的控制电器之一。随着电力工业、建筑及设备制造等行业的迅速发展，对供电和控制系统可靠性、连续性提出越来越高的要求，推进了接触器的更新换代，接触器正朝着小体积、高可靠性、长电寿命、低噪声、智能化、节能环保等方向发展。面对市场对高性能接触器的需求，如何保证产品性能的同时缩短新产品开发周期和成本，开发出个性化、有特色、具有自主知识产权的接触器成为企业关注的焦点。

接触器在工作过程中涉及到电、磁、热、机械和流场等多个物理场，且各物理场处于暂态非线性的变化中，使得接触器的运行状况更加复杂。传统的设计方法往往是从静态的单场域的角度结合工程经验进行设计，设计结果很难达到设计预期，再经过不断地实验测试和改进才能达标进入批量生产环节，终导致产品开发的长周期和高成本，无法满足高品质、低成本的设计需求。随着计算机技术在工程领域的发展应用，由CAX/DFX等技术发展而来，采用虚拟建模及仿真技术模拟产品真实运行环境来分析产品整机性能的虚拟样机技术得到了迅速发展。将虚拟样机技术引入到接触器设计中，能够综合考虑接触器各场量间的暂态变化，实现多物理场的暂态耦合，可直观反映各场量的变化情况。同时随着电磁、热力、动力、流体等仿真技术推广和相关商业软件日益成熟，研究呈现由单物理场向多物理场耦合的趋势。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种综合考虑了电、磁、热、机械及流体的多场耦合的智能接触器虚拟样机设计平台

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种智能接触器虚拟样机设计平台，其特征在于：包括选型模块、参数设置模块、计算模块和分析模块；

所述选型模块，提供上位机界面，用于用户根据需求对主电路类型、控制电路类型、电磁系统类型、触头系统类型和材料类型进行选型；

所述参数设置模块，在选型确定后，对所选类型的参数进行设置；

所述计算模块包括电磁场计算模型，内含电磁系统动态模型、触头电动力计算模型和电路电磁模型三部分，通过电磁场计算模型获得不同控制方案下电磁系统包含吸合、吸持和分断全过程的动态特性，不同主电路情况下的触头系统加载时的电磁分布参数和电路及器件的电磁特性参数；

所述分析模块，对计算模块获得的参数进行分析。

进一步的，所述电磁场计算模型中，

电磁系统动态模型通过线圈电感实现与控制电路的耦合，实现本体与不同类型激励源的多物理场耦合，是多物理场耦合模型的基础模型，为其他物理场提供了各个模型所需要的参数；

触头电动力计算模型用于获取触头系统在加载不同类型主电路情况下的电流收缩、电动力及电磁场分布情况；

电路电磁模型通过建立器件模型获得器件的电磁参数，再通过建立电路系统模型获得电路的磁场分布及损耗情况。

进一步的，在所述电磁场计算模型的基础上，所述计算模块建立对应部件的温度场计算模型，通过对应的损耗和温度参数的相互耦合，从而获得各部件的温升参数和分布情况。

进一步的，在所述电磁场计算模型的基础上，所述计算模块建立接触器多体动力学计算模型，包括触头系统、电磁系统及反力弹簧系统，通过吸力、反力参数的耦合，获得产品运动、碰撞过程中的位移、弹跳、形变及疲劳情况。

进一步的，在所述电磁场计算模型和多体动力学计算模型的基础上，所述计算模块获得铁芯与触头的运动轨迹及磁场分布，结合电弧的场域研究，建立接触器吸合过程与分断过程的运动电弧计算模型，从而获得触头电弧的能量及运动轨迹。

进一步的，在所述电磁场计算模型的基础上，所述计算模块通过耦合器件的电磁参数建立全电路仿真模型，从而进行电路的电磁干扰、噪声频响特性及谐波的傅里叶分析。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、通过所建的多体动力学计算模型和电磁场计算模型，获得铁心与触头的运动轨迹及磁场分布，结合电弧的场域研究，将形成接触器吸合过程与分断过程的运动电弧模型，从而形成含触头系统运动电弧的虚拟仿真系统；

2、智能接触器的电路仿真与结构仿真相辅相成，共同进行。电路模型中含有硬件仿真和软件控制策略仿真，同时具有控制模块本身的场域分析，含电磁分布、温升、损耗情况，以及电磁干扰、噪声频响特性、谐波分析功能，实现智能控制策略和控制电路的优化设计；

3、电磁系统动态模型通过线圈电感实现控制电路与本体磁场的耦合，实现本体与不同类型激励源的多物理场耦合，如：直流、交流激励、PWM脉宽调制及函数类型的激励源信号等，实现电磁系统的吸合、吸持和分断的全过程动态仿真。同时可针对本体结构的特点进行分析，如单相交流电磁系统含有分磁环这一特殊部件，模型能够考虑分磁环的磁通分相作用，获得分磁环工作过程中的感应电流及其损耗。

4、电路电磁模型通过建立关键器件模型获得器件的电磁参数，再通过建立电路系统模型分析电路的磁场分布及损耗情况。

附图说明

图1是本发明一实施例的功能框图。

图2是本发明多物理场耦合模型的设计流程图。

图3是电磁系统与触头系统的动力学计算流程图。

图4是整机温升以及触头电动力程序设计流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本实施例提供一种智能接触器虚拟样机设计平台，基于接触器多物理场耦合模型，通过二次开发建立具有友好的人机交互界面，能够实现电、磁、热、机械以及流体场的多场耦合，从而模拟产品真实运行工况。请参照图1，平台具体包括以下几个模块：选型模块、参数设置模块、计算模块和分析模块；

所述选型模块，提供上位机界面，用于用户根据需求对主电路类型、控制电路类型、电磁系统类型、触头系统类型和材料类型进行选型；如直流、交流、脉宽调制控制等电源类型，双E、双U、单E、单U等电磁系统，单断点、双断点等触头结构，铜、铝硅钢、永磁等常用材料。

所述参数设置模块，在选型确定后，对所选类型的参数进行设置；如电路的电压、电流、占空比参数等；电磁系统的铁心几何参数、分磁环几何参数与反力参数；励磁线圈的匝数、线径等参数；触头系统的弹簧参数与触头参数等。

所述计算模块包括电磁场计算模型，内含电磁系统动态模型（模型考虑了反力、重力、摩擦、分磁环涡流等因素）、触头电动力计算模型和电路电磁模型三部分，通过电磁场计算模型获得不同控制方案下电磁系统包含吸合、吸持和分断全过程的动态特性，不同主电路情况下的触头系统加载时的电磁分布参数和电路及器件的电磁特性参数；

其中，电磁系统动态模型通过线圈电感实现与控制电路的耦合，实现本体与不同类型激励源的多物理场耦合，如：直流、交流激励、PWM脉宽调制及函数类型的激励源信号等，完成电磁系统的吸合运动、吸持和分断运动的全过程动态计算，同时针对本体的结构特点进行分析，如单相交流电磁系统含有分磁环这一特殊部件，模型能够考虑分磁环的磁通分相作用，获得分磁环工作过程中的感应电流及其损耗。电磁系统动态模型是多物理场耦合模型的基础模型，为其他物理场提供了各个模型所需要的参数；

触头电动力计算模型用于获取触头系统在加载不同类型主电路情况下的电流收缩、电动力及电磁场分布情况；

电路电磁模型通过建立器件模型获得器件的电磁参数，再通过建立电路系统模型获得电路的磁场分布及损耗情况。

所述分析模块，对计算模块获得的参数进行分析。

于本实施例中，在所述电磁场计算模型的基础上，所述计算模块建立对应部件的温度场计算模型，通过对应的损耗和温度参数的相互耦合，从而获得各部件的温升参数和分布情况。除了可以分析电磁系统和触头系统加载情况的温度场分布情况外，还引入了针对电路系统的温度场模型，分析电路中的器件温升和整体温升分布。

进一步的，在所述电磁场计算模型的基础上，所述计算模块建立接触器多体动力学计算模型，包括触头系统、电磁系统及反力弹簧系统，通过吸力、反力参数的耦合，获得产品运动、碰撞过程中的位移、弹跳、形变及疲劳情况。如触头系统和电磁系统碰撞的过程的弹跳和形变、分磁环部件的疲劳情况等。

进一步的，在所述电磁场计算模型和多体动力学计算模型的基础上，所述计算模块获得铁芯与触头的运动轨迹及磁场分布，结合电弧的场域研究，建立接触器吸合过程与分断过程的运动电弧的流体场计算模型，从而获得触头电弧的能量及运动轨迹，获得触头表面的热力学情况，为触头系统的腐蚀磨损及电寿命分析提供理论意见。

进一步的，在所述电磁场计算模型的基础上，所述计算模块通过耦合器件的电磁参数建立全电路仿真模型，从而进行电路的电磁干扰、噪声频响特性及谐波的傅里叶分析。

多物理场耦合模型的设计流程如图2所示，基于该多物理场耦合模型平台具有以下功能：（1）建立含不同类型的主电路和控制电路模型，不同结构、材料的电磁系统与触头系统模型的数据库，根据触头分断电流等级设计触头系统和反力系统，再根据反力系统和电路方案设计满足设计需求的电磁系统，最后通过多物理场耦合仿真考核设计的产品的工作特性。（2）平台以电磁场计算模型为基础，通过线圈电感与控制电路耦合，将不同方案的控制电路与结构设计相融合，实现接触器的多物理场耦合，同时通过建立电路器件电磁模型实现全电路仿真分析，可实现电路的电磁兼容、噪声频响特性、谐波的傅里叶分析等功能。（3）电磁计算模型为温度场计算模型提供损耗数据，通过损耗与温度参数的传递，可实现电路、电磁系统和触头系统的温度场仿真，获得各部件的温升情况。（4）在电磁场计算模型的基础上建立多体动力学模型，可实现接触器的整机运动模型，获得触头和铁心的运动轨迹及弹跳参数。（5）通过所建的多体动力学计算模型，获得铁心与触头的运动轨迹，结合电弧的场域研究，建立接触器吸合与分断过程的运动电弧模型，分析电弧的动态运动及触头的腐蚀磨损情况。

图3是电磁系统与触头系统的动力学计算流程。设计步骤如下：

在设定的大气隙情况下，通过电磁有限元软件计算在大气隙情况下电磁系统运动过程并获取相关数据；在判定电磁系统运动至小气隙情况后，电磁吸力计算切换到磁路计算程序，并于动力学软件交互数据，获取电磁机构碰撞过程中的各种数据。

在此基础上对刚体进行柔性化处理，获得电磁系统和触头系统在运动过程中的应力、应变等参数，对铁心以及分磁环进行疲劳分析，对不同的触头材料的机械特性进行对比，以此作为触头材料选取的参考指标之一。并在此基础上进行二次开发。

图4是整机温升以及触头电动力程序设计流程图。设计步骤如下：

（1）触头系统温升与电动力程序设计流程图：

首先，通过有限元软件对吸持状态下的触头系统进行静力学分析，获取触头接触表面接触单元的接触力的分布情况，根据触头表面接触单元的受力情况对触头表面的接触情况进行分析并计算接触点的几何形状和分布。

下一步，根据上一步的分析结果，对触头系统重新建模。

最后通过热力学有限元软件和电磁学有限元软件分别计算触头系统吸持状态下的温升和电动力。

该方法克服了传统的经验公式计算方法在理论上存在的缺陷，更真实地反映了触头系统吸持状态下的热力学物理过程，提高了计算精确度。

通过电磁学有限元软件与热力学有限元软件联合调试，以电磁学有限元软件计算得到的涡流和电流参数为热力学软件的源，在考虑电磁系统各个部件之间的热耦合问题下，计算得电磁系统在吸持情况下的温升。在考虑了电磁系统与触头系统之间的热传导情况下，计算出整机温度分布情况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (1)

1.一种智能接触器虚拟样机设计平台，其特征在于：包括选型模块、参数设置模块、计算模块和分析模块；

所述选型模块，提供上位机界面，用于用户根据需求对主电路类型、控制电路类型、电磁系统类型、触头系统类型和材料类型进行选型；

所述参数设置模块，在选型确定后，对所选类型的参数进行设置；

所述计算模块包括电磁场计算模型，内含电磁系统动态模型、触头电动力计算模型和电路电磁模型三部分，通过电磁场计算模型获得不同控制方案下电磁系统包含吸合、吸持和分断全过程的动态特性，不同主电路情况下的触头系统加载时的电磁分布参数和电路及器件的电磁特性参数；

所述分析模块，对计算模块获得的参数进行分析；

所述电磁场计算模型中，

电磁系统动态模型通过线圈电感实现与控制电路的耦合，实现本体与不同类型激励源的多物理场耦合，是多物理场耦合模型的基础模型，为其他物理场提供了各个模型所需要的参数；

触头电动力计算模型用于获取触头系统在加载不同类型主电路情况下的电流收缩、电动力及电磁场分布情况；

电路电磁模型通过建立器件模型获得器件的电磁参数，再通过建立电路系统模型获得电路的磁场分布及损耗情况；

在所述电磁场计算模型的基础上，所述计算模块建立对应部件的温度场计算模型，通过对应的损耗和温度参数的相互耦合，从而获得各部件的温升参数和分布情况；

在所述电磁场计算模型的基础上，所述计算模块建立接触器多体动力学计算模型，包括触头系统、电磁系统及反力弹簧系统，通过吸力、反力参数的耦合，获得产品运动、碰撞过程中的位移、弹跳、形变及疲劳情况；

在所述电磁场计算模型和多体动力学计算模型的基础上，所述计算模块获得铁芯与触头的运动轨迹及磁场分布，结合电弧的场域研究，分析电弧的动态运动及触头的腐蚀磨损情况，建立接触器吸合过程与分断过程的运动电弧计算模型，从而获得触头电弧的能量及运动轨迹；

在所述电磁场计算模型的基础上，所述计算模块通过耦合器件的电磁参数建立全电路仿真模型，从而进行电路的电磁干扰、噪声频响特性及谐波的傅里叶分析；

建立含不同类型的主电路和控制电路模型，不同结构、材料的电磁系统与触头系统模型的数据库，根据触头分断电流等级设计触头系统和反力系统，再根据反力系统和电路方案设计满足设计需求的电磁系统，最后通过多物理场耦合仿真考核设计的产品的工作特性；

所述电磁系统和触头系统的动力学计算流程包括以下步骤：

步骤A1：在设定的大气隙情况下，通过电磁有限元软件计算在大气隙情况下电磁系统运动过程并获取相关数据；在判定电磁系统运动至小气隙情况后，电磁吸力计算切换到磁路计算程序，并与动力学软件交互数据，获取电磁机构碰撞过程中的各种数据；

步骤A2：对刚体进行柔性化处理，获得电磁系统和触头系统在运动过程中的应力、应变参数，对铁心以及分磁环进行疲劳分析，对不同的触头材料的机械特性进行对比，以此作为触头材料选取的参考指标，并在此基础上进行二次开发；

还包括整机温升以及触头电动力程序，包括以下步骤：

步骤B1：通过有限元软件对吸持状态下的触头系统进行静力学分析，获取触头接触表面接触单元的接触力的分布情况，根据触头表面接触单元的受力情况对触头表面的接触情况进行分析并计算接触点的几何形状和分布；

步骤B2：根据步骤B1的分析结果，对触头系统重新建模；

步骤B3：通过热力学有限元软件和电磁学有限元软件分别计算触头系统吸持状态下的温升和电动力；

在步骤B3之后，通过电磁学有限元软件与热力学有限元软件联合调试，以电磁学有限元软件计算得到的涡流和电流参数为热力学软件的源，在考虑电磁系统各个部件之间的热耦合问题下，计算得电磁系统在吸持情况下的温升，在考虑了电磁系统与触头系统之间的热传导情况下，计算出整机温度分布情况。