CN112329314B - 一种基于回路系数的触头系统回路力计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于回路系数的触头系统回路力计算方法，步骤一，定义回路系数；步骤二，建立触头系统参数化模型；步骤三，回路系数的计算；步骤四，设计回路系数计算仿真App。本发明的有益效果是，适用范围广泛，使用方便。
Description
技术领域
本发明涉及触头系统回路力计算技术领域，特别是一种基于回路系数的触头系统回路力计算方法。
背景技术
以簧片为保持力的触头系统，通常由导电杆、静触头、动触头、动簧片、推动杆组成。触头系统在工作过程中会受到三个力的作用，一是推动杆对簧片弹片处的保持力，二是由于载流导体在导电回路磁场作用下而产生的回路力，三是由于触头接触面电流线收缩而产生的电动斥力，称为Holm力。由于触头结构的不同，回路力可能表现为电动吸力或电动斥力，如图3、图4所示，其中图3是回路力为电动吸力的触头系统，而图4是回路力为电动斥力的触头系统；
短路电流下的触头斥开会造成触头弹跳、燃弧等现象，造成触头磨损、熔焊等后果，带来严重的安全隐患，故对触头系统进行回路力的计算与抗短路能力优化十分重要。对于回路力为电动吸力的触头系统，在优化设计中应在合理的范围内增大回路力，以对保持力进行补偿；对于回路力为电动斥力的触头系统，在优化设计中应尽可能减小回路力，降低触头斥开风险。
回路力随着结构参数与电流数值的变化而发生变化，由于各组件的结构与位置分布的不规则性，难以用理论公式对其进行计算。在以回路力为设计变量进行优化时通常采用两种方法，一种是传统的优化方法，需要通过经验反复进行设计与产品修改，制造样机进行试验，耗费大量的人力物力，无法满足现代化设计生产的要求；另一种是利用CAE技术，建立虚拟样机，对特定的结构进行回路力的计算分析，先考虑截面形状与大小、位置任意的两导体间的回路力可以用式(1)表示:
式中，FA为回路力，N；μ0为真空磁导率，kh为导体间的回路因数，k0为导体的截面因数，I1、I2为导体电流，kA。
由于kh和k0的值与导体的截面形状、大小和距离有关，实际模型的结构与形状较为复杂，回路因数和截面因数的数值不容易通过理论计算确定。根据磁场叠加原理，簧片处的磁场为其余载流导体所产生的磁场叠加而产生的，故簧片所受的回路力也是与其他导体的相互作用叠加后的结果，也就是说，在实际计算过程中对于不同的模型需要反复构建，且专业性较强，完成此项工作工程技术人员需要花费很大的学习成本。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种基于回路系数的触头系统回路力计算方法。
一种基于回路系数的触头系统回路力计算方法，该方法包括如下步骤：
步骤一，定义回路系数；
定义回路系数为CA,CA的计算公式为式(2)，其中μ0为真空磁导率，kh为导体间的回路因数，k0为导体的截面因数；提出对于结构与位置确定触头系统，回路系数CA应为一定值，该值可以利用有限元仿真方法求得；同时，在同一回路中电流相同，故电动力的计算公式可以用式(3)表示：
FA＝CAI2 (3)
步骤二，建立触头系统参数化模型；
设定导电杆长、截面厚度、触头半径、簧片厚度、等效力臂长为自由参数，定义自由参数为变量，分析自由参数与各个零件主要特征之间的关系，确定零件特征的创建顺序，对参数化模型进行创建；
步骤三，回路系数的计算；
首先，在触头系统参数化模型中输入自由参数，构建触头系统的三维有限元模型，对有限元网格进行划分，输入电流载荷，设定电流与磁场边界条件，进行电磁耦合仿真计算，得到电流密度分布与磁通密度分布；
其次，规定力计算的扭矩轴与扭矩旋转点，并设定扭矩旋转点的坐标随着自由参数的改变而改变，以保证力计算结果也满足参数化要求，计算簧片的轴向力矩，将得到的力矩除以等效力臂，将回路力换算到动触头处并推算回路系数，得到回路系数的第一个计算结果；
最后，根据IEC 62052-31标准施加不同的电流载荷进行多次计算，取平均值作为回路系数的最终计算结果，回路系数为正表示回路力为电动吸力，回路系数为负表示回路力为电动斥力；
步骤四，设计回路系数计算仿真App；
基于回路系数计算过程来设计回路系数仿真App。允许用户通过修改自由参数来对模型进行构建，并通过图形显示窗口随时查看。仿真App进行多次计算得到回路系数的最终计算结果，并输出方差以此来判断结果的准确性。
所述步骤二中分析自由参数与各个零件主要特征之间的关系的方法或者依据是：寻找与自由参数具有相关性的零件，从相邻关系、从属关系、分布关系或引用关系四个方面进行考虑，将零件主要特征的参考点坐标利用含有自由参数的表达式进行表示，以此将零件的主要特征与自由参数建立关联关系。
所述步骤二中确定各个零件特征的创建顺序的依据是，以零件主要特征为参考基准，依次建立规律排列的特征、对称的特征与次要特征。建立参数化模型的方法是：定义自由参数为变量，将各个零件主要特征与自由参数关联，按照顺序记录基本体素的布尔操作。
所述步骤三中电磁耦合仿真计算是依据：电磁耦合为顺序耦合，首先计算电流密度分布数值，然后通过耦合接口将结果代入磁场，计算磁场分布。
有益效果
利用本发明的技术方案制作的一种基于回路系数的触头系统回路力计算方法，其具有如下优势：
1、本技术方案通过参数化建模可修改模型的各组件尺寸参数与电流的载荷大小，使模型具有普遍适用性，能够适用于多种不同参数的回路力计算；
2、本技术方案提出利用有限元仿真得到计算复杂系统电动力时的回路系数，当触头系统各组件的参数与位置确定后，回路系数也随之确定，通过回路系数可以计算出该触头系统在不同电流载荷下的回路力。
附图说明
图1是本发明所述一种基于回路系数的触头系统回路力计算方法的方法流程图；
图2是本发明所述一种基于回路系数的触头系统回路力计算方法的仿真应用程序的界面图；
图3是本发明所述回路力为电动吸力的触头系统的原理说明图；
图4是本发明所述回路力为电动斥力的触头系统的原理说明图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体描述，如图1-4所示；
本申请的创造点在于，利用有限元仿真得到计算复杂系统电动力时的回路系数，当触头系统各组件的参数与位置确定后，回路系数也随之确定，通过回路系数可以计算出该触头系统在不同电流载荷下的回路力，从而建立触头系统的参数化仿真模型，通过修改自由参数便可以对触头系统模型重新构建，然后根据构建的模型设计回路系数计算仿真App，便于得到不同参数触头系统的回路系数。
本申请的创造点还在于，根据截面形状与大小、位置任意的两导体间的回路力可以用式(1)表示:
式中，FA为回路力，N；μ0为真空磁导率，kh为导体间的回路因数，k0为导体的截面因数，I1、I2为导体电流，kA。
kh和k0的值与导体的截面形状、大小和距离有关。实际模型的结构与形状较为复杂，回路因数和截面因数的数值不容易通过理论计算确定。根据磁场叠加原理，簧片处的磁场为其余载流导体所产生的磁场叠加而产生的，故簧片所受的回路力也是与其他导体的相互作用叠加后的结果。
定义回路系数为CA见式(2)。提出对于结构与位置确定触头系统，回路系数CA应为一定值，该值可以利用有限元仿真方法求得。同时，在同一回路中电流相同，故电动力的计算公式可以用式(3)表示：
FA＝CAI2 (3)
本申请的创造点还在于，设定导电杆长、截面厚度、触头半径、簧片厚度、等效力臂长为自由参数，分析自由参数与各个特征之间的关系，确定模型的主特征，确定特征的创建顺序，对参数化模型进行创建。
本申请的创造点还在于，输入自由参数，构建触头系统的三维有限元模型，对有限元网格进行划分。输入电流载荷，设定电流与磁场边界条件，进行电磁耦合仿真计算，得到电流密度分布与磁通密度分布。规定力计算的扭矩轴与扭矩旋转点，并设定扭矩旋转点的坐标随着自由参数的改变而改变，以保证力计算结果也满足参数化要求。计算簧片的轴向力矩，将得到的力矩除以等效力臂，将回路力换算到动触头处(注：绿色部分为较为通用的回路力仿真计算方法，如参考文献[1]薄凯,周学,叶雪荣,等.智能电表用磁保持继电器短路电流条件下触头斥开机理仿真研究[J].中国电机工程学报,2018,038(017):5238-5245.)，并推算回路系数，得到回路系数的第一个计算结果。根据IEC 62052-31标准施加不同的电流载荷进行多次计算，取平均值作为回路系数的最终计算结果。回路系数为正表示回路力为电动吸力，回路系数为负表示回路力为电动斥力。
本申请的创造点还在于，基于仿真研究来设计回路系数仿真App。允许用户通过修改自由参数来对模型进行构建，并通过图形显示窗口随时查看。仿真App进行多次计算得到回路系数的最终计算结果，并输出方差以此来判断结果的准确性。
本申请技术方案在实施过程中，以一种回路力为电动吸力的触头系统为例进行介绍，利用COMSOL Multiphysics建立触头系统参数化模型，对电磁耦合仿真的边界条件与后处理计算进行相关设置。利用App开发器设计触头系统仿真计算App。在触头系统仿真计算App中，依据某型号磁保持继电器触头系统的几何尺寸，输入自由参数，对几何模型进行构建，在右侧的图形窗口可以对模型实时进行查看。选择大小对网格进行划分，点击计算便可以得到该触头系统的回路系数，通过方差检验回路系数的准确性。利用得到的回路系数，通过式(3)可以计算该触头系统在不同电流下的回路力数值。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于回路系数的触头系统回路力计算方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一，定义回路系数；
定义回路系数为CA,CA的计算公式为式(2)，其中μ0为真空磁导率，kh为导体间的回路因数，k0为导体的截面因数；提出对于结构与位置确定触头系统，回路系数CA应为一定值，该值可以利用有限元仿真方法求得；同时，在同一回路中电流相同，故电动力的计算公式可以用式(3)表示：
FA＝CAI2 (3)
步骤二，建立触头系统参数化模型；
设定导电杆长、截面厚度、触头半径、簧片厚度、等效力臂长为自由参数，定义自由参数为变量，分析自由参数与各个零件主要特征之间的关系，确定零件特征的创建顺序，对参数化模型进行创建；
步骤三，回路系数的计算；
首先，在触头系统参数化模型中输入自由参数，构建触头系统的三维有限元模型，对有限元网格进行划分，输入电流载荷，设定电流与磁场边界条件，进行电磁耦合仿真计算，得到电流密度分布与磁通密度分布；
其次，规定力计算的扭矩轴与扭矩旋转点，并设定扭矩旋转点的坐标随着自由参数的改变而改变，以保证力计算结果也满足参数化要求，计算簧片的轴向力矩，将得到的力矩除以等效力臂，将回路力换算到动触头处并推算回路系数，得到回路系数的第一个计算结果；
最后，根据IEC 62052-31标准施加不同的电流载荷进行多次计算，取平均值作为回路系数的最终计算结果，回路系数为正表示回路力为电动吸力，回路系数为负表示回路力为电动斥力；
步骤四，设计回路系数计算仿真App；
基于回路系数计算过程来设计回路系数仿真App， 允许用户通过修改自由参数来对模型进行构建，并通过图形显示窗口随时查看， 仿真App进行多次计算得到回路系数的最终计算结果，并输出方差以此来判断结果的准确性。
2.根据权利要求1所述的一种基于回路系数的触头系统回路力计算方法，其特征在于，所述步骤二中分析自由参数与各个零件主要特征之间的关系的方法或者依据是：寻找与自由参数具有相关性的零件，从相邻关系、从属关系、分布关系或引用关系四个方面进行考虑，将零件主要特征的参考点坐标利用含有自由参数的表达式进行表示，以此将零件的主要特征与自由参数建立关联关系。
3.根据权利要求1所述的一种基于回路系数的触头系统回路力计算方法，其特征在于，所述步骤二中确定各个零件特征的创建顺序的依据是，以零件主要特征为参考基准，依次建立规律排列的特征、对称的特征与次要特征， 建立参数化模型的方法是：定义自由参数为变量，将各个零件主要特征与自由参数关联，按照顺序记录基本体素的布尔操作。
4.根据权利要求1所述的一种基于回路系数的触头系统回路力计算方法，其特征在于，所述步骤三中电磁耦合仿真计算是依据：电磁耦合为顺序耦合，首先计算电流密度分布数值，然后通过耦合接口将结果代入磁场，计算磁场分布。
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