近年來，隨著全電電器的發(fā)展，對大功率接觸器的接觸特性和電壽命均提出了更高的要求。電磁系統(tǒng)和機械系統(tǒng)是接觸器的重要組成部分。接觸器動態(tài)特性受多種因素共同制約，其中動、靜觸頭以及銜鐵和軛鐵間的碰撞彈跳是影響其動態(tài)特性的重要因素。

碰撞彈跳引起的接觸部分小距離分離極易導致電弧產(chǎn)生，嚴重時會發(fā)生熔焊粘接，直接影響電接觸性能和接觸器的使用壽命。為能滿足國防、軍事對大功率接觸器可靠應用于惡劣環(huán)境的需求，建立接觸器碰撞彈跳模型，分析其影響因素和變化規(guī)律，對提升接觸器動態(tài)性能具有重要意義。

Y. Kawase等將3D方法應用于交流接觸器，而后A. R. A.Arkadan等將線圈電流和銜鐵驅(qū)動力作為接觸器的激勵，利用時空有限元法建立了接觸器模型。N. Sadowski等進一步考慮了鐵心運動過程中的非線性效應。

為加快仿真過程，F(xiàn)ang Shuhua等利用有限元法分別計算了接觸器電-磁-運動模型中的位移、磁鏈和電流的非線性關(guān)系。R.Gollee等根據(jù)接觸器的磁共能方程和自感系數(shù)來列寫方程，從而實現(xiàn)了對接觸器動態(tài)過程的有限元求解。紐春萍等建立了接觸器動態(tài)過程的數(shù)學模型，并借助ADAMS實現(xiàn)了考慮電-磁、磁-機之間的耦合計算，完成了接觸器動態(tài)過程和觸頭彈跳的分析。

李興文等應用三維有限元非線性靜態(tài)方法求取電磁參數(shù)，并指出小氣隙時需要考慮分磁環(huán)的影響。許志紅等提出基于蟻群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡法來達到優(yōu)化設(shè)計智能接觸器動態(tài)過程的目的。L.Niels等考慮了磁撞彈跳過程對接觸器動態(tài)特性的影響，并建立了接觸器動力學模型。李俊峰等提出基于觸頭動態(tài)接觸壓力來研究接觸器的觸頭彈跳特性。

以上研究均未給出考慮碰撞彈跳的接觸器動力學模型，且在求解過程中也未進一步探討接觸器運動過程中的線性運動和碰撞接觸后的非線性動力學屬性，多是利用將數(shù)值網(wǎng)格代入機械動力學方程來計算電磁力。由于傳統(tǒng)方式加載的電流和位移信號均為離散的、靜態(tài)的，故并不能真實反映接觸器在工作過程中的電流和電感變化對電磁力的影響。

本文在以上研究的基礎(chǔ)上，以接觸器的線性運動和非線性碰撞接觸為切入點，利用Kelvin-Voigt模型、平面接觸理論計算觸頭和銜鐵的碰撞接觸過程。給出了考慮碰撞彈跳的接觸器動力學方程，并建立了接觸器碰撞彈跳動力學模型；接觸器的電磁模型則是利用有限元動態(tài)網(wǎng)格技術(shù)，動態(tài)劃分時間域下的空氣域，在時間域內(nèi)進行電磁參量的求解，同時可以考慮電流、電感變化以及導磁體內(nèi)的渦流場效應對接觸器運動的影響；然后利用時間協(xié)同的概念，將接觸器的電磁模型和碰撞彈跳動力學模型進行耦合，并完成考慮碰撞彈跳的接觸器動態(tài)特性求解。

后續(xù)通過基于激光位移傳感器的接觸器彈跳測量裝置驗證模型建立的準確性和計算結(jié)果的精確性。最后，分析了超程彈簧預壓力、線圈勵磁電壓、觸頭開距和返回彈簧預壓力對接觸器碰撞彈跳的影響，并給出了具體優(yōu)化方向，為后續(xù)接觸器的優(yōu)化設(shè)計和彈跳特性的抑制奠定了基礎(chǔ)。

圖1 接觸器結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 接觸器動態(tài)特性實驗測量裝置

結(jié)論

本文以接觸器的線性運動和非線性碰撞接觸為切入點建立考慮碰撞彈跳的接觸器動力學模型，提出基于瞬態(tài)電磁特性的多物理場耦合計算方法求解接觸器動態(tài)特性，并對接觸器彈跳特性進行了相關(guān)分析。所得結(jié)論如下：

1）考慮碰撞彈跳的接觸器動力學模型和基于瞬態(tài)電磁特性的多物理場耦合計算方法完全適用于考慮碰撞彈跳的接觸器動態(tài)特性計算及彈跳特性影響因素分析，計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好。

2）本文提出的基于瞬態(tài)電磁特性的多物理場耦合計算方法能夠?qū)崟r傳遞動態(tài)特性數(shù)值模型和碰撞彈跳模型運動過程的變化曲線，較傳統(tǒng)計算方法效率提高一倍，計算精度以吸合電流為評價標準時誤差由7%減小到1.5%。

3）調(diào)整超程彈簧、返回彈簧的預壓力值可以抑制接觸器的彈跳情況，且提高定量的超程彈簧預壓力值在動觸頭上得到的彈跳抑制效果約是銜鐵的2倍。

4）滿足接觸器勵磁電壓的情況下，觸頭閉合前，減小線圈兩端的電壓可以達到減小觸頭彈跳的目的；并在接觸器超程起始位置，增大電磁力，使銜鐵可靠吸合，避免其與軛鐵碰撞時引起觸頭再次彈跳。

5）觸頭開距變化對接觸器的彈跳抑制作用具有近似非線性的關(guān)系，減小觸頭開距可以達到抑制接觸器運動全過程彈跳的目的，并且應該規(guī)避觸頭開距峰值帶來的劇烈彈跳現(xiàn)象。