近年來(lái)，隨著全電電器的發(fā)展，對(duì)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(jī)械系統(tǒng)是接觸器的重要組成部分。接觸器動(dòng)態(tài)特性受多種因素共同制約，其中動(dòng)、靜觸頭以及銜鐵和軛鐵間的碰撞彈跳是影響其動(dòng)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(dǎo)致電弧產(chǎn)生，嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(guó)防、軍事對(duì)大功率接觸器可靠應(yīng)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(duì)提升接觸器動(dòng)態(tài)性能具有重要意義。

Y. Kawase等將3D方法應(yīng)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(dòng)力作為接觸器的激勵(lì)，利用時(shí)空有限元法建立了接觸器模型。N. Sadowski等進(jìn)一步考慮了鐵心運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的非線性效應(yīng)。

為加快仿真過(guò)程，F(xiàn)ang Shuhua等利用有限元法分別計(jì)算了接觸器電-磁-運(yùn)動(dòng)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(lái)列寫(xiě)方程，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)接觸器動(dòng)態(tài)過(guò)程的有限元求解。紐春萍等建立了接觸器動(dòng)態(tài)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，并借助ADAMS實(shí)現(xiàn)了考慮電-磁、磁-機(jī)之間的耦合計(jì)算，完成了接觸器動(dòng)態(tài)過(guò)程和觸頭彈跳的分析。

李興文等應(yīng)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(shí)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(luò)法來(lái)達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)智能接觸器動(dòng)態(tài)過(guò)程的目的。L.Niels等考慮了磁撞彈跳過(guò)程對(duì)接觸器動(dòng)態(tài)特性的影響，并建立了接觸器動(dòng)力學(xué)模型。李俊峰等提出基于觸頭動(dòng)態(tài)接觸壓力來(lái)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(dòng)力學(xué)模型，且在求解過(guò)程中也未進(jìn)一步探討接觸器運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的線性運(yùn)動(dòng)和碰撞接觸后的非線性動(dòng)力學(xué)屬性，多是利用將數(shù)值網(wǎng)格代入機(jī)械動(dòng)力學(xué)方程來(lái)計(jì)算電磁力。由于傳統(tǒng)方式加載的電流和位移信號(hào)均為離散的、靜態(tài)的，故并不能真實(shí)反映接觸器在工作過(guò)程中的電流和電感變化對(duì)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(yùn)動(dòng)和非線性碰撞接觸為切入點(diǎn)，利用Kelvin-Voigt模型、平面接觸理論計(jì)算觸頭和銜鐵的碰撞接觸過(guò)程。給出了考慮碰撞彈跳的接觸器動(dòng)力學(xué)方程，并建立了接觸器碰撞彈跳動(dòng)力學(xué)模型；接觸器的電磁模型則是利用有限元?jiǎng)討B(tài)網(wǎng)格技術(shù)，動(dòng)態(tài)劃分時(shí)間域下的空氣域，在時(shí)間域內(nèi)進(jìn)行電磁參量的求解，同時(shí)可以考慮電流、電感變化以及導(dǎo)磁體內(nèi)的渦流場(chǎng)效應(yīng)對(duì)接觸器運(yùn)動(dòng)的影響；然后利用時(shí)間協(xié)同的概念，將接觸器的電磁模型和碰撞彈跳動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行耦合，并完成考慮碰撞彈跳的接觸器動(dòng)態(tài)特性求解。

后續(xù)通過(guò)基于激光位移傳感器的接觸器彈跳測(cè)量裝置驗(yàn)證模型建立的準(zhǔn)確性和計(jì)算結(jié)果的精確性。最后，分析了超程彈簧預(yù)壓力、線圈勵(lì)磁電壓、觸頭開(kāi)距和返回彈簧預(yù)壓力對(duì)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(jì)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(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置

結(jié)論

本文以接觸器的線性運(yùn)動(dòng)和非線性碰撞接觸為切入點(diǎn)建立考慮碰撞彈跳的接觸器動(dòng)力學(xué)模型，提出基于瞬態(tài)電磁特性的多物理場(chǎng)耦合計(jì)算方法求解接觸器動(dòng)態(tài)特性，并對(duì)接觸器彈跳特性進(jìn)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(dòng)力學(xué)模型和基于瞬態(tài)電磁特性的多物理場(chǎng)耦合計(jì)算方法完全適用于考慮碰撞彈跳的接觸器動(dòng)態(tài)特性計(jì)算及彈跳特性影響因素分析，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(chǎng)耦合計(jì)算方法能夠?qū)崟r(shí)傳遞動(dòng)態(tài)特性數(shù)值模型和碰撞彈跳模型運(yùn)動(dòng)過(guò)程的變化曲線，較傳統(tǒng)計(jì)算方法效率提高一倍，計(jì)算精度以吸合電流為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)誤差由7%減小到1.5%。

3）調(diào)整超程彈簧、返回彈簧的預(yù)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(yù)壓力值在動(dòng)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(lì)磁電壓的情況下，觸頭閉合前，減小線圈兩端的電壓可以達(dá)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(shí)引起觸頭再次彈跳。

5）觸頭開(kāi)距變化對(duì)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(kāi)距可以達(dá)到抑制接觸器運(yùn)動(dòng)全過(guò)程彈跳的目的，并且應(yīng)該規(guī)避觸頭開(kāi)距峰值帶來(lái)的劇烈彈跳現(xiàn)象。