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開發(fā)和利用再生能源對(duì)減少環(huán)境污染、實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)利用具有重要意義。然而利用這些可再生能源需要用到不同的電器設(shè)備，其中接觸器常被用于控制電力負(fù)載。因此，深入開展接觸器的性能分析對(duì)提高能源利用率、解決能源壓力具有重要的作用。

有學(xué)者指出，多物理場(chǎng)耦合計(jì)算和彈跳特性研究是衡量電器性能的重要方法。接觸器使用多匝線圈，且長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)溫升發(fā)生變化，進(jìn)而影響接觸器的工作狀態(tài)和接觸特性。長(zhǎng)時(shí)間工作的大功率接觸器結(jié)構(gòu)溫升變化明顯，因忽略溫度而產(chǎn)生的計(jì)算誤差較大。

傳統(tǒng)的接觸器彈跳特性分析或溫度場(chǎng)分析，集中于電磁-運(yùn)動(dòng)、電磁-熱場(chǎng)耦合研究，并沒有將復(fù)雜的動(dòng)作過(guò)程與其電場(chǎng)、磁場(chǎng)、熱場(chǎng)進(jìn)行耦合并綜合分析。因此，建立考慮熱場(chǎng)影響的接觸器機(jī)-電-磁-熱多物理場(chǎng)耦合模型對(duì)完善彈跳模型、深入開展多物理場(chǎng)耦合計(jì)算及彈跳機(jī)理研究具有重要意義。

圖2 接觸器結(jié)構(gòu)剖面

為研究熱場(chǎng)影響下接觸器的彈跳特性，需要對(duì)接觸器進(jìn)行熱場(chǎng)、電磁場(chǎng)和機(jī)械力學(xué)作用分析。劉穎異等認(rèn)為，觸頭及鐵心的振動(dòng)彈跳直接影響接觸器的壽命，為此采用虛擬樣機(jī)技術(shù)研究了智能接觸器的閉合過(guò)程，但建立的振動(dòng)彈跳模型沒有考慮接觸器溫度變化對(duì)其動(dòng)作特性的影響。

• 有學(xué)者借助動(dòng)力學(xué)軟件建立了電器的仿真模型。其中，李興文等用耦合電路、電磁和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程研究了不同合閘相角下的觸頭碰撞現(xiàn)象。
• 有學(xué)者建立了交流接觸器的全仿真模型，分析了銜鐵和動(dòng)觸頭的彈跳情況。
• 為提高計(jì)算效率，Lambrecht等采用傳輸線法加速繼電器電磁接觸彈跳計(jì)算。
• Hotta等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了接觸彈跳如電弧引起的接觸焊接機(jī)理。但以上研究均沒有考慮結(jié)構(gòu)發(fā)熱對(duì)電器動(dòng)態(tài)特性的影響。
• Liu等基于ANSYS模擬了額定電流下的接觸器溫度場(chǎng)分布情況。
• 后來(lái)，林抒毅等分析了匝數(shù)、材料厚度等參數(shù)對(duì)電磁閥溫度分布的影響。

以上文獻(xiàn)對(duì)建立熱場(chǎng)影響下的接觸器彈跳模型，實(shí)現(xiàn)接觸器機(jī)-電-磁-熱多物理場(chǎng)的耦合計(jì)算和彈跳特性研究具有很好的借鑒意義。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)電器與電子可靠性研究所的研究人員，首先建立了某型號(hào)新能源用大功率接觸器的熱場(chǎng)模型、電磁特性模型及振動(dòng)碰撞力學(xué)模型。之后依據(jù)接觸器電-磁、機(jī)-電-磁、電-磁-熱場(chǎng)間的耦合關(guān)系實(shí)現(xiàn)了三個(gè)模型的機(jī)-電-磁-熱場(chǎng)間的耦合計(jì)算。接著，利用觸頭彈跳測(cè)量裝置驗(yàn)證了文中多物理場(chǎng)模型計(jì)算結(jié)果的正確性。最后，研究了溫度、長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)短時(shí)工作、可動(dòng)部件質(zhì)量因素對(duì)接觸器彈跳特性的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：

圖6 機(jī)-電-磁-熱耦合計(jì)算模塊

• 1）熱場(chǎng)作用下接觸器彈跳模型適用于考慮熱場(chǎng)影響的接觸器動(dòng)態(tài)特性計(jì)算及彈跳特性分析，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合良好，誤差能控制在8%以內(nèi)。
• 2）接觸器的機(jī)-電-磁-熱多物理場(chǎng)耦合計(jì)算方法能夠?qū)崟r(shí)傳遞熱場(chǎng)模型、電磁模型及振動(dòng)碰撞模型的耦合參數(shù)。
• 3）控制接觸器可動(dòng)部件質(zhì)量可抑制銜鐵和動(dòng)觸頭的彈跳情況，而且合理地控制銜鐵尺寸對(duì)抑制接觸器彈跳情況具有更好的效果。
• 4）接觸器的銜鐵和動(dòng)觸頭彈跳幅值與溫度呈線性關(guān)系，且兩者的閉合速度均隨溫度增加而減小。合理控制溫度，能有效抑制接觸器彈跳情況。

研究結(jié)論對(duì)實(shí)現(xiàn)新能源用接觸器的多物理場(chǎng)分析和彈跳特性研究具有重要的參考價(jià)值，且研究思路和耦合計(jì)算方法可以應(yīng)用于其他同類電器和相關(guān)設(shè)備的改進(jìn)設(shè)計(jì)中。

以上研究成果已發(fā)表在2019年第22期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“熱場(chǎng)影響下新能源用接觸器彈跳特性研究”，作者為楊文英、劉蘭香、翟國(guó)富。