大功率直流接触器动态特性建模及其优化方法研究

论文摘要

直流接触器作为一种自动控制电器,是机械、电气行业的重要基础元件,在国民经济中发挥着无可替代的重要作用。大功率直流接触器的设计集合了机、电、磁、热等多学科理论,技术难度较大。传统的接触器设计方法以产品为导向,采用反复试验的方法,开发和生产周期长,效率低,成本高;而且产品在性能和电寿命等方面常难以达到预期指标。而动态特性的优劣是影响大功率直流接触器性能好坏及电寿命、机械寿命长短的一个重要因素。因此,采用虚拟样机技术对大功率直流接触器的动态特性进行分析与优化具有重要的理论和实际意义。本文以串联双绕组式大功率直流接触器为研究对象,基于虚拟样机技术并结合该类型接触器的结构特点,分析其静态机械反力特性,建立双绕组结构的等效电路模型,开发直流接触器动态特性分析虚拟样机系统,进而对接触器动态特性进行优化设计,以期提高其可靠性和电寿命。本文采用多软件联合仿真的方法,建立了大功率直流接触器的动态特性分析模型。以机械多体动力学仿真软件ADAMS为运动模型建立平台;采用电磁场分析软件FLUX计算了直流接触器电磁吸力,作为机械系统运动模型电磁激励的来源;采用有限元软件ANSYS建立了接触器中簧片的柔性体模型;最后,采用MATLAB/Simulink实现了电磁系统方程和机械运动方程的耦合加载。直流接触器的动态特性受机械结构、电磁系统等多方面参数的影响。利用开发的直流接触器虚拟样机模型,采用正交实验设计方法,以接触器动触头闭合速度和释放速度为优化目标,以连接片弧度、主触头压簧刚度系数、主触头压簧预压力、主反簧刚度系数、主反簧预压力、导磁体直径、衔铁质量等七个结构参数为优化变量,确定了影响接触器动态特性的关键因素。在此基础上,采用均匀设计方法,建立了动触头运动速度与动态特性关键影响因素间的多元线性回归模型。触头速度是接触器动态特性的直接表现,本文基于传统的数值分析模型和有限元方法,建立了接触器快速、准确的动态特性求解方法。以动触头的运动速度为优化目标,采用遗传算法,对影响接触器动态特性的关键因素进行优化设计。与优化前结果对比,实现了增大动触头释放速度和减小动触头闭合速度的目标。本文研究大功率直流接触器动态特性的方法和思路也可推广应用到其他具有相似结构的开关电器的设计和优化中。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 课题的国内外研究现状
• 1.3.1 虚拟样机技术的研究现状
• 1.3.2 接触器动态特性的研究现状
• 1.3.3 双绕组电磁机构的研究现状
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第2章 接触器动态特性建模
• 2.1 引言
• 2.2 接触器动力学模型
• 2.2.1 刚体的动力学模型
• 2.2.2 柔性体运动微分方程
• 2.2.3 碰撞模型
• 2.3 研究对象
• 2.4 接触器静态反力模型
• 2.4.1 反力过程分析
• 2.4.2 反力理论计算
• 2.4.3 实验验证
• 2.5 接触器电磁系统模型
• 2.5.1 双绕组电路模型
• 2.5.2 磁路模型
• 2.6 接触器机械运动模型
• 2.7 本章小结
• 第3章 接触器动态特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 动态特性的计算方法
• 3.2.1 电磁吸力的动态计算方法
• 3.2.2 机械反力的计算方法
• 3.3 接触器仿真系统的建立
• 3.3.1 电磁系统建模
• 3.3.2 柔性体建模
• 3.3.3 控制系统建模
• 3.3.4 机械系统建模
• 3.4 仿真结果分析
• 3.4.1 动态过程分析
• 3.4.2 实验结果对比
• 3.4.3 吸反力配合关系研究
• 3.5 本章小结
• 第4章 接触器动态特性关键参数分析
• 4.1 引言
• 4.2 优化目标和参数的选取
• 4.2.1 变量的确定
• 4.2.2 优化目标的选取
• 4.3 参数对动态特性的影响
• 4.3.1 主反簧对吸反力特性的影响
• 4.3.2 导磁体直径对动态特性的影响
• 4.3.3 主触头压簧对动态特性的影响
• 4.3.4 衔铁质量的影响
• 4.4 关键优化参数的确定
• 4.4.1 可控因素水平表的确定
• 4.4.2 显著因素分析
• 4.4.3 正交实验优化结果分析
• 4.5 关键参数模型的提取
• 4.5.1 均匀设计表的确定
• 4.5.2 回归模型分析
• 4.6 结果对比
• 4.7 本章小结
• 第5章 接触器动态特性优化
• 5.1 引言
• 5.2 接触器动态特性数值计算模型
• 5.2.1 电磁吸力计算方法
• 5.2.2 机械反力求解
• 5.2.3 运动方程的求解
• 5.2.4 结果对比
• 5.3 优化方法
• 5.3.1 遗传算法及其基本要素
• 5.3.2 优化流程
• 5.3.3 多变量多目标优化
• 5.4 优化结果
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢