- 頭條熱場影響下新能源用接觸器彈跳特性的研究2021-02-24 作者：楊文英 劉蘭香 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語多物理場耦合計算和彈跳特性研究是衡量接觸器性能優劣的重要手段，而以往的彈跳力學模型往往忽略了溫度場對接觸器動態特性的影響。因此，深入研究熱場影響下接觸器的彈跳特性十分必要。哈爾濱工業大學電器與電子可靠性研究所的研究人員楊文英、劉蘭香、翟國富，在2019年第22期《電工技術學報》上撰文， 研究了新能源用接觸器的多物理場分析和彈跳特性。研究成果可為新能源供電系統和相關設施的安全、可靠運行提供理論基礎。
開發和利用再生能源對減少環境污染、實現能源的可持續利用具有重要意義。然而利用這些可再生能源需要用到不同的電器設備，其中接觸器常被用于控制電力負載。因此，深入開展接觸器的性能分析對提高能源利用率、解決能源壓力具有重要的作用。
有學者指出，多物理場耦合計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，且長時間工作會導致結構溫升發生變化，進而影響接觸器的工作狀態和接觸特性。長時間工作的大功率接觸器結構溫升變化明顯，因忽略溫度而產生的計算誤差較大。
傳統的接觸器彈跳特性分析或溫度場分析，集中于電磁-運動、電磁-熱場耦合研究，并沒有將復雜的動作過程與其電場、磁場、熱場進行耦合并綜合分析。因此，建立考慮熱場影響的接觸器機-電-磁-熱多物理場耦合模型對完善彈跳模型、深入開展多物理場耦合計算及彈跳機理研究具有重要意義。
圖2 接觸器結構剖面
為研究熱場影響下接觸器的彈跳特性，需要對接觸器進行熱場、電磁場和機械力學作用分析。劉穎異等認為，觸頭及鐵心的振動彈跳直接影響接觸器的壽命，為此采用虛擬樣機技術研究了智能接觸器的閉合過程，但建立的振動彈跳模型沒有考慮接觸器溫度變化對其動作特性的影響。
- 有學者借助動力學軟件建立了電器的仿真模型。其中，李興文等用耦合電路、電磁和機械運動方程研究了不同合閘相角下的觸頭碰撞現象。
- 有學者建立了交流接觸器的全仿真模型，分析了銜鐵和動觸頭的彈跳情況。
- 為提高計算效率，Lambrecht等采用傳輸線法加速繼電器電磁接觸彈跳計算。
- Hotta等通過實驗研究了接觸彈跳如電弧引起的接觸焊接機理。但以上研究均沒有考慮結構發熱對電器動態特性的影響。
- Liu等基于ANSYS模擬了額定電流下的接觸器溫度場分布情況。
- 后來，林抒毅等分析了匝數、材料厚度等參數對電磁閥溫度分布的影響。
以上文獻對建立熱場影響下的接觸器彈跳模型，實現接觸器機-電-磁-熱多物理場的耦合計算和彈跳特性研究具有很好的借鑒意義。
哈爾濱工業大學電器與電子可靠性研究所的研究人員，首先建立了某型號新能源用大功率接觸器的熱場模型、電磁特性模型及振動碰撞力學模型。之后依據接觸器電-磁、機-電-磁、電-磁-熱場間的耦合關系實現了三個模型的機-電-磁-熱場間的耦合計算。接著，利用觸頭彈跳測量裝置驗證了文中多物理場模型計算結果的正確性。最后，研究了溫度、長時間反復短時工作、可動部件質量因素對接觸器彈跳特性的影響規律，得到如下結論：
圖6 機-電-磁-熱耦合計算模塊
- 1）熱場作用下接觸器彈跳模型適用于考慮熱場影響的接觸器動態特性計算及彈跳特性分析，計算結果與實驗吻合良好，誤差能控制在8%以內。
- 2）接觸器的機-電-磁-熱多物理場耦合計算方法能夠實時傳遞熱場模型、電磁模型及振動碰撞模型的耦合參數。
- 3）控制接觸器可動部件質量可抑制銜鐵和動觸頭的彈跳情況，而且合理地控制銜鐵尺寸對抑制接觸器彈跳情況具有更好的效果。
- 4）接觸器的銜鐵和動觸頭彈跳幅值與溫度呈線性關系，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。
研究結論對實現新能源用接觸器的多物理場分析和彈跳特性研究具有重要的參考價值，且研究思路和耦合計算方法可以應用于其他同類電器和相關設備的改進設計中。
以上研究成果已發表在2019年第22期《電工技術學報》，論文標題為“熱場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、翟國富。
