多簧片结构的磁保持继电器多物理场刚柔耦合仿真模型建立和实验分析

多簧片结构的磁保持继电器衔铁转动引起的触点碰撞、弹跳现象使运动过程复杂,静、动态特性理论分析和仿真模型建立困难。以某型号多簧片结构的磁保持继电器为研究对象,理论分析结构拓扑及工作机理,考虑触点间切入深度,引入狄拉克函数和赫维赛德函数,解决簧片受力分散及触点由于碰撞、弹跳引起的作用力不连续问题;将簧片等效为悬臂梁,基于欧拉-伯努利梁理论建立触簧系统三簧片分段耦合动力学模型。利用Ansys Maxwell引入基于误差的自适应网格划分方法求解电磁机构静态特性;考虑触簧系统簧片运动变形效应,通过ADAMS基于模态理论,构建刚柔耦合动力学仿真模型。基于分段动力学思想,搭建电-磁-机械运动多物理场刚柔耦合仿真模型。利用高速摄像机、电流探头等设计磁保持继电器实验方案,搭建实验平台,测试并分析磁保持继电器触点吸合运动时间、触点压力、弹跳时间、线圈电流,并分析人工装配簧片引起触点压力不同使继电器动作过程存在的不一致性问题,验证该文所提多簧片结构的磁保持继电器特性分段耦合分析方法和多物理场刚柔耦合仿真模型的有效性。

三维互穿结构Cu-W触头抗熔焊机理

触头闭合回跳电弧引起的开关电器动熔焊问题,直接影响大功率接触器的电寿命和可靠性。为此设计了2种三维互穿有序结构的四边形和菱形十二面体的Cu-W复合材料触头,围绕触头动熔焊过程中的电弧、熔池、液滴溅射及凝固相变降温等问题,建立触头熔池流体动力学模型和冷凝降温数学模型,研究了2种有序结构和商用无序结构的触头阳极在闭合回跳电弧作用下熔化温度分布、熔池喷溅形貌和接触区域金属凝固过程,通过模拟熔焊实验平台进行了熔焊力验证。结果表明,通过调节三维互穿有序W骨架结构,能够有效抑制熔池扩散和液态金属喷溅,并降低熔焊力,从而提高Cu-W复合材料的抗熔焊性能。

接触器低速大吸力合闸优化控制策略

为了更好地抑制接触器合闸触头弹跳,提出一种控制策略以优化合闸过程。首先,利用线圈电压与电流作为输入构建参数观测器,实时观测接触器的动态吸力、弹簧反力、动铁心速度及位移。在此基础上,构造双闭环控制结构,外环采用模糊控制逐次调节超程前吸力裕量,内环将吸力裕量与实时弹簧反力叠加用作参考吸力,进行吸力闭环控制,实现外环动铁心合闸速度的逐次迭代优化。将观测位移与触头开距进行实时比较,一旦动铁心运动到超程阶段时,增大吸力参考,使电磁吸力快速增加,实现触头的低速大吸力合闸,以压制动铁心反弹,尽量抑制触头弹跳,并兼顾可靠合闸。通过仿真与实验验证了方案的可行性,该控制策略对依靠电磁力进行操动的电磁及永磁开关的合闸优化具有一定意义。

单稳态永磁接触器集成化磁链闭环控制技术

鉴于单稳态永磁接触器现有的控制方案存在成本高、可靠性低且优化困难等缺陷,该文提出一种集成化磁链闭环控制方案。首先,将电机传动领域的专用集成功率芯片应用到单稳态永磁接触器的智能控制中,设计其集成驱动电路;在此基础上,采用磁链闭环直接控制接触器的总磁链,在合闸过程中仅需设置一较小的恒定磁链参考值,即可实现自动弱磁,防止合闸末期永磁力过大造成严重的触头弹跳;在分闸过程中仅需设置总磁链参考值为0,即可使电磁磁链实时抵消永磁磁链,防止产生剩余吸力,造成分断速度降低,进而提高分闸性能。该文提出的方案既简化了单稳态永磁接触器硬件控制电路的设计,又降低了其优化控制的难度,对高性能永磁接触器的工程推广具有参考价值。

磁链闭环控制下接触器的优化设计方法

该文对接触器的优化设计进行研究,将磁链闭环控制引入接触器本体优化设计中,实现控制策略与本体优化设计的协同。首先,综合考虑接触器的外部漏磁和磁场分布特性,在三维有限元动态仿真的基础上构建改进的磁路模型,以实现磁路模型的参数化计算。然后,提出了一种改进的非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)与磁路模型相结合进行优化设计,以Pareto前沿个数判断种群进化进程,实现自适应遗传-差分混合进化策略,提高了多目标优化设计算法的全局收敛性和收敛速度。最后,将恒磁链闭环控制策略与多目标优化设计相结合,通过减小接触器的电磁惯性、机械惯性及提高控制磁通密度,来提高机构响应速度和磁性材料利用率,同时减小触头弹跳。仿真及实验验证了改进磁路模型及多目标优化设计方法的有效性。

基于触头燃弧损耗的动车组交流接触器剩余电寿命预测

动车组交流接触器的性能状态与列车运行安全密切相关。针对动车组交流接触器在三相不均匀燃弧损耗工况下,特征参数变化趋势与电寿命趋势的复杂映射关系问题,提出一种基于触头燃弧损耗的电寿命预测方法。首先,基于触点的燃弧机理,分析了导致三相触头之间燃弧损耗差异的原因,并在此基础上进行了随机燃弧损耗和定相燃弧损耗2种模式下的电寿命试验。然后,提取电寿命试验过程中的接触器特征参数,利用Spearman等级相关系数方法计算各特征参数与累积燃弧损耗之间的相关性,以此筛选出相关性强的特征参数构成状态识别的特征参数组。接着通过多元线性回归的方法对特征参数组进行融合,得到表征燃弧损耗状态的指标,对比指标曲线与实际寿命曲线发现试验样本存在初始燃弧损耗量的问题。之后建立基于相似性的接触器剩余燃弧损耗量预测模型,在评估环节引入能将初始燃弧损耗量的不确定性问题转化为时延问题的时延参数,通过交叉验证的方法选定最优时延参数,并建立综合评价指标对模型进行评估。最后,利用试验样本对预测模型进行了验证,并以定相燃弧损耗样本为例通过接触器电寿命映射模型对剩余电寿命进行了计算。结果表明,所提出的方法能够成功地定量评价接触器在三相不均匀燃弧损耗情况下的剩余电寿命,且能够直观表现剩余寿命的变化过程,预测误差仅为0.9%~12.1%。

基于Bayes推断的交流接触器剩余电寿命预测

针对交流接触器可靠性开展研究,首先分析交流接触器的电弧侵蚀机理,建立了计及电弧电压及电弧重燃影响的电弧侵蚀模型,根据该模型仿真得到的交流接触器性能退化特征参量变化过程与交流接触器的实际退化规律一致。分析不同工况下性能退化数据特征,提出了不同工况下先验信息的等效折算方法,解决了不同工况下的先验信息利用问题。建立了基于Bayes推断的交流接触器剩余电寿命预测模型,提高了剩余电寿命预测精度,实现了利用不同工况下性能退化数据对交流接触器进行剩余电寿命预测。在AC-4、AC-3两种工况下进行了交流接触器电寿命仿真分析及实验分析,相对误差均小于5.5%,验证了方法的准确性。

并联双线圈式直流接触器电磁机构合闸动作特性

直流接触器是新能源系统以及电动汽车中配置最为广泛的开关电器之一。而直流接触器的动态特性是衡量直流接触器性能的重要指标之一。文中以并联双线圈式直流接触器为研究对象,建立了直流接触器电磁机构的动力学模型,利用基于Adams与Maxwell软件的联合仿真研究方法对直流接触器的电磁机构进行合闸过程的仿真分析,研究结果表明,机构合闸动作的仿真合闸时间与试验合闸时间相吻合,验证了该仿真方法的正确性。同时研究了弹簧参数和线圈参数等因素对机构合闸运动特性的影响,发现在一定范围内弹簧预压力变化对合闸时间影响不大,线圈安匝数增大会导致合闸时间变小,线圈内阻增大会导致合闸时间变大且动触头弹跳更剧烈。文中的仿真方法与结果能为直流接触器电磁机构的改进设计与优化提供一定参考。

基于ERF和BO-SVC的交流接触器触头故障识别方法

针对交流接触器各状态样本不均衡导致故障状态识别精度低和特征冗余度高的问题,文中提出一种基于嵌入式随机森林(embedded random forest,ERF)和贝叶斯优化非线性支持向量机(Bayesian optimization-support vector classification,BO-SVC)的复合识别方法。首先,通过交流接触器全寿命试验平台提取接触器状态特征,并针对各状态样本间不均衡导致识别精度低现象,提出一种基于权重法的样本均衡处理策略。然后,使用ERF对均衡后样本进行特征选择和降维,提取最能表征触头状态变化规律的最优特征。最后,将最优特征输入到BO-SVC识别模型,与另外2种代表性模型作为对比,以精确率、召回率和F1-分数3个指标对各模型性能进行评估。在3个指标上,文中方法的结果分别达到95.22%、98.91%和97.01%,均高于对比模型。以F1-分数为指标,在4组样本上对各模型性能进行测试,结果表明文中方法的F1-分数平均高出对比模型0.56%和27.28%,验证文中研究有效解决了交流接触器特征冗余和故障识别精度低的问题。

交流接触器耐受不规则暂降的微变等效分析方法

交流接触器电压暂降耐受性评估的现有方法是基于矩形暂降,对于不规则暂降易产生过度评估问题。提出一种适应不规则电压暂降波形的交流接触器耐受性评估方法。基于交流接触器的动作机理推导了电磁能、弹性势能和铁心动能三者的微变关系,建立了交流接触器的微变等效模型;将不规则电压暂降波形用阶跃信号序列的时域叠加形式表征,代入接触器微变等效模型,迭代计算各阶跃响应在微变时间域的叠加效应,从而建立了交流接触器在不规则暂降下的动作行为,得出交流接触器对不规则电压暂降的耐受性评判方法。对交流接触器在不规则暂降下的耐受性进行了仿真和试验,能够判断交流接触器的工作状态,有效避免了不规则暂降的过度评估。

快速分断有机物型温度熔断器的设计与实现

为解决现有有机物型温度熔断器分断速度缓慢、直流分断能力较低的问题,设计了一种具有快速分断能力的有机物型温度熔断器。通过引入触头驱动件,使其与弹簧动作配合,将热敏药丸缓慢熔化过程转化为动触头快速分断动作,以提高有机物型温度熔断器的直流分断能力,使其适用于直流电路的温度保护。通过多体动力学仿真探究弹簧对动触头的运动速度影响,指导样机参数设计,并制作温度熔断器样机,进行触头分断速度测试以及直流负载分断实验。结果证明,所设计的温度熔断器具有较高的分断速度,具备一定的直流分断能力。

具有可控开距接触器的研究

为了提高传统电磁式接触器分断电流的能力,并解决大开距下合闸功耗高、动铁心冲击力大、铁心磨损严重等问题,设计一种具有可控开距的接触器。通过结构改进,增大传统交流接触器结构层面可打开开距,利用基于单片机的控制电路识别分断电流,并在分断过程中对励磁线圈施加不同宽度的脉冲电流,使接触器在不同分断电流下具有不同的开距,完成分断后触头回到小开距的平衡位置。通过实验,验证了所设计的接触器具有可控开距的功能。

不同磁场条件下直流接触器电弧开断特性的仿真研究

直流接触器是实现分断、功率切换以及故障保护等功能的关键器件。文中以某直流接触器为例,建立了直流接触器氢气电弧特性仿真的二维磁流体动力学模型,该模型综合考虑了外部负载电路、触头运动以及非均匀外部磁场等因素对接触器电弧特性的影响,仿真研究了不同磁钢厚度下密闭式直流接触器内电弧开断过程中的电流电压变化曲线以及温度场分布。研究结果表明,在不同磁钢厚度的非均匀磁场作用下,450 V/400 A、充气压力为4 atm(1 atm=101 kPa)的直流接触器内部电弧的燃弧时间有所不同,并且随着磁钢厚度增大,磁场强度变强,燃弧时间缩短,磁钢厚度为5.5 mm时的燃弧时间最短。

Cu含量对Ag/LSCO电接触材料物理性能的影响

采用溶胶凝胶法辅以高能球磨工艺合成Cu粉体改性La_(0.5)Sr_(0.5)CoO_(3-δ)(LSCO)粉体,用粉末冶金工艺结合热挤压技术制备了系列Cu改性Ag/LSCO电接触材料与成品丝,研究了Cu粉体对改性Ag/LSCO材料界面润湿性、物理力学性能等影响规律。结果表明,随着Cu含量的增加,改性Ag/LSCO-xCu(x=0、1、2、4、6、8)电接触材料的电阻率呈先增加后减小的趋势,与Ag和LSCO基底的润湿角变化趋势相一致,但其密度和硬度性能变化趋势相反;当Cu含量为4%时,Ag和LSCO-4Cu基底的润湿角达最小值55.0°,相应的成品丝(φ2.35mm)性能最佳:电阻率2.29μΩ·cm,硬度(HV^(0.3))946.7MPa,密度9.73g/cm^(3),断后延伸率3.9%,为纯Ag/LSCO的3.9倍。

电动汽车接触器驱动的研究与优化设计

新能源电动汽车的控制系统一般采用12V电池供电,包括控制动力线路通断的接触器。为此,汽车中的接触器驱动通常采用具有升降压能力的DC/DC变换器。此处首先对接触器电磁机构进行建模,基于正交实验法优化驱动电流轨迹。通过仿真对比分析了恒定电流、阶梯电流与曲线电流驱动方案,仿真结果表明,曲线电流驱动的接触器具有更优的动态特性。以Buck-Boost电路为基础设计并制作了一台接触器驱动样机,通过单片机进行驱动电流轨迹的跟踪控制。实验结果显示,相较于传统恒流驱动方案,曲线电流驱动方案以较小的吸合时间使弹跳次数下降67%,同时吸持功耗降低72%,驱动优化效果明显。

基于超程时间退化特性的电磁接触器寿命预测方法

从接触器失效机理出发,通过有限元和动力学仿真详细分析超程时间退化过程,进而提出一种基于超程时间退化特性的电磁接触器寿命预测方法。建立基于超程时间退化特性的电磁接触器寿命预测模型,设计并搭建接触器可靠性试验平台,并基于SJD-10048NK电磁接触器试验数据,分析预测接触器的剩余寿命,相对误差约为10%,验证了所提方法的有效性。结果表明所提方法能够对接触器寿命进行准确预测,对于接触器的可靠性状态评估及其维护管理具有重要指导意义。

高压直流接触器磁吹系统的优化设计

在高压直流接触器的磁吹灭弧系统中,当电弧燃烧时常采用永磁体拉长电弧致其熄灭,而熄弧时间又直接影响到产品的寿命次数。研究表明永磁体磁感应强度越强,熄弧时间越短,但触点中心磁感应强度与永磁体的几何中心磁感应强度有直接关系。通过仿真优化常用磁吹灭弧系统结构形式,减小单个永磁体几何中心磁感应强度,提高磁吹灭弧系统空间磁感应强度,以提升高压直流接触器产品的生产效率及寿命次数。

基于多特征增强融合的交流接触器状态表征

准确掌握交流接触器的运行状态是实现交流接触器智能化的基础,为此提出了一种基于多特征增强融合的状态表征方法。首先针对交流接触器特征参数非线性、非平稳、随机变化、趋势性不明显但符合一定统计特性的特点,利用Wasserstein概率距离进行特征变换得到趋势性较强的初态特征;然后以多属性初态特征参数为驱动,考虑参数间强耦合的特点,利用自编码器神经网络进行特征压缩提取,剔除冗余信息,保留有用信息;在此基础上,以压缩提取特征为输入,通过自组织映射神经网络来实现多维特征的竞争性融合输出,得到交流接触器运行状态的综合健康指标,实现交流接触器状态的定量表征。最后,结合实测数据验证了所提方法的有效性,并与其他2种方法相比较,结果表明:所提方法得到的健康指标趋势性、单调性和鲁棒性相比其他2种方法分别至少提高了4%、24%和5%,研究可为下一步研究交流接触器的精准控制和智能化提供参考。

用51单片机布尔处理机进行电气控制的方法

当前运行的设备中还有许多是按传统方式来进行控制的,即用继电器-接触器电路来实现控制。这些电路因连线多、通断触点多等,不时出现这样那样的问题。用单片机实现继电器-接触器控制电路的功能是一种高效、低成本的途径。单片机的应用程序设计通常采用C51语言、汇编语言或梯形图等。用汇编语言设计的应用程序可以得到比较小的可执行文件容量,降低对单片机芯片存储容量的要求,减少了程序运行时间,提高了可靠性。

交流电磁铁短路环的设计

为了解决接触器动、静铁心出现的频率振动问题,接触器交流电磁系统通常是在铁心上增加短路环。介绍了接触器交流电磁系统铁心短路环的作用及其工作原理,分析了短路环的结构参数对铁心最小吸力及平均吸力的影响。着重阐述了短路环内、外磁通相位差对短路环性能的影响,给出了基于此磁通相位差来确定短路环综合参数的方法,同时通过数值计算予以理论论证,并以实际接触器研发应用证明了此设计方法的有效性。