直流接觸器電磁機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化及仿真

趙 彤，游一民，桑仲慶

(廈門理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門361024)

直流接觸器作為新能源汽車控制分?jǐn)嗯c保護(hù)的重要部件，在大功率、高電壓領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。電磁機(jī)構(gòu)作為接觸器重要的動(dòng)力部分，利用電流在線圈中產(chǎn)生磁場(chǎng)，配合電磁吸力與彈簧反力特性來(lái)控制大電流主回路的通斷。通過(guò)電磁機(jī)構(gòu)的靜態(tài)特性可以判斷不同激磁電壓或電流下，銜鐵能否可靠地吸合，但無(wú)法反映電磁系統(tǒng)的磁路參數(shù)、機(jī)械特性等隨銜鐵運(yùn)動(dòng)的變化過(guò)程[2]。關(guān)于接觸器電磁機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的研究已經(jīng)開(kāi)展數(shù)年，其中很大一部分都是基于交流接觸器動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真與優(yōu)化[3-6]，而對(duì)直流接觸器電磁機(jī)構(gòu)的研究相對(duì)較少，且國(guó)內(nèi)學(xué)者在研究直流電磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性[7-10]時(shí)，常采用單目標(biāo)因素分析仿真結(jié)果，很少根據(jù)綜合因素實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與功耗的優(yōu)化。利用綜合目標(biāo)因素分析方法不僅可以提出代表性強(qiáng)、制造條件優(yōu)的方案，還可以獲得零部件尺寸最優(yōu)值。因此，本文針對(duì)直流接觸器小型化、低功耗及高可靠性要求，采用Maxwell仿真軟件對(duì)直流接觸器電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模與仿真，通過(guò)正交試驗(yàn)法獲取多因素優(yōu)化參數(shù)組合，提高電磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)作性能。

1 電磁機(jī)構(gòu)模型的建立

1.1 工作原理與數(shù)學(xué)模型

某型號(hào)直流接觸器電磁機(jī)構(gòu)包含線圈組件、磁軛、鐵芯組件和彈簧等。合閘過(guò)程中對(duì)激磁線圈施加激勵(lì)，線圈得電后在磁軛、鐵芯組件及氣隙中形成磁回路，線圈骨架中心產(chǎn)生向上的磁通，牽引銜鐵向靜鐵芯運(yùn)動(dòng)，基于銜鐵行程變化，彈簧表現(xiàn)出不同的反力特性，銜鐵走完開(kāi)距與超程后維持吸合，合閘結(jié)束；分閘時(shí)斷開(kāi)激勵(lì)源，由于二極管的續(xù)流作用，線圈電流與磁路磁通逐漸減小，電磁吸力無(wú)法克服彈簧反力維持銜鐵吸合，銜鐵失電復(fù)位，分閘過(guò)程結(jié)束。直流接觸器電磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 直流接觸器電磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 DC contactor electromagnetic mechanism

直流電磁機(jī)構(gòu)由于線圈產(chǎn)生的磁通方向不變，銜鐵動(dòng)作時(shí)無(wú)需考慮磁滯與渦流損耗，動(dòng)作過(guò)程滿足電壓平衡方程與達(dá)朗貝爾運(yùn)動(dòng)方程[11-12]，即：

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中：u(t)為線圈的勵(lì)磁電壓；i(t)為線圈上流過(guò)的電流；R為線圈電阻阻值；Ψ(t)為線圈磁鏈；Fx為運(yùn)動(dòng)銜鐵所受的電磁吸力；銜鐵所受反力通常包含彈簧載荷Ff，運(yùn)動(dòng)部件重力G1，以及空氣阻力與內(nèi)壁摩擦力的合力f2，銜鐵反作用力與電磁吸力方向相反，企圖使銜鐵打開(kāi)；v(t)為銜鐵在不同時(shí)刻t的速度；m為銜鐵的質(zhì)量；s(t)為銜鐵隨時(shí)間變化的行程距離。

Maxwell仿真軟件采用T-Ω算法對(duì)三維瞬態(tài)場(chǎng)進(jìn)行分析，基于局部剖分法計(jì)算三維瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)效應(yīng)[13]，由麥克斯韋方程組給出的低頻瞬態(tài)電磁場(chǎng)方程[14]如下：

(4)

式(4)中：E為電場(chǎng)強(qiáng)度；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度。

實(shí)際工程中，需考慮回路主磁通與氣隙漏磁通，計(jì)及端面和螺管電磁力，同時(shí)，保證一定的設(shè)計(jì)余量，以滿足機(jī)構(gòu)吸反力配合特性，修正后的麥克斯韋電磁吸力計(jì)算式如下：

(5)

式(5)中：Bδ為工作氣隙磁密；Sδ為銜鐵的截面積；μ0為氣隙磁導(dǎo)率；機(jī)構(gòu)空腔填充空氣，μ0=4π×10-7H·m-1；k為螺管力系數(shù)，取值范圍為0.3～0.6。

1.2 仿真模型

仿真模型由動(dòng)靜鐵芯、線圈及磁軛構(gòu)成。模型前處理時(shí)刪去樣機(jī)螺紋，降低網(wǎng)格剖分復(fù)雜度，剔除用于導(dǎo)向與固定的非導(dǎo)磁材料。剖分網(wǎng)格時(shí)，加密運(yùn)動(dòng)域與運(yùn)動(dòng)組件，忽略渦流損耗、磁滯損耗和趨膚深度影響，直接基于內(nèi)部尺寸完成劃分。簡(jiǎn)化后的直流接觸器仿真模型與網(wǎng)格剖分情況如圖2所示。

圖2 直流接觸器電磁機(jī)構(gòu)仿真模型與網(wǎng)格剖分(單位：mm)Fig.2 Simulation model and mesh splitting of DC Contactor(unit:mm)

材料設(shè)置方面，銜鐵、靜鐵芯及上下磁軛均采用能快速響應(yīng)外磁場(chǎng)變化的軟磁材料DT4C；線圈材料為銅，空腔部分由空氣進(jìn)行填充。由于直流接觸器不存在過(guò)零點(diǎn)，開(kāi)距的大小在一定程度上影響觸頭的滅弧能力。實(shí)際設(shè)計(jì)中還要考慮超程的設(shè)置，防止因觸頭磨損造成的吸合不可靠。綜合考慮銜鐵總行程為1.6 mm，其中開(kāi)距1.4 mm，超程0.2 mm。

本接觸器采用多級(jí)彈簧負(fù)載特性，其載荷由分閘彈簧和合閘彈簧2部分組成。按銜鐵動(dòng)作情況可以劃分為3個(gè)階段：銜鐵觸動(dòng)前分閘彈簧預(yù)壓力Ff0，觸動(dòng)后分閘簧壓縮作用力Ff1，以及超行程階段觸頭簧與分閘簧共同作用力Ff2，彈簧反力特性曲線如圖3所示。運(yùn)動(dòng)域設(shè)置時(shí)，需考慮銜鐵動(dòng)作與維持過(guò)程中的摩擦阻尼系數(shù)，主要包含銜鐵運(yùn)動(dòng)與吸持時(shí)與內(nèi)壁之間的阻力。

圖3 彈簧反力特性曲線Fig.3 Spring reaction characteristics curve

仿真模型采用18 V可變直流電源勵(lì)磁，基于二分法確定最小維持電壓。圖4為線圈控制電路結(jié)構(gòu)。當(dāng)銜鐵保持穩(wěn)定吸合時(shí)，降低激勵(lì)源電壓進(jìn)而減少線圈電流，只須保證吸力特性超過(guò)反力特性，銜鐵即可維持穩(wěn)定吸合。此外，憑借二極管D1的續(xù)流作用，降低回路斷開(kāi)瞬間的過(guò)電壓，提高可靠性。開(kāi)關(guān)管采用電平驅(qū)動(dòng)的方式，通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓的占空比控制主回路的導(dǎo)通時(shí)間。隨著銜鐵運(yùn)動(dòng)到位并穩(wěn)定吸持后，將直流電源從18 V調(diào)至8 V，減少銜鐵長(zhǎng)期吸合過(guò)程中線圈的功耗，降低線圈溫升。仿真時(shí)可利用外電路編輯器(circuit editor)中的壓控開(kāi)關(guān)模塊控制主電路的通斷，同時(shí)調(diào)節(jié)脈沖直流電源的占空比實(shí)現(xiàn)可變的電壓輸出。

圖4 線圈控制電路結(jié)構(gòu)Fig.4 Circuit structure control

2 基于正交試驗(yàn)的參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)直流電磁機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程可知，線圈電流、吸反力的平衡關(guān)系等因素對(duì)接觸器觸動(dòng)時(shí)間、動(dòng)作時(shí)間和銜鐵閉合速度有直接影響。因此，本文針對(duì)待優(yōu)化的3組參數(shù)：磁軛厚度A、漆包線徑B和分閘彈簧預(yù)壓力C，設(shè)計(jì)如表1所示的參數(shù)及變化范圍。

表1 電磁機(jī)構(gòu)參數(shù)及變化范圍Table 1 Ranges of electromagnetic mechanism parameters

為減少試驗(yàn)次數(shù)、提高計(jì)算效率，采用正交實(shí)驗(yàn)法研究各參數(shù)對(duì)電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響。每個(gè)參數(shù)類型選取3組數(shù)據(jù)，選用最能反映接觸器動(dòng)態(tài)特性的合閘時(shí)間、電流峰值及銜鐵閉合速度為優(yōu)化指標(biāo)，試驗(yàn)參數(shù)組合如表2所示。

表2 試驗(yàn)參數(shù)組合Table 2 Combinations of parameters

由于本文試驗(yàn)采用三因素三水平的正交方案，可采用L9(33)的試驗(yàn)表進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。不同參數(shù)組合計(jì)算結(jié)果如表3所示。表3中，第1列為試驗(yàn)序號(hào)，即共須完成9組試驗(yàn)；2～4列為3種因素的不同組合；5～8列為不同組合下的仿真結(jié)果。

表3 不同參數(shù)組合的計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of combinations of parameters

在得到以上9組仿真結(jié)果后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，結(jié)果如表4所示。由表4得出以下結(jié)論：觸動(dòng)時(shí)間最優(yōu)參數(shù)組合A1、B3、C1或A3、B3、C1；合閘時(shí)間最優(yōu)參數(shù)組合A3、B3、C1；電流峰值最優(yōu)參數(shù)組合A3、B1、C1；銜鐵閉合速度最優(yōu)參數(shù)組合A1、B1、C1；由極差分布可知，線圈線徑(因素B)對(duì)銜鐵閉合速度影響較小，對(duì)電流峰值、響應(yīng)時(shí)間影響較大，在符合線圈溫升標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)盡可能減少能耗；分閘彈簧預(yù)壓力(因素C)的增加會(huì)延長(zhǎng)銜鐵觸動(dòng)與合閘時(shí)間；磁軛厚度對(duì)綜合性能影響不明顯，可以選取較小值來(lái)減少耗材。

表4 參數(shù)仿真結(jié)果均值與極差Table 4 Mean and range of simulation results

為獲取最優(yōu)因素組合，需權(quán)衡合閘時(shí)間、峰值電流及閉合動(dòng)能的指標(biāo)要求。由于接觸器性能要求合閘時(shí)間小于25 ms，上述參數(shù)組合均符合合閘時(shí)長(zhǎng)規(guī)定，因此可以重點(diǎn)考慮影響線圈電流與銜鐵閉合速度的參數(shù)；機(jī)構(gòu)的電磁吸力特性過(guò)多地高于反力特性，既增大電磁系統(tǒng)的體積，又提升銅鐵用量和成本，且過(guò)高的動(dòng)作速度會(huì)使鐵芯間與觸頭間發(fā)生猛烈沖擊，觸頭易出現(xiàn)彈振現(xiàn)象，導(dǎo)致電弧重燃，嚴(yán)重影響接觸器本身的電壽命。因此，在滿足可靠吸合與維持的前提下，盡量選取閉合速度較小的參數(shù)組合以延長(zhǎng)觸頭的壽命；線徑大小影響線圈滿匝時(shí)的匝數(shù)與電阻，改變骨架中心磁通變化率與線圈溫升，影響觸動(dòng)與合閘時(shí)間，在滿足合閘性能指標(biāo)的同時(shí)應(yīng)當(dāng)盡可能降低線圈電流，減少線圈發(fā)熱；彈簧預(yù)壓力對(duì)合閘性能影響較為明顯，因此可以適當(dāng)降低彈簧預(yù)壓力來(lái)提高機(jī)構(gòu)的動(dòng)作性能。磁軛厚度對(duì)整體性能影響較小，磁路未飽和的情況下可選擇較小值，減小機(jī)構(gòu)體積與耗材。綜上，電磁機(jī)構(gòu)最優(yōu)因素組合為：磁軛厚度2 mm、線徑0.35 mm、分閘彈簧預(yù)壓力6 N，其他參數(shù)為：線圈激勵(lì)18 V、線圈匝數(shù)18匝、線圈電阻25 Ω。

3 優(yōu)化結(jié)果仿真分析

直流接觸器動(dòng)態(tài)特性直接反映銜鐵動(dòng)作過(guò)程中電磁、機(jī)械參數(shù)隨時(shí)間變化情況。根據(jù)優(yōu)化參數(shù)組合進(jìn)行仿真計(jì)算，得到接觸器動(dòng)態(tài)特性曲線與磁場(chǎng)分布云圖。直流接觸器電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性曲線如圖5所示。

圖5 直流接觸器電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性曲線Fig.5 Dynamic characteristic curve of DC contactor electromagnetic mechanism

圖5(a)中，0至Tc時(shí)段為觸動(dòng)階段，線圈通電后，由于電感的存在，激磁電流i(t)與電磁吸力Fx緩慢增加，此時(shí)電流I1為觸動(dòng)電流，Tc為觸動(dòng)時(shí)間。

Tc至Td時(shí)段為吸合運(yùn)動(dòng)階段，銜鐵加速運(yùn)動(dòng)直至與靜鐵芯吸合，在Tm1時(shí)刻達(dá)到第一個(gè)電流峰值I2。Tm1至Td時(shí)段內(nèi)，線圈電流下降平衡動(dòng)作過(guò)程中產(chǎn)生反電勢(shì)，電流變化率與鐵芯、磁軛、線圈尺寸結(jié)構(gòu)等參數(shù)有關(guān)，期間彈簧載荷Ff隨著銜鐵位移逐漸增大，且始終保持吸力Fx>Ff。圖5(b)與圖5(c)中相同時(shí)間段內(nèi)，隨著氣隙減小，電磁吸力Fx與銜鐵運(yùn)動(dòng)速度v(t)迅速增加。吸合后，銜鐵速度立刻降為0，運(yùn)動(dòng)反電勢(shì)消失，線圈電流在I3的基礎(chǔ)上增加。為更好地表示30 ms后電磁吸力已達(dá)到穩(wěn)態(tài)，圖5(c)中線圈激勵(lì)電壓始終保持18 V，根據(jù)圖5(b)可以觀察出電磁吸力已趨于平穩(wěn)。

Td至Tm2時(shí)段為穩(wěn)態(tài)過(guò)渡階段，磁通繼續(xù)增大直至飽和，電流趨于穩(wěn)態(tài)I4=0.719 A，與理論值18 V/25 Ω=0.72 A相符。Td時(shí)刻后為吸持階段，線圈電流大小直接影響機(jī)構(gòu)溫升與骨架散熱，為降低線圈穩(wěn)定吸合時(shí)的溫升，防止因?yàn)楦邷貙?dǎo)致的吸持不可靠，控制電路采取高壓吸起，低壓保持的策略，減少接觸器吸持功耗。仿真時(shí)，設(shè)置線圈電壓在30 ms切換，40 ms降至8 V，55 ms后銜鐵穩(wěn)定吸持，穩(wěn)態(tài)電流值為0.321 A，對(duì)應(yīng)時(shí)刻下電磁吸力穩(wěn)定在78 N。根據(jù)銜鐵吸合位置的麥克斯韋電磁吸力計(jì)算公式(式5)，合閘保持力理論值為70.72 N，符合可靠吸合10%的設(shè)計(jì)裕量。經(jīng)仿真驗(yàn)證，6.8 V時(shí)銜鐵仍然能保持吸合，滿足電壓小范圍波動(dòng)(85%UN～110%UN)仍能夠保持穩(wěn)定吸合的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6為吸合瞬間(18.1 ms)電磁機(jī)構(gòu)磁場(chǎng)分布云圖和矢量圖。圖6中隱藏了線圈，僅保留磁路中鐵磁材料部件。電磁機(jī)構(gòu)在工作時(shí)，既要使運(yùn)動(dòng)部件的磁感應(yīng)強(qiáng)度足夠大，以產(chǎn)生較大的電磁吸力，又不能過(guò)度飽和，防止剩磁過(guò)大[15]。結(jié)合云圖6(a)、(c)與矢量圖(b)可以觀察出在銜鐵與靜鐵芯接觸部分所受的電磁吸力最大，磁感應(yīng)強(qiáng)度介于1.80～1.95 T之間；圖6(a)、(c)、(d)表明磁軛上大部分磁感應(yīng)強(qiáng)度處于1.05～1.50 T之間，磁化程度居中，僅在靜鐵芯與磁軛連接處磁感應(yīng)強(qiáng)度較大，其值不超過(guò)2 T。由圖6(b)可以看出，絕大部分磁力線都流過(guò)鐵磁材料所構(gòu)成的磁路，空間中漏磁很小，與預(yù)期相符。

圖6 電磁機(jī)構(gòu)吸合瞬間磁場(chǎng)分布情況(單位：mm)Fig.6 Magnetic field distribution of electromagnetic mechanism at the moment of attraction(unit:mm)

4 結(jié)論

本文通過(guò)Maxwell磁場(chǎng)仿真軟件完成某型號(hào)直流接觸器電磁機(jī)構(gòu)仿真建模與動(dòng)態(tài)特性分析，并針對(duì)3種參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)優(yōu)化的方案設(shè)計(jì)，將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行均值極差處理；然后，分析3種不同因素對(duì)各機(jī)構(gòu)性能指標(biāo)的影響程度，獲取最優(yōu)因素組合并進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真結(jié)果表明，一方面，優(yōu)化方案能夠滿足電磁機(jī)構(gòu)性能指標(biāo)要求，相較于原樣機(jī)動(dòng)作特性，優(yōu)化后銜鐵閉合速度減少16.8%，峰值電流降低10.0%，有效延長(zhǎng)了接觸器電磁機(jī)構(gòu)的電氣與機(jī)械壽命；另一方面，提出的節(jié)能策略能夠?qū)崿F(xiàn)銜鐵低電壓吸持，降低線圈能耗，試驗(yàn)方案可為直動(dòng)式直流電磁機(jī)構(gòu)優(yōu)化提供思路。下一步的研究方向是對(duì)接觸器觸頭電弧動(dòng)態(tài)演變過(guò)程研究，結(jié)合電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)一步完善直流接觸器的動(dòng)作性能。