低壓電磁開關(guān)三維動(dòng)態(tài)全仿真虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種低壓電磁開關(guān)三維動(dòng)態(tài)全仿真虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)，包括有限元軟件系統(tǒng)和電路仿真模塊，通過所述有限元軟件系統(tǒng)，建立包括電磁系統(tǒng)、聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)和觸頭系統(tǒng)的低壓電磁開關(guān)三維運(yùn)動(dòng)模型；所述三維運(yùn)動(dòng)模型通過電磁場(chǎng)計(jì)算模塊、溫度場(chǎng)計(jì)算模塊和力場(chǎng)計(jì)算模塊的耦合計(jì)算，形成三維動(dòng)態(tài)仿真模塊；通過電路仿真模塊與所述三維動(dòng)態(tài)仿真模塊的聯(lián)合仿真，設(shè)計(jì)智能控制電路給所述電磁系統(tǒng)供電；所述三維動(dòng)態(tài)仿真模塊包括固定氣隙下的靜態(tài)計(jì)算模塊、整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊和優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，并連接至虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)。本發(fā)明建立了含電路仿真模塊的電磁開關(guān)三維動(dòng)態(tài)全仿真平臺(tái)，為低壓電磁開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與智能控制奠定良好的理論基礎(chǔ)。
【專利說明】低壓電磁開關(guān)三維動(dòng)態(tài)全仿真虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種低壓電磁開關(guān)三維動(dòng)態(tài)全仿真虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0002]低壓電磁開關(guān)是電氣工程領(lǐng)域中量大面廣的器件，用于電力線路或自動(dòng)控制系統(tǒng)中接通、控制或保護(hù)負(fù)載的開關(guān)設(shè)備，包括電磁式接觸器、繼電器、以及斷路器中的電磁脫扣器等。電磁開關(guān)中含有電磁系統(tǒng)和觸頭系統(tǒng)，電磁系統(tǒng)是電磁開關(guān)的感測(cè)機(jī)構(gòu)，其工作過程是將電能轉(zhuǎn)化為磁能，再將磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，由電磁系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)開關(guān)執(zhí)行部件——觸頭系統(tǒng)的動(dòng)作。傳統(tǒng)交流電磁系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)存在功率損耗大、線圈過熱、振動(dòng)噪聲等一系列問題；觸頭系統(tǒng)閉合過程中存在一次、二次彈跳，分?jǐn)鄷r(shí)存在電弧侵蝕現(xiàn)象，均會(huì)引起電磨損和熔焊等現(xiàn)象，這些都是降低電磁開關(guān)電壽命和可靠性的主要原因。為了適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)大規(guī)模、自動(dòng)化、高速生產(chǎn)的需求，滿足高效、節(jié)能、環(huán)保的理念，對(duì)電磁開關(guān)的研究，目前得到廣泛的關(guān)注。同時(shí)，隨著電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，電磁開關(guān)的智能控制技術(shù)近年來有了長(zhǎng)足進(jìn)步，新一代低壓電磁開關(guān)具有體積小、結(jié)構(gòu)合理、開斷能力強(qiáng)、節(jié)能節(jié)材、無(wú)聲運(yùn)行等特點(diǎn)。
[0003]電磁開關(guān)在運(yùn)行中存在著電、磁、光、熱、力等非線性能量轉(zhuǎn)換，這些能量隨著時(shí)間、氣隙的變化而產(chǎn)生變化，形成一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程。傳統(tǒng)電磁開關(guān)分析設(shè)計(jì)方法大都以靜態(tài)設(shè)計(jì)、近似計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)參數(shù)為主，導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)周期長(zhǎng)、資金投入大，且設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)與產(chǎn)品實(shí)際性能差距較大，需要通過反復(fù)試驗(yàn)修正才能得到滿意結(jié)果，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足高品質(zhì)、高效率的設(shè)計(jì)需求。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)及有限元軟件性能的不斷提高，工程領(lǐng)域中的機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)分析、電磁場(chǎng)分析、熱分析等仿真技術(shù)日益成熟，為電磁開關(guān)分析與設(shè)計(jì)提供了良好的基礎(chǔ)。為了設(shè)計(jì)高性能、高可靠性的電磁開關(guān)以適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展需求，提高設(shè)計(jì)效率、降低開發(fā)成本，將虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)引入低壓電器是一件迫在眉睫的工作。虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)是指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，將分散的零部件設(shè)計(jì)和分析技術(shù)糅合在一起，在計(jì)算機(jī)上建立產(chǎn)品的整機(jī)模型，并針對(duì)產(chǎn)品在投入使用后的工況進(jìn)行仿真分析、預(yù)測(cè)整機(jī)性能，進(jìn)而改進(jìn)設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品性能的一種新技術(shù)。
[0004]文獻(xiàn)[I]采用三維磁場(chǎng)矢量法對(duì)接觸器電磁系統(tǒng)進(jìn)行瞬態(tài)仿真分析，可考慮鐵心非線性及各向異性特性；文獻(xiàn)[2]通過一系列微分方程建立包含觸頭彈跳的接觸器動(dòng)態(tài)計(jì)算全模型，采用Runge-Kunta法進(jìn)行快速求解，分析不同參數(shù)如:電壓相角、運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量和慣性、鐵心緩沖墊的硬度等對(duì)接觸器動(dòng)態(tài)特性以及觸頭彈跳的影響；文獻(xiàn)[3]采用“磁路”法對(duì)接觸器電磁系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，通過四階Runge-Kunta求解接觸器動(dòng)態(tài)微分方程組，分析不同合閘相角動(dòng)態(tài)特性；文獻(xiàn)[4]建立考慮觸頭運(yùn)動(dòng)情況的接觸器磁路動(dòng)態(tài)計(jì)算模型，分析不同晃電故障條件對(duì)接觸器動(dòng)態(tài)特性的影響；文獻(xiàn)[5]采用“場(chǎng)-路結(jié)合”法，大氣隙通過ANSYS有限元仿真三維電磁場(chǎng)，小氣隙采用考慮分磁環(huán)作用的“路”法對(duì)接觸器吸合特性進(jìn)行計(jì)算。文獻(xiàn)[6-7]建立低壓塑殼斷路器的三維虛擬樣機(jī)模型，在建模的過程中考慮分?jǐn)鄰椈?、桿件形狀、氣動(dòng)斥力、電動(dòng)斥力多種因素對(duì)分?jǐn)嗨俣鹊挠绊?；文獻(xiàn)[8-9]采用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立接觸器三維運(yùn)動(dòng)仿真模型，耦合了電路、電磁場(chǎng)進(jìn)行迭代求解，動(dòng)力學(xué)分析考慮摩擦力影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸器動(dòng)態(tài)吸合過程和觸頭彈跳的仿真分析，并分析不同合閘相角、觸頭彈簧參數(shù)和線圈電壓對(duì)觸頭彈跳的影響。
[0005]但是，目前所有的有限元軟件，都是針對(duì)普遍現(xiàn)象所進(jìn)行的場(chǎng)域計(jì)算。低壓電磁開關(guān)工作過程中涉及到電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、力場(chǎng)等耦合場(chǎng)域計(jì)算，并且，種類繁多、結(jié)構(gòu)各異，想要對(duì)其分析有一定難度，尤其是三維動(dòng)態(tài)過程計(jì)算難度更大。
[0006]本發(fā)明針對(duì)低壓電磁開關(guān)開發(fā)一個(gè)綜合的三維動(dòng)態(tài)仿真虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)，在平臺(tái)中，通過對(duì)電磁系統(tǒng)、觸頭系統(tǒng)、聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)建立三維有限元模型，形成完整的三維運(yùn)動(dòng)模型，對(duì)模型加載，構(gòu)建電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、力場(chǎng)的耦合場(chǎng)域全仿真模型，并分別建立靜態(tài)計(jì)算、動(dòng)態(tài)計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，使其根據(jù)需要進(jìn)行仿真計(jì)算分析，經(jīng)過對(duì)相關(guān)軟件的二次開發(fā)，形成三維動(dòng)態(tài)仿真虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)，該平臺(tái)具有參數(shù)設(shè)置、結(jié)果輸出、功能選擇、特性分析模塊，同時(shí)將電路仿真和智能控制模塊弓丨入該仿真虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)，可以對(duì)三維樣機(jī)施加不同的控制方案，組建聯(lián)合仿真系統(tǒng)，由此模擬真實(shí)的運(yùn)行環(huán)境，對(duì)觸頭系統(tǒng)也可以施加不同的載荷、選擇不同的負(fù)載，通過該平臺(tái)的使用，可以大幅度縮短新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，節(jié)約設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)效率。同時(shí)，也為智能控制模塊的設(shè)計(jì)提供良好的設(shè)計(jì)平臺(tái)。
[0007]參考文獻(xiàn):
[1]LechNowak, Krzysztof Kowalsk1.The 3D Coupled Field-Circuit Simulationof Transients in Nonliear Systems[J].1EEE Transactions on Magnetics,1996,32(3):1078-1081.[2]Masayoshiffada, Hiroshi Yoshimoto, Yujiro Kitaide.Dynamic Analysis andSimulation of Electromagnetic Contactors with AC Solenoids[C].Proceedings ofthe 28th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronic SocietyJ 2002(IEC0N’ 02)，2002(4):2745-2751.[3]程祝媛，許志紅.XMCO-188交流接觸器動(dòng)態(tài)特性分析[J].電氣制造，2010(1):44-48.[4]林抒毅，許志紅.晃電故障下交流接觸器的工作特性分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31 (24):131-137.[5]孫園，許志紅.基于ANSYS軟件的智能交流接觸器電磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].低壓電器，2006(11):3-8.[6]張敬 菽，陳德桂，等.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的低壓塑殼斷路器仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2004(9):2118-2121.[7]陳德桂，劉慶江，康艷.塑殼斷路器操作機(jī)構(gòu)分?jǐn)嗨俣鹊挠绊懸蛩豙J].低壓電器，2005(12):9-13.[8]李興文，陳德桂，孫志強(qiáng)，等.交流接觸器動(dòng)態(tài)過程及觸頭彈跳數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24 (9): 229-233.[9]劉穎異，陳德桂，袁海文.帶電流反饋的永磁接觸器動(dòng)態(tài)特性仿真與分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，15(30):118-123.。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種建立了電磁開關(guān)三維動(dòng)態(tài)仿真模型，并為低壓電磁開關(guān)的智能化控制方案，提供良好設(shè)計(jì)平臺(tái)的低壓電磁開關(guān)三維動(dòng)態(tài)全仿真虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種低壓電磁開關(guān)三維動(dòng)態(tài)全仿真虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)，包括有限元軟件系統(tǒng)和電路仿真模塊，通過所述有限元軟件系統(tǒng)，建立包括電磁系統(tǒng)、聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)和觸頭系統(tǒng)的低壓電磁開關(guān)的三維運(yùn)動(dòng)模型；所述三維運(yùn)動(dòng)模型通過電磁場(chǎng)計(jì)算模塊、溫度場(chǎng)計(jì)算模塊和力場(chǎng)計(jì)算模塊的耦合計(jì)算，形成三維動(dòng)態(tài)仿真模塊；所述三維動(dòng)態(tài)仿真模塊包括對(duì)固定氣隙下的電磁開關(guān)進(jìn)行計(jì)算的靜態(tài)計(jì)算模塊、計(jì)算電磁開關(guān)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中參量變化與場(chǎng)域分布變化情況的動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊和優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，并通過所述靜態(tài)計(jì)算模塊、動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊和對(duì)樣機(jī)進(jìn)行尋優(yōu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊連接至虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)；所述虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)經(jīng)選擇電磁機(jī)構(gòu)供電模式的直接電源控制模塊連接至電磁系統(tǒng)，所述虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)還經(jīng)電路仿真模塊和智能控制模塊連接至電磁系統(tǒng)；所述電路仿真模塊通過與三維動(dòng)態(tài)仿真模塊的聯(lián)合仿真，設(shè)計(jì)智能控制電路，輸入至所述的智能控制模塊中，并通過所述智能控制模塊給所述電磁系統(tǒng)供電；所述虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)包括參數(shù)設(shè)置模塊、結(jié)果輸出模塊、特性分析模塊和功能選擇模塊；所述參數(shù)設(shè)置模塊對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；所述結(jié)果輸出模塊用于輸出運(yùn)動(dòng)特性和性能參數(shù)；所述特性分析模塊建立對(duì)電磁開關(guān)特性影響的的參數(shù)分析和壽命預(yù)測(cè)；所述功能選擇模塊對(duì)靜態(tài)計(jì)算模塊、動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊和優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行選擇；所述觸頭系統(tǒng)還分別通過載荷輸入模塊和不同負(fù)載設(shè)定模塊連接至虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)；所述不同負(fù)載設(shè)定模塊，控制觸頭系統(tǒng)所通斷的負(fù)載類型；所述載荷輸入模塊對(duì)觸頭系統(tǒng)的通斷能力進(jìn)行分析和計(jì)算。
[0010]在本發(fā)明實(shí)施例中，所述直接電源控制模塊的電磁機(jī)構(gòu)的供電模式為直流勵(lì)磁或者交流激磁，并能夠改變電壓范圍和電壓等級(jí)。
[0011]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果:
(1)將虛擬樣機(jī)技術(shù)引入低壓電磁開關(guān)的設(shè)計(jì)中，考慮運(yùn)動(dòng)過程中摩擦力、碰撞過程形變等因素的影響，將描述材料形變量的本構(gòu)方程、運(yùn)動(dòng)方程以及邊界約束引入控制方程中，建立了三維運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，同時(shí)，將電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、力場(chǎng)相稱合，建立了含觸頭系統(tǒng)與電磁系統(tǒng)的電磁開關(guān)三維動(dòng)態(tài)仿真模塊；
(2)將電路仿真技術(shù)和三維動(dòng)態(tài)仿真模塊相結(jié)合，形成了聯(lián)合仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以在場(chǎng)域耦合的情況下，仿真開關(guān)的運(yùn)行情況，還可以融入控制方案，進(jìn)行過程控制仿真，為低壓電磁開關(guān)的智能化控制方案，提供良好的設(shè)計(jì)平臺(tái)；
(3)建立了觸頭系統(tǒng)的耦合場(chǎng)域和運(yùn)動(dòng)模型，通過對(duì)觸頭系統(tǒng)載荷和運(yùn)行負(fù)載的仿真，可以模擬開關(guān)電器的真實(shí)運(yùn)行環(huán)境，為低壓電磁開關(guān)設(shè)計(jì)，帶來全新的設(shè)計(jì)理念。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明低壓電磁開關(guān)三維動(dòng)態(tài)全仿真虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)的原理框圖。
[0013]圖2為二分法插值表格求解電流與吸力的流程圖。
[0014]圖3為磁路動(dòng)態(tài)微分方程計(jì)算流程圖。
[0015]圖4為電磁開關(guān)三維全仿真動(dòng)態(tài)計(jì)算流程圖。
【具體實(shí)施方式】[0016]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行具體說明。
[0017]本發(fā)明一種低壓電磁開關(guān)三維動(dòng)態(tài)全仿真虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)，包括有限元軟件系統(tǒng)(在本發(fā)明實(shí)施例中，有限元軟件系統(tǒng)可以采用有限元分析軟件SciFEA代替)和電路仿真模塊，通過所述有限元軟件系統(tǒng)，建立包括電磁系統(tǒng)、聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)和觸頭系統(tǒng)的低壓電磁開關(guān)的三維運(yùn)動(dòng)模型；所述三維運(yùn)動(dòng)模型通過電磁場(chǎng)計(jì)算模塊、溫度場(chǎng)計(jì)算模塊和力場(chǎng)計(jì)算模塊的耦合計(jì)算，形成三維動(dòng)態(tài)仿真模塊；所述三維動(dòng)態(tài)仿真模塊包括對(duì)固定氣隙下的電磁開關(guān)進(jìn)行計(jì)算的靜態(tài)計(jì)算模塊、計(jì)算電磁開關(guān)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中參量變化與場(chǎng)域分布變化情況的動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊和優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，并通過所述靜態(tài)計(jì)算模塊、動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊和對(duì)樣機(jī)進(jìn)行尋優(yōu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊連接至虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)；所述虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)經(jīng)選擇電磁機(jī)構(gòu)供電模式的直接電源控制模塊連接至電磁系統(tǒng)，所述虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)還經(jīng)電路仿真模塊和智能控制模塊連接至電磁系統(tǒng)；所述電路仿真模塊通過與三維動(dòng)態(tài)仿真模塊的聯(lián)合仿真，設(shè)計(jì)智能控制電路，輸入至所述的智能控制模塊中，并通過所述智能控制模塊給所述電磁系統(tǒng)供電；所述虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)包括參數(shù)設(shè)置模塊、結(jié)果輸出模塊、特性分析模塊和功能選擇模塊；所述參數(shù)設(shè)置模塊對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；所述結(jié)果輸出模塊用于輸出運(yùn)動(dòng)特性和性能參數(shù)；所述特性分析模塊建立對(duì)電磁開關(guān)特性影響的的參數(shù)分析和壽命預(yù)測(cè)；所述功能選擇模塊對(duì)靜態(tài)計(jì)算模塊、動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊和優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行選擇；所述觸頭系統(tǒng)還分別通過載荷輸入模塊和不同負(fù)載設(shè)定模塊連接至虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)；所述不同負(fù)載設(shè)定模塊，控制觸頭系統(tǒng)所通斷的負(fù)載類型；所述載荷輸入模塊對(duì)觸頭系統(tǒng)的通斷能力進(jìn)行分析和計(jì)算。
[0018]所述直接電源控制模塊的電磁機(jī)構(gòu)的供電模式為直流勵(lì)磁或者交流激磁，并能夠改變電壓范圍和電壓等級(jí)。
[0019]以下為本發(fā)明的具體實(shí)施例。
[0020]如圖1所示，圖中F為有限元軟件系統(tǒng)(在本實(shí)施例中，該有限元軟件系統(tǒng)即有限元分析軟件SciFEA)，D為電磁系統(tǒng)，L為聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，C為觸頭系統(tǒng)，S為三維運(yùn)動(dòng)模型，DC為電磁場(chǎng)計(jì)算模塊，WD為溫度場(chǎng)計(jì)算模塊，LC為力場(chǎng)計(jì)算模塊，Q為三維動(dòng)態(tài)仿真模塊，JT為靜態(tài)計(jì)算模塊，DT為動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊，YH為優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，XN為虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)，CS為參數(shù)設(shè)置模塊，JG為結(jié)果輸出模塊，TX為特性分析模塊，GN為功能選擇模塊，DF為電路仿真模塊，ZN為智能控制模塊，ZJ為直接電源控制模塊，ZH為載荷輸入模塊，F(xiàn)Z為不同負(fù)載設(shè)定模塊。
[0021]考慮運(yùn)動(dòng)過程中摩擦力、碰撞過程形變等因素，將描述材料形變量的本構(gòu)方程、運(yùn)動(dòng)方程以及邊界約束引入方程中，建立三維運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，通過三維有限元軟件系統(tǒng)F，建立含電磁系統(tǒng)D、觸頭系統(tǒng)C、聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)L的低壓電磁開關(guān)三維運(yùn)動(dòng)模型S ;對(duì)模型進(jìn)行電磁場(chǎng)DC、溫度場(chǎng)WD、力場(chǎng)LC耦合計(jì)算，形成含觸頭系統(tǒng)C、電磁系統(tǒng)D、聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)L等部件在內(nèi)的三維動(dòng)態(tài)仿真模塊Q ;該三維動(dòng)態(tài)仿真模塊Q具有三個(gè)計(jì)算模塊:靜態(tài)計(jì)算模塊JT、動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊DT、優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊YH ;靜態(tài)計(jì)算模塊JT可對(duì)某一固定氣隙下的電磁開關(guān)進(jìn)行計(jì)算，通過電磁場(chǎng)DC、溫度場(chǎng)WD、力場(chǎng)LC的計(jì)算，可以得知:電磁吸力、磁路磁鏈、線圈電流、線圈電壓、鐵心位移、觸頭位移、觸頭溫升、觸頭開距等參數(shù)值，同時(shí)，可以得知某一時(shí)刻的電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布情況，以及各部件的受力情況；動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊DT可以計(jì)算電磁開關(guān)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中個(gè)參量的變化與場(chǎng)域分布變化情況，尤其可以看出在吸合過程中鐵心與觸頭的彈跳情況、運(yùn)行軌跡、撞擊能量，分?jǐn)噙^程中的觸頭、鐵心運(yùn)行軌跡，觸頭、鐵心的剛分速度等參量，形象直觀的分析所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品；優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊YH采用了人工智能算法，根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇優(yōu)化變量和目標(biāo)函數(shù)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，可以對(duì)樣機(jī)展開全面的尋優(yōu)設(shè)計(jì)，極大提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期。
[0022]在本發(fā)明中，靜態(tài)計(jì)算和動(dòng)態(tài)計(jì)算采用如下設(shè)計(jì)思路進(jìn)行設(shè)計(jì):
運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法求解磁場(chǎng)微分方程的問題，主要是將有限元法引入電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算；在解動(dòng)態(tài)方程時(shí)，采用靜態(tài)磁場(chǎng)、電路方程以及可動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)方程的聯(lián)立求解。若要對(duì)電磁系統(tǒng)閉合瞬間碰撞、閉合后電磁吸力特性進(jìn)行計(jì)算，由于氣隙極小，可暫不考慮氣隙中擴(kuò)散磁通以及漏磁，可采用“路”的計(jì)算方法，對(duì)電路方程以及可動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行聯(lián)立求解。采用“場(chǎng)” “路”相結(jié)合的方法，可以充分發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)；對(duì)于交流電磁系統(tǒng)，當(dāng)動(dòng)、靜鐵心之間的氣隙較大時(shí)，分磁環(huán)作用較小，暫不考慮；采用靜態(tài)電磁場(chǎng)解算動(dòng)態(tài)過程，在不考慮渦流及磁滯的前提下，對(duì)同一電磁機(jī)構(gòu)，電流和吸力都只是磁鏈和氣隙的二元函數(shù)，該對(duì)應(yīng)關(guān)系很難用明確的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)出來，但是可以通過離散數(shù)據(jù)表格來表示。該表格可以通過有限元分析軟件計(jì)算得到。對(duì)于給定氣隙5與磁鏈P,通過二分法可以求出對(duì)應(yīng)的電流i與吸力Fx,以供三維動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算使用，其求解流程如圖2所示。
[0023]當(dāng)氣隙較小時(shí)，分磁環(huán)作用明顯，必須考慮在內(nèi)，采用磁路法計(jì)算電磁電流、磁鏈以及電磁吸力等；整體計(jì)算流程圖如圖3所示。
[0024]對(duì)于直流電磁系統(tǒng)，磁路中不存在分磁環(huán)，計(jì)算方法同樣適用。
[0025]以上計(jì)算流程中，計(jì)算得到某一時(shí)刻的電磁吸力，將該吸力作為載荷，加載到電磁開關(guān)三維動(dòng)力學(xué)模型中，通過動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算得到下一個(gè)時(shí)刻的位移、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)；將得到的運(yùn)動(dòng)參數(shù)返回到動(dòng)態(tài)過程中，計(jì)算下一個(gè)時(shí)刻的電流、電磁吸力；通過反復(fù)迭代交互，得到電磁開關(guān)整個(gè)動(dòng)態(tài)過程；交互過程如圖4所示。
[0026]首先根據(jù)初始位移、磁鏈、電流等參數(shù)，計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻電磁吸力，并將該電磁吸力作為載荷加載到建立的三維運(yùn)動(dòng)模型中，計(jì)算得到下一時(shí)刻的位移、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，判定計(jì)算是否結(jié)束，若未結(jié)束，則將運(yùn)動(dòng)參數(shù)返回電磁吸力計(jì)算模型中，重新計(jì)算下一時(shí)刻電磁吸力，通過反復(fù)迭代交互，可得到電磁開關(guān)三維運(yùn)動(dòng)過程；通過該模型不但可以計(jì)算磁鏈、電流、電磁吸力等參數(shù)，還可以計(jì)算得到觸頭、鐵心任意點(diǎn)的位移、速度、加速度等參數(shù)，通過提取相應(yīng)觸頭、鐵心接觸點(diǎn)位移，即可對(duì)彈跳信號(hào)進(jìn)行仿真分析。
[0027]將工作氣隙固定，計(jì)算就得到靜態(tài)計(jì)算結(jié)果。
[0028]在虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)XN中，含有參數(shù)設(shè)置模塊CS、結(jié)果輸出模塊JG、特性分析模塊TX和功能選擇模塊GN ;通過功能選擇模塊GN對(duì)靜態(tài)計(jì)算模塊JT、動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊DT、優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊YH進(jìn)行選擇，進(jìn)入不同的計(jì)算程序；虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)XN具有良好的人機(jī)界面，操作簡(jiǎn)便、使用方便；在參數(shù)設(shè)置模塊CS中，可以對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、優(yōu)化參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置，改變相關(guān)參數(shù)后對(duì)樣機(jī)結(jié)構(gòu)和性能所造成的影響，包括運(yùn)動(dòng)特性和性能參數(shù)，都可以通過相關(guān)模塊的運(yùn)行，在結(jié)果輸出模塊JG中直觀的反映出來，計(jì)算結(jié)果也可以存檔、打??；特性分析模塊TX中建立了關(guān)鍵參數(shù)對(duì)電磁開關(guān)特性的影響，如:觸頭的彈跳次數(shù)、彈跳時(shí)間、吸合時(shí)間、分?jǐn)鄷r(shí)間、觸頭的超程、開距、鐵心的撞擊速度對(duì)開關(guān)特性的影響等，對(duì)改進(jìn)產(chǎn)品性能、提高產(chǎn)品的電壽命和可靠性，提供理論依據(jù)。
[0029]觸頭系統(tǒng)所通斷的負(fù)載類型，可以通過不同負(fù)載設(shè)定模塊FZ進(jìn)行改變，以便觀察在不同負(fù)載情況下開關(guān)觸頭的工作情況；通過載荷輸入模塊ZH對(duì)觸頭通斷能力進(jìn)行分析和計(jì)算，可以模擬觸頭系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)行情況；隨著智能技術(shù)的飛速發(fā)展，低壓智能電器大量涌現(xiàn)，在虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)XN中，可以選擇電磁機(jī)構(gòu)的供電模式，在直接電源控制模塊ZJ中，可以設(shè)定直流勵(lì)磁或者交流激磁，還可以改變電壓范圍和電壓等級(jí)；而在電路仿真模塊DF中，可以設(shè)計(jì)不同的控制電路，通過與三維動(dòng)態(tài)仿真模塊Q的聯(lián)合仿真，設(shè)計(jì)適合的智能控制電路，輸入智能控制模塊ZN中，智能控制模塊ZN給電磁開關(guān)的電磁系統(tǒng)D供電。
[0030]以上是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時(shí)，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種低壓電磁開關(guān)三維動(dòng)態(tài)全仿真虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)，包括有限元軟件系統(tǒng)和電路仿真模塊，其特征在于:通過所述有限元軟件系統(tǒng)，建立包括電磁系統(tǒng)、聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)和觸頭系統(tǒng)的低壓電磁開關(guān)的三維運(yùn)動(dòng)模型；所述三維運(yùn)動(dòng)模型通過電磁場(chǎng)計(jì)算模塊、溫度場(chǎng)計(jì)算模塊和力場(chǎng)計(jì)算模塊的耦合計(jì)算，形成三維動(dòng)態(tài)仿真模塊；所述三維動(dòng)態(tài)仿真模塊包括對(duì)固定氣隙下的電磁開關(guān)進(jìn)行計(jì)算的靜態(tài)計(jì)算模塊、計(jì)算電磁開關(guān)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中參量變化與場(chǎng)域分布變化情況的動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊和對(duì)樣機(jī)進(jìn)行尋優(yōu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，且通過所述靜態(tài)計(jì)算模塊、動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊和優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊連接至虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)；所述虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)經(jīng)選擇電磁機(jī)構(gòu)供電模式的直接電源控制模塊連接至電磁系統(tǒng)，所述虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)還經(jīng)電路仿真模塊和智能控制模塊連接至電磁系統(tǒng)；所述電路仿真模塊通過與三維動(dòng)態(tài)仿真模塊的聯(lián)合仿真，設(shè)計(jì)智能控制電路，輸入至所述的智能控制模塊中，并通過所述智能控制模塊給所述電磁系統(tǒng)供電；所述虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)包括參數(shù)設(shè)置模塊、結(jié)果輸出模塊、特性分析模塊和功能選擇模塊；所述參數(shù)設(shè)置模塊對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；所述結(jié)果輸出模塊用于輸出運(yùn)動(dòng)特性和性能參數(shù)；所述特性分析模塊建立對(duì)電磁開關(guān)特性影響的參數(shù)分析和壽命預(yù)測(cè)；所述功能選擇模塊對(duì)靜態(tài)計(jì)算模塊、動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊和優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行選擇；所述觸頭系統(tǒng)還分別通過載荷輸入模塊和不同負(fù)載設(shè)定模塊連接至虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)；所述不同負(fù)載設(shè)定模塊，控制觸頭系統(tǒng)所通斷的負(fù)載類型；所述載荷輸入模塊對(duì)觸頭系統(tǒng)的通斷能力進(jìn)行分析和計(jì)算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓電磁開關(guān)三維動(dòng)態(tài)全仿真虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)，其特征在于:所述直接電源控制模塊的電磁機(jī)構(gòu)的供電模式為直流勵(lì)磁或者交流激磁，并能夠改變電壓范圍和電壓等級(jí)。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103761406SQ201410053016
【公開日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年2月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月18日
【發(fā)明者】許志紅, 何曉燕, 林抒毅 申請(qǐng)人:福州大學(xué)