本發(fā)明涉及一種智能接觸器虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)。

背景技術(shù)：

接觸器作為頻繁通斷的控制電器，是使用量最大的控制電器之一。隨著電力工業(yè)、建筑及設(shè)備制造等行業(yè)的迅速發(fā)展，對供電和控制系統(tǒng)可靠性、連續(xù)性提出越來越高的要求，推進(jìn)了接觸器的更新?lián)Q代，接觸器正朝著小體積、高可靠性、長電壽命、低噪聲、智能化、節(jié)能環(huán)保等方向發(fā)展。面對市場對高性能接觸器的需求，如何保證產(chǎn)品性能的同時(shí)縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期和成本，開發(fā)出個(gè)性化、有特色、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的接觸器成為企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

接觸器在工作過程中涉及到電、磁、熱、機(jī)械和流場等多個(gè)物理場，且各物理場處于暫態(tài)非線性的變化中，使得接觸器的運(yùn)行狀況更加復(fù)雜。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法往往是從靜態(tài)的單場域的角度結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果很難達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，再經(jīng)過不斷地實(shí)驗(yàn)測試和改進(jìn)才能達(dá)標(biāo)進(jìn)入批量生產(chǎn)環(huán)節(jié)，終導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)的長周期和高成本，無法滿足高品質(zhì)、低成本的設(shè)計(jì)需求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在工程領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用，由cax/dfx等技術(shù)發(fā)展而來，采用虛擬建模及仿真技術(shù)模擬產(chǎn)品真實(shí)運(yùn)行環(huán)境來分析產(chǎn)品整機(jī)性能的虛擬樣機(jī)技術(shù)得到了迅速發(fā)展。將虛擬樣機(jī)技術(shù)引入到接觸器設(shè)計(jì)中，能夠綜合考慮接觸器各場量間的暫態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)多物理場的暫態(tài)耦合，可直觀反映各場量的變化情況。同時(shí)隨著電磁、熱力、動(dòng)力、流體等仿真技術(shù)推廣和相關(guān)商業(yè)軟件日益成熟，研究呈現(xiàn)由單物理場向多物理場耦合的趨勢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種綜合考慮了電、磁、熱、機(jī)械及流體的多場耦合的智能接觸器虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種智能接觸器虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)，其特征在于：包括選型模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、計(jì)算模塊和分析模塊；

所述選型模塊，提供上位機(jī)界面，用于用戶根據(jù)需求對主電路類型、控制電路類型、電磁系統(tǒng)類型、觸頭系統(tǒng)類型和材料類型進(jìn)行選型；

所述參數(shù)設(shè)置模塊，在選型確定后，對所選類型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；

所述計(jì)算模塊包括電磁場計(jì)算模型，內(nèi)含電磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型、觸頭電動(dòng)力計(jì)算模型和電路電磁模型三部分，通過電磁場計(jì)算模型獲得不同控制方案下電磁系統(tǒng)包含吸合、吸持和分?jǐn)嗳^程的動(dòng)態(tài)特性，不同主電路情況下的觸頭系統(tǒng)加載時(shí)的電磁分布參數(shù)和電路及器件的電磁特性參數(shù)；

所述分析模塊，對計(jì)算模塊獲得的參數(shù)進(jìn)行分析。

進(jìn)一步的，所述電磁場計(jì)算模型中，

電磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型通過線圈電感實(shí)現(xiàn)與控制電路的耦合，實(shí)現(xiàn)本體與不同類型激勵(lì)源的多物理場耦合，是多物理場耦合模型的基礎(chǔ)模型，為其他物理場提供了各個(gè)模型所需要的參數(shù)；

觸頭電動(dòng)力計(jì)算模型用于獲取觸頭系統(tǒng)在加載不同類型主電路情況下的電流收縮、電動(dòng)力及電磁場分布情況；

電路電磁模型通過建立器件模型獲得器件的電磁參數(shù)，再通過建立電路系統(tǒng)模型獲得電路的磁場分布及損耗情況。

進(jìn)一步的，在所述電磁場計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，所述計(jì)算模塊建立對應(yīng)部件的溫度場計(jì)算模型，通過對應(yīng)的損耗和溫度參數(shù)的相互耦合，從而獲得各部件的溫升參數(shù)和分布情況。

進(jìn)一步的，在所述電磁場計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，所述計(jì)算模塊建立接觸器多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，包括觸頭系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)及反力彈簧系統(tǒng)，通過吸力、反力參數(shù)的耦合，獲得產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)、碰撞過程中的位移、彈跳、形變及疲勞情況。

進(jìn)一步的，在所述電磁場計(jì)算模型和多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，所述計(jì)算模塊獲得鐵芯與觸頭的運(yùn)動(dòng)軌跡及磁場分布，結(jié)合電弧的場域研究，建立接觸器吸合過程與分?jǐn)噙^程的運(yùn)動(dòng)電弧計(jì)算模型，從而獲得觸頭電弧的能量及運(yùn)動(dòng)軌跡。

進(jìn)一步的，在所述電磁場計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，所述計(jì)算模塊通過耦合器件的電磁參數(shù)建立全電路仿真模型，從而進(jìn)行電路的電磁干擾、噪聲頻響特性及諧波的傅里葉分析。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：

1、通過所建的多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型和電磁場計(jì)算模型，獲得鐵心與觸頭的運(yùn)動(dòng)軌跡及磁場分布，結(jié)合電弧的場域研究，將形成接觸器吸合過程與分?jǐn)噙^程的運(yùn)動(dòng)電弧模型，從而形成含觸頭系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)電弧的虛擬仿真系統(tǒng)；

2、智能接觸器的電路仿真與結(jié)構(gòu)仿真相輔相成，共同進(jìn)行。電路模型中含有硬件仿真和軟件控制策略仿真，同時(shí)具有控制模塊本身的場域分析，含電磁分布、溫升、損耗情況，以及電磁干擾、噪聲頻響特性、諧波分析功能，實(shí)現(xiàn)智能控制策略和控制電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)；

3、電磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型通過線圈電感實(shí)現(xiàn)控制電路與本體磁場的耦合，實(shí)現(xiàn)本體與不同類型激勵(lì)源的多物理場耦合，如：直流、交流激勵(lì)、pwm脈寬調(diào)制及函數(shù)類型的激勵(lì)源信號等，實(shí)現(xiàn)電磁系統(tǒng)的吸合、吸持和分?jǐn)嗟娜^程動(dòng)態(tài)仿真。同時(shí)可針對本體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，如單相交流電磁系統(tǒng)含有分磁環(huán)這一特殊部件，模型能夠考慮分磁環(huán)的磁通分相作用，獲得分磁環(huán)工作過程中的感應(yīng)電流及其損耗。

4、電路電磁模型通過建立關(guān)鍵器件模型獲得器件的電磁參數(shù)，再通過建立電路系統(tǒng)模型分析電路的磁場分布及損耗情況。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的功能框圖。

圖2是本發(fā)明多物理場耦合模型的設(shè)計(jì)流程圖。

圖3是電磁系統(tǒng)與觸頭系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算流程圖。

圖4是整機(jī)溫升以及觸頭電動(dòng)力程序設(shè)計(jì)流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

本實(shí)施例提供一種智能接觸器虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)，基于接觸器多物理場耦合模型，通過二次開發(fā)建立具有友好的人機(jī)交互界面，能夠?qū)崿F(xiàn)電、磁、熱、機(jī)械以及流體場的多場耦合，從而模擬產(chǎn)品真實(shí)運(yùn)行工況。請參照圖1，平臺(tái)具體包括以下幾個(gè)模塊：選型模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、計(jì)算模塊和分析模塊；

所述選型模塊，提供上位機(jī)界面，用于用戶根據(jù)需求對主電路類型、控制電路類型、電磁系統(tǒng)類型、觸頭系統(tǒng)類型和材料類型進(jìn)行選型；如直流、交流、脈寬調(diào)制控制等電源類型，雙e、雙u、單e、單u等電磁系統(tǒng)，單斷點(diǎn)、雙斷點(diǎn)等觸頭結(jié)構(gòu)，銅、鋁硅鋼、永磁等常用材料。

所述參數(shù)設(shè)置模塊，在選型確定后，對所選類型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；如電路的電壓、電流、占空比參數(shù)等；電磁系統(tǒng)的鐵心幾何參數(shù)、分磁環(huán)幾何參數(shù)與反力參數(shù)；勵(lì)磁線圈的匝數(shù)、線徑等參數(shù)；觸頭系統(tǒng)的彈簧參數(shù)與觸頭參數(shù)等。

所述計(jì)算模塊包括電磁場計(jì)算模型，內(nèi)含電磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型（模型考慮了反力、重力、摩擦、分磁環(huán)渦流等因素）、觸頭電動(dòng)力計(jì)算模型和電路電磁模型三部分，通過電磁場計(jì)算模型獲得不同控制方案下電磁系統(tǒng)包含吸合、吸持和分?jǐn)嗳^程的動(dòng)態(tài)特性，不同主電路情況下的觸頭系統(tǒng)加載時(shí)的電磁分布參數(shù)和電路及器件的電磁特性參數(shù)；

其中，電磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型通過線圈電感實(shí)現(xiàn)與控制電路的耦合，實(shí)現(xiàn)本體與不同類型激勵(lì)源的多物理場耦合，如：直流、交流激勵(lì)、pwm脈寬調(diào)制及函數(shù)類型的激勵(lì)源信號等，完成電磁系統(tǒng)的吸合運(yùn)動(dòng)、吸持和分?jǐn)噙\(yùn)動(dòng)的全過程動(dòng)態(tài)計(jì)算，同時(shí)針對本體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，如單相交流電磁系統(tǒng)含有分磁環(huán)這一特殊部件，模型能夠考慮分磁環(huán)的磁通分相作用，獲得分磁環(huán)工作過程中的感應(yīng)電流及其損耗。電磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型是多物理場耦合模型的基礎(chǔ)模型，為其他物理場提供了各個(gè)模型所需要的參數(shù)；

觸頭電動(dòng)力計(jì)算模型用于獲取觸頭系統(tǒng)在加載不同類型主電路情況下的電流收縮、電動(dòng)力及電磁場分布情況；

電路電磁模型通過建立器件模型獲得器件的電磁參數(shù)，再通過建立電路系統(tǒng)模型獲得電路的磁場分布及損耗情況。

所述分析模塊，對計(jì)算模塊獲得的參數(shù)進(jìn)行分析。

于本實(shí)施例中，在所述電磁場計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，所述計(jì)算模塊建立對應(yīng)部件的溫度場計(jì)算模型，通過對應(yīng)的損耗和溫度參數(shù)的相互耦合，從而獲得各部件的溫升參數(shù)和分布情況。除了可以分析電磁系統(tǒng)和觸頭系統(tǒng)加載情況的溫度場分布情況外，還引入了針對電路系統(tǒng)的溫度場模型，分析電路中的器件溫升和整體溫升分布。

進(jìn)一步的，在所述電磁場計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，所述計(jì)算模塊建立接觸器多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，包括觸頭系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)及反力彈簧系統(tǒng)，通過吸力、反力參數(shù)的耦合，獲得產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)、碰撞過程中的位移、彈跳、形變及疲勞情況。如觸頭系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)碰撞的過程的彈跳和形變、分磁環(huán)部件的疲勞情況等。

進(jìn)一步的，在所述電磁場計(jì)算模型和多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，所述計(jì)算模塊獲得鐵芯與觸頭的運(yùn)動(dòng)軌跡及磁場分布，結(jié)合電弧的場域研究，建立接觸器吸合過程與分?jǐn)噙^程的運(yùn)動(dòng)電弧的流體場計(jì)算模型，從而獲得觸頭電弧的能量及運(yùn)動(dòng)軌跡，獲得觸頭表面的熱力學(xué)情況，為觸頭系統(tǒng)的腐蝕磨損及電壽命分析提供理論意見。

進(jìn)一步的，在所述電磁場計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，所述計(jì)算模塊通過耦合器件的電磁參數(shù)建立全電路仿真模型，從而進(jìn)行電路的電磁干擾、噪聲頻響特性及諧波的傅里葉分析。

多物理場耦合模型的設(shè)計(jì)流程如圖2所示，基于該多物理場耦合模型平臺(tái)具有以下功能：（1）建立含不同類型的主電路和控制電路模型，不同結(jié)構(gòu)、材料的電磁系統(tǒng)與觸頭系統(tǒng)模型的數(shù)據(jù)庫，根據(jù)觸頭分?jǐn)嚯娏鞯燃壴O(shè)計(jì)觸頭系統(tǒng)和反力系統(tǒng)，再根據(jù)反力系統(tǒng)和電路方案設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)需求的電磁系統(tǒng)，最后通過多物理場耦合仿真考核設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的工作特性。（2）平臺(tái)以電磁場計(jì)算模型為基礎(chǔ)，通過線圈電感與控制電路耦合，將不同方案的控制電路與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相融合，實(shí)現(xiàn)接觸器的多物理場耦合，同時(shí)通過建立電路器件電磁模型實(shí)現(xiàn)全電路仿真分析，可實(shí)現(xiàn)電路的電磁兼容、噪聲頻響特性、諧波的傅里葉分析等功能。（3）電磁計(jì)算模型為溫度場計(jì)算模型提供損耗數(shù)據(jù)，通過損耗與溫度參數(shù)的傳遞，可實(shí)現(xiàn)電路、電磁系統(tǒng)和觸頭系統(tǒng)的溫度場仿真，獲得各部件的溫升情況。（4）在電磁場計(jì)算模型的基礎(chǔ)上建立多體動(dòng)力學(xué)模型，可實(shí)現(xiàn)接觸器的整機(jī)運(yùn)動(dòng)模型，獲得觸頭和鐵心的運(yùn)動(dòng)軌跡及彈跳參數(shù)。（5）通過所建的多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，獲得鐵心與觸頭的運(yùn)動(dòng)軌跡，結(jié)合電弧的場域研究，建立接觸器吸合與分?jǐn)噙^程的運(yùn)動(dòng)電弧模型，分析電弧的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)及觸頭的腐蝕磨損情況。

圖3是電磁系統(tǒng)與觸頭系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算流程。設(shè)計(jì)步驟如下：

在設(shè)定的大氣隙情況下，通過電磁有限元軟件計(jì)算在大氣隙情況下電磁系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)；在判定電磁系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)至小氣隙情況后，電磁吸力計(jì)算切換到磁路計(jì)算程序，并于動(dòng)力學(xué)軟件交互數(shù)據(jù)，獲取電磁機(jī)構(gòu)碰撞過程中的各種數(shù)據(jù)。

在此基礎(chǔ)上對剛體進(jìn)行柔性化處理，獲得電磁系統(tǒng)和觸頭系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中的應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)，對鐵心以及分磁環(huán)進(jìn)行疲勞分析，對不同的觸頭材料的機(jī)械特性進(jìn)行對比，以此作為觸頭材料選取的參考指標(biāo)之一。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)。

圖4是整機(jī)溫升以及觸頭電動(dòng)力程序設(shè)計(jì)流程圖。設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）觸頭系統(tǒng)溫升與電動(dòng)力程序設(shè)計(jì)流程圖：

首先，通過有限元軟件對吸持狀態(tài)下的觸頭系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)分析，獲取觸頭接觸表面接觸單元的接觸力的分布情況，根據(jù)觸頭表面接觸單元的受力情況對觸頭表面的接觸情況進(jìn)行分析并計(jì)算接觸點(diǎn)的幾何形狀和分布。

下一步，根據(jù)上一步的分析結(jié)果，對觸頭系統(tǒng)重新建模。

最后通過熱力學(xué)有限元軟件和電磁學(xué)有限元軟件分別計(jì)算觸頭系統(tǒng)吸持狀態(tài)下的溫升和電動(dòng)力。

該方法克服了傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算方法在理論上存在的缺陷，更真實(shí)地反映了觸頭系統(tǒng)吸持狀態(tài)下的熱力學(xué)物理過程，提高了計(jì)算精確度。

通過電磁學(xué)有限元軟件與熱力學(xué)有限元軟件聯(lián)合調(diào)試，以電磁學(xué)有限元軟件計(jì)算得到的渦流和電流參數(shù)為熱力學(xué)軟件的源，在考慮電磁系統(tǒng)各個(gè)部件之間的熱耦合問題下，計(jì)算得電磁系統(tǒng)在吸持情況下的溫升。在考慮了電磁系統(tǒng)與觸頭系統(tǒng)之間的熱傳導(dǎo)情況下，計(jì)算出整機(jī)溫度分布情況。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。