交流接触器电磁机构动态仿真分析
基于ANSYS交流接触器电磁机构的谐波仿真分析
括 了 电磁 场 的基 本 规 律 ， 也是 电磁 场 Ａ Ｓ Ｓ分 析 ＮＹ
的依据 ． Ｎ Ｙ Ａ Ｓ Ｓ以有 限元 的方 法计 算 未 知量 （ 自由 度 ）主要 是 磁 位 或 通 量 ， 关 其 他 的 物 理 量 可 以 ， 有
交 流接 触器 是 一种 应 用 广泛 的低 压 自动化 电
式 中 ， 为磁 场强 度矢 量 ， 日 曰为磁 通 密度矢 量 ， 为 Ｅ
器， 用作 频 繁 的接 通 、 开 电 路 ， 利 用 主 触 点 来 断 它 通 、 电路 ， 辅 助 触 点 实 现 控 制 指 令 ． 流 接 触 断 用 交
钢 片叠 成 ， 中一 个 静 态 铁 芯 ， 要 产 生 电磁 力 ； 其 主
（） １
（） ２ （） ３
（） ４
另一个 动 态 铁 芯 ， 要 带 动 主触 点 和 辅 助 触 点 的 主 通断（ 动铁 芯是 联动 的 ） ． 当线 圈得 电时 ， 静铁 芯
×Ｅ ＝ 一 Ｄ ＝ｐ ；
第１ ８卷
第 ４期
兰州工业高等专科学校学报
Ｊｕ ｎ ｌ ｆＬ ｎｈ ｕＰ ｌｔｃ ｎｃ Ｃ ｌ ｇ ｏ ｒａ ａ ｚ ｏ ｏｙｅｈ ｉ ｏｌ ｅ ｏ ｅ
Ｖｏ．１ Ｎｏ ４ １ ８ ． Ａｕ ２ １ ｇ． ０１
２１ ０ ｉ年 ８月
文章 编 号 ：０９— ２ ９ ２ １ ） ４— ０ ０— ３ １０ ２６ （０ １ ０ ０ １ ０
通 过这 些 自 由度 来 导 出． 据 用 户 所 选 择 的 单 元 根
类 型和 单元 选 项 的不 同 ， Ｎ Ｙ Ａ Ｓ Ｓ计 算 的 自 由度 可 以是标 量磁位 、 量磁位 或边 界通 量 Ｊ 矢 ．
CJ10-10交流接触器电磁机构三维电磁场有限元分析
本科毕业论文( 2011届)题目：CJ10-10交流接触器电磁机构三维电磁场有限元分析学院: 物理与电子信息工程学院专业: 电子信息工程班级: 07信电本二姓名:学号:指导老师:完成日期: 2011年4月20日目录摘要 (I)Abstract ........................................................................................................................................... I I 1.引言. (1)1.1课题背景知识 (1)1.2交流接触器的工作原理 (1)1.3有限元分析在各种研究中应用现状 (1)1.4研究的主要内容 (2)2.电磁场分析有限元方法原理及分析步骤 (3)2.1有限元法的基础原理 (3)2.2有限元分析的基本步骤 (3)2.3有限元单元法求解 (4)3.ANSYS的两种分析方法及其在交流接触器电磁机构分析中的实现 (6)3.1ANSYS 3-D标量势分析方法 (6)3.2ANSYS 3-D棱边法分析 (6)3.3交流接触器有限元分析方法的实现 (7)4.分析结果及误差分析 (12)4.1基于117单元棱边法的吸力计算 (12)4.2标量势法和棱边法所分析的结果对比 (12)4.3误差分析 (13)结论 (14)致谢 (15)参考文献 (16)附件 (17)摘要本文在了解了电磁有限元分析的一般步骤和交流接触器的工作原理的基础上，利用ANSYS软件对CJ10-10交流接触器电磁机构进行有限元静态分析。
由于其双E型电磁结构，在分析时利用其对称性，取1/4结构体。
分析过程中分别采用标量势法和棱边单元法，并将分析结果与实际测得的值进行比较。
得出运用标量势法进行分析时麦克斯韦方法计算要比虚功方法准确，并且当气隙越小时误差越大，气隙越大时误差越小。
基于Adams的智能交流接触器动力学仿真与试验研究
第39卷第2期温州大学学报（自 然 科 学 版）2018年5月V ol 39, No 2 Journal of Wenzhou University (Natural Science Edition) May, 2018基于Adams的智能交流接触器动力学仿真与试验研究王彬哲，章上聪，吴桂初，舒 亮(温州大学浙江省低压电器智能技术重点实验室,浙江温州 325000)摘要：基于有限元方法和Adams软件建立了一套对智能交流接触器动力学特性进行仿真的模型，设计了一种采用二维插值计算的接触器磁机耦合求解方法，通过二维插值表的形式实现了电磁力与接触器动态特性之间的耦合．该方法避免了采用Runge-Kutta法对耦合模型进行数值求解，提高了程序的运算效率．为了对接触器动力学特性进行试验测试，建立了一套多路信号并行采集系统，可以同时对接触器的多路运行状态进行监测．仿真与试验结果对比发现，模型数值计算结果与试验数据吻合度较好，模型可以较好地预测接触器的动态特性．关键词：接触器；动态特性；仿真；二维插值中图分类号：TP274；TP206 文献标志码：A 文章编号：1674-3563(2018)02-0038-07DOI：10.3875/j.issn.1674-3563.2018.02.006 本文的PDF文件可以从/获得智能交流接触器是一种基于电子控制技术，实现对传统交流接触器节能特性改造，具备节能、节材、高寿命、低噪声等特点的新型接触器[1-7]．由于智能交流接触器的电磁和机械结构发生变化，从而导致其动态特性也随之改变，因此，研究新一代智能交流接触器的动态响应特性的试验和仿真方法，对于智能交流接触器结构的优化设计以及提高电寿命、机械寿命和可靠性具有重要意义．针对交流接触器的动态响应仿真技术、虚拟样机技术、磁路研究，现阶段学者们取得了相应的成果．文献[8]基于等效磁路方法提出了一种对智能交流接触器弱磁控制的改进方法，文献[9]基于等效磁路方法建立了可用于教学使用的接触器参数化模型，文献[10]采用虚拟样机技术对接触器的动态特性进行了仿真，提出了一种最优的脉宽调制方案，等等．目前此类研究主要采用理论和数值分析方法，所针对的对象也是局限于接触器的铁心和触头等局部部件，并不能全面体现接触器的整体电磁耦合动态特性．采用Runge-Kutta法求解磁机耦合，效率较低，需要进一步优化．本文基于Adams和有限元软件，通过二维插值算法对接触器电磁力和动态特性进行求解，实现了对智能交流接触器动力学响应过程的完整描述；通过建立高速多信号同步数据采集系统，实现了对智能交流接触器动力学响应过程中各参数的同步采集．收稿日期：2017-11-18基金项目：浙江省自然科学青年基金(LQ16E070004)；浙江省分析测试科技计划项目(2016C37084)；温州市公益性工业科技项目(G2*******)作者简介：王彬哲(1983-)，男，江苏镇江人，硕士研究生，研究方向：低压电器智能化王彬哲等：基于Adams 的智能交流接触器动力学仿真与试验研究391 工作原理图1为交流接触器的几何模型，由于固定部件不参与动力学仿真研究，因此模型中移除了固定部件．智能交流接触器系统框图如图2所示，其主要由整流电路、驱动电路、过零检测电路、线圈等部分组成．通过对输入电压进行检测，采用选相合闸控制策略实现对输入电压的合闸相位角控制，输出脉宽调制（PWM ）波形驱动IGBT ，达到对接触器吸合和吸持阶段线圈电压电流的控制．2 数学模型接触器工作时，衔铁通过励磁线圈激励产生电磁吸力，电磁力的大小与励磁电流和衔铁之间的空气间隙相关．在衔铁的带动下，动触头一起向下作吸合运动，由于衔铁的运动导致空气间隙改变，进而改变电磁吸力的大小，最终引起交流接触器的动力学行为发生改变，这是一个磁-机耦合的动力学过程，其控制方程可以用下面的方程进行表示：()()()()00d ,,sin 2,d 0,0m t t t i x U ft i t R t i t πϕ==ψ⎧=+-ψ⎪⎨⎪ψ=ψ=⎩， （1） ()()22d d ,,d d m f x xm c F t i x F x t t+=-． （2） 方程（1）和（2）共同描述了在外加交流电压下接触器电磁系统的动态特性和机械部件的动力学响应，其中x 表示机械运动部件的运动位移，m 表示整体运动部件的质量，c 表示阻尼；在电压-电流方程（1）中，i 表示线圈回路电流大小，ψ表示电磁回路中的总磁通量，在机械动力学方程（2）中，),,(x i t F m 表示电流产生的电磁力，()x F f 表示接触器分合闸过程中受到的弹簧作用力．文献[12]和[13]的研究结果表明，电磁作用力),,(x i t F m 是线圈回路电流i 和运动位移x 的二元函数，对于同样大小的电流，气隙的变化会影响电磁力大小的分布，而电磁作用力的改变反过来又会引起系统运动速度和位移的变化，进而引起电气回路方程中电变量的改变，这体现为接触器分合闸过程中的电磁-机械耦合作用．求解方程（1）和（2），通常采用四阶Runge-Kutta 法进行，图1 交流接触器几何模型 Fig 1 Geometric Model of AC Contactor图2 智能交流接触器原理图 Fig 2 Schematic Diagram of Intelligent AC Contactor温州大学学报（自然科学版）(2018)第39卷第2期40再通过有限元方法计算得到静态条件下电磁作用力与回路电流i 、运动位移x 的二元分布关系，将方程（1）在时间域上进行离散，得到：()()()()()1123411213241226sin 2,111sin 2,222111sin 2,222sin 2n n n n m n n n m n n n m n n n m n k k k k t t h k h U ft i t R k h U f t h i t h k R k h U f t h i t h k R k h U f t h πϕπϕπϕπϕ++ψ=ψ++++=+⎡⎤=+-ψ⎣⎦⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎛⎫=++-+ψ+⎢⎥ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎛⎫=++-+ψ+⎢⎥ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎣⎦=++()3,n n i t h k R ⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎡⎤-+ψ+⎪⎣⎦⎩． （3） 方程（3）主要基于迭代方法对接触器中的磁路进行计算，在文献[11]和[12]中基于类似的方法进行了接触器动力学计算，但是该流程只可以对动铁芯的力学特性仿真，针对动触头的动态响应无法分析得到，尤其是当超程存在时，类似这样的仿真流程的弊端比较明显，无法计算触头和超程的影响，同时在计算精度上得不到保障．为了解决上述问题，基于有限元求解方法对不同励磁电流和触头位移的磁路进行计算，其结果如图3所示．运动部件受到电磁吸合力的作用，当吸合作用大于反力作用时，接触器运动部件开始合闸操作，其中，合闸过程中电磁吸合力磁通ψ的计算公式为：220(,)2m F x ANμψψ=， （4） 式中F m 表示电磁吸力，A 表示接触器铁芯面积，N 表示线圈匝数密度，0μ表示真空磁导率．图4为接触器在Adams 软件中的几何模型．通过对Adams 的二次开发，实现了对接触器动力学响应的数值求解，可以很好地描述衔铁、触头的位移过程．图3 接触器磁路磁通二维曲线图 Fig 3 Two-dimension Curve Graph of MagneticFlux Magnetic Circuit of Contactor图4 Adams 接触器几何仿真模型 Fig 4 Adams Geometric Simulation Modelof AC Contactor王彬哲等：基于Adams 的智能交流接触器动力学仿真与试验研究41通过采用自定义函数实现了对方程（1）和（2）的耦合求解．从而研究了动力学响应算法，其流程图如图5所示．通过建立(),m F ψ与(),i x 的映射表格，实现对二元函数差值和电流范围的确定，其中l i 和l x 分别表示位移和电流与单个输入变量对应时的左边界值，r i 和r x 表示对应的右边界值．3 仿真与试验结果通过建立多信号同步数据采集系统，实现对接触器分断过程中的位移、加速度、速度、电流等指标的数据采集，从而实现对仿真与试验结果的验证．该数据采集系统分为硬件和软件两个部分．硬件部分包含PC 机、同步高速NI 数据采集卡、激光位移传感器、接口输入隔离电路；软件基于虚拟技术LABVIEW 建立测试系统．图6为智能交流接触器动态特性测试系统框图，测试系统的软件界面如图7所示．由于接触器动态过程中的实时同步信号包含激光位移传感器的弱点信号也包含输入电压电流等强电信号，因此，为了提高彼此相互干扰，本文增加了线性光耦隔离电路．本文采用的样机为额定380 V 的智能交流接触器，通过脉宽调制方案后的接触器位移和电流的实时同步数据如图8所示．通过对比不同的脉宽调制方案下的线圈电流变化，改进智能接触器控制模块．试验根据接触器吸合和吸持中PWM 的不同占空比分组．第一组：吸合、吸持占空比都为0.7；第二组：吸合PWM 占空比为0.7，吸持的为0.08．图8（a ）和图8（b ）分别为这两种不同控制方案下吸合与吸持过程中线圈电流、位移、以及PWM 的测试波形．对比图8（a ）与图8（b ）可知，在吸合阶段，较大的占空比有利于动静衔铁的可靠吸合．在运动反向电动势作用下，线圈电流迅速下降，动静衔铁闭合后，运动反向电动势消失．第一组方案中，由于动静衔铁闭合，运动反向电动势消失，同时PWM 占空比仍然较大，因此无法抑制线圈电流增长．从而使线圈电流在吸持阶段保持一个较大的值．第二组方案中，虽然运动反向电动势消失，但是由于采用0.08的低)ψ,m F ()x i ,],[r l i i [n i n n l x x x i i <<nx,000=ψ=i 1mF 11,++ψn n x nn x ,ψψ图5 磁-机耦合方程求解流程图Fig 5 Flow Chart of Magnetic-machine Coupling Equation图6 智能交流接触器动态特性测试系统框图Fig 6 Test System Chart for Dynamic Characteristic of Intelligent AC Contactor温州大学学报（自然科学版）(2018)第39卷第2期42占空比，使输入电压不足以让线圈电流持续上升，从而实现在吸持阶段维持较低线圈吸持电流．因此通过调节PWM 的占空比可以有效调节吸持过程中线圈的励磁电流大小，进而减小吸持功耗，实现节能、减小温升的目的，保证了接触器的使用寿命．接触器Adams 数值计算结果与试验测试曲线对比如图9所示，其中图9（a ）为吸合位移曲线对比结果，图9（b ）为速度曲线对比结果．由于采用了多路并行信号采集系统，试验测试中可以对PWM 脉冲、位移、速度等多路信号进行同时采集，增加了对比的可行性．分析图9（a ）中的曲线可得，本文所建立的仿真模型对智能交流接触器的运动位移、吸合时间可以较好地预测，图7 测试系统的用户操作界面 Fig 7 User Interface of Test System（a ）第一组控制方案 （b ）第二组控制方案图8 保持阶段不同控制方案下的测试波形图Fig 8 Test Oscillogram of Different Control Scheme in the Holding Time王彬哲等：基于Adams 的智能交流接触器动力学仿真与试验研究43对接触器结构的优化设计提供了有效的计算方法．图9（b ）为吸合运动速度的预测结果，可以看到衔铁的整体速度特性可以较准确地预测，包括吸合过程以及因衔铁与静铁芯发生机械碰撞而引起的速度突变等现象，在模型仿真中都可以得到较准确的体现．速度曲线的仿真误差相比位移曲线的较大，这是因为在仿真过程中没有考虑机械阻尼对于系统动态特性的影响，由于速度是位移曲线在时间上的微分，相对位移数据更加敏感，因而在速度曲线上体现出来的误差较位移曲线明显．总体来说，本文所建立的数值仿真方法可以对接触器的动态特性进行较准确的仿真．4 结 论本文基于Adams 和有限元软件给出了一种对智能交流接触器动态特性进行磁机耦合的数值求解和仿真方法，试验数据与仿真结果能够较好吻合，因此，本文所建立的模型对智能交流接触器的动态特性能够实现较好的预测．参考文献[1] Fang S H, Lin H Y, Ho S L. Magnetic field analysis and dynamic characteristic prediction of ac permanent-magnetcontactor [J]. IEEE T Magn, 2009, 45(7): 2990-2995.[2] 黄海兰，吴桂初，吴自然，等．交流接触器寿命试验系统选相控制技术的实现与应用[J]．温州大学学报（自然科学版），2016，37（2）：27-32．[3] 周亮，吴桂初，谢文彬．基于激光位移器的交流接触器动态测试与分析[J]．温州大学学报（自然科学版），2013，34（3）：32-37．[4] 庄杰榕，许志红．电磁接触器多变量反馈吸持控制策略的研究[J]．中国电机工程学报，2009，29：1-10． [5] 李奎，李晓倍，郑淑梅．基于BP 神经网络的交流接触器剩余电寿命预测[J]．电工技术学报，2017，32（15）：120-127．[6] 郭凯伟，王立国，张超羽，等．基于模型预测控制的接触器开关弹跳抑制研究[J]．中国电机工程学报，2017，37（9）：2717-2725．[7] 汤龙飞，许志红．交流接触器斜率闭环控制技术[J]．中国电机工程学报，2017，37（3）：956-965．（a ）衔铁位移仿真和试验结果的比较 （b ）衔铁速度仿真和试验结果的比较图9 Adams 仿真与试验测试数据对比Fig 9 Comparison Between Adams Simulation and Experimental Test Data44温州大学学报（自然科学版）(2018)第39卷第2期 [8] 汪先兵，林鹤云，房淑华，等．无位置传感器的智能永磁接触器弱磁控制及合闸动态特性分析[J]．中国电机工程学报，2011，31（18）：93-99．[9] Ruiz J R, Espinosa A G, Romeral L. A computer model for teaching the dynamic behavior of ac contactors [J]. 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This method avoids adopting the Runge-Kutta method to solve the problem ofcoupling model so as to enhance the calculation efficiency of the program. A multiple-channel signalparalleled-acquisition system is developed to measure the dynamic characteristics of the contactor experiment.The system can monitor simultaneously multiple- operation status. Simulation and experimental results showthat the result of numerical calculations can fit very well the experimental data. The proposed model canpredict the dynamic characteristics of the intelligent contactor.Keywords: Contactor; Dynamic Characteristics; Simulation; Two-dimension Interpolation(编辑：王一芳)。
基于Maxwell的交流接触器电磁系统优化仿真
４９
算结果进行验证。
２ 建立交流接触器有限元模型
本文研究对象为一款额定电流为 ２５Ａ的单 Ｅ型 铁芯交流接触器，线圈电压为 ＡＣ２２０Ｖ５０Ｈｚ，线圈参 数为线径 ０１２ｍｍ，匝数 ６８００匝。
利用 Ｍａｘｗｅｌｌ软件建立交流接触器的 ３Ｄ模型，模 型包括动衔铁、磁轭、短路环、线圈、空气域、铁芯运动 域。模型如图 １所示，Ｍａｘｗｅｌｌ中可通过建立一个运动 域自定义铁芯的运动行程。
近年来，接触器运动过程的仿真计算取得了快速 的发展。早期的接触器仿真大部分采用的是二维有限 元静态特性仿 真 和 三 维 有 限 元 静 态 特 性 仿 真 ［２－４］，近 几年得益于计算机的发展进行三维有限元动态特性分 析的研究增多。文献［５］利用 Ｍａｘｗｅｌｌ有限元软件的 ３ＤＭａｘｗｅｌｌ模块对双 Ｅ型交流接触器的动态特性进行
ＯｐｔｉｏｎｏｆＡＣＣｏｎｔａｃｔｏｒ’ｓＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｍａｇｎｅｔｉｃＳｙｓｔｅｍ ＢａｓｅｄｏｎＭａｘｗｅｌｌ
ＨＵＡＮＧＲｅｎｃａｎ （ＸｉａｍｅｎＨｏｎｇｆａＥｃｌｅｃｔｒｉｃａｌＳａｆｅｔｙ＆ ＣｏｎｔｒｏｌＣｏＬＴＤ，Ｘｉａｍｅｎ３６１０２１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ａＡＣｃｏｎｔａｃｔｏｒ’ｓｄｙｎａｍｉｃＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄＡＣｃｏｎｔａｃｔｏｒ’ｓｖｏｌｔａｇｅｐｏｗｅｒｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｗａｓｅｓｔａｂ
外部激励电路，电路如图 ３所示，图中 Ｖ１为线圈电压 源，线圈电压 Ｕｎ ＝２２０Ｖ，５０Ｈｚ，合闸相角 θ为 ０°。线 圈线径 ０１２ｍｍ，Ｓ｜Ｒ为线圈电阻 １２３５Ω，Ｌｃｏｉｌ为线圈 截面等效模块。电路中线圈导电截面等效模块名称需 与 Ｍａｘｗｅｌｌ中的线圈截面导电部分名称一致，线圈激 励电路通过 Ｍａｘｗｅｌｌ施加外加激励电路与三维模型耦 合一起。
接触器工作原理动态图动画演示
接触器工作原理动态图动画演示接触器是电力拖动与自动控制系统中重要的一种低压电器，也是有触点电磁式电器的典型代表。
接触器按主触头通过电流的种类，可分为交流接触器和直流接触器两种。
电磁接触器是利用电磁铁对铁片的吸引力来完成触点开闭功能的器件。
1.电磁铁的构造电磁铁的构造图2.电磁接触器的原理结构用于接触器的E形铁心的功能接触器的原理结构图3.电磁接触器的实际结构交流接触器（a）CJ10系列接触器（b）CJX1系列接触器（c）CJX1N系列机械联锁接触（d）交流接触器的外形结构说明（e）(f)接触器内部结构接触器结构：由电磁系统、触头系统、灭弧装置、复位弹簧等几部分构成。
电磁系统：包括可动铁心（衔铁）、静铁心、电磁线圈；触头系统：包括用于接通、切断主电路的大电流容量的主触头和用于控制电路的小电流容量的辅助触头；灭弧装置：用于迅速切断主触头断开时产生的电弧，以免使主触头烧毛、熔焊，对于容量较大的交流接触器，常采用灭弧栅灭弧。
接触器的图形符号和文字符号4.接触器的工作原理交流接触器工作原理：当电磁线圈接受指令信号得电后，铁心被磁化为电磁铁，产生电磁吸力，当克服弹簧的反弹力时使动铁心吸合，带动触头动作，即常闭触头分开、常开触头闭合；当线圈失电后，电磁铁失磁，电磁吸力消失，在弹簧的作用下触头复位。
交流接触器线圈的工作电压，应为其额定电压的85%-105%，这样才能保证接触器可靠吸合。
如电压过高，交流接触器磁路趋于饱和，线圈电流将显著增大，有烧毁线圈的危险。
反之，电压过低，电磁吸力不足，动铁心吸合不上，线圈电流达到额定电流的十几倍，线圈可能过热烧毁。
5. 常用接触器(1)空气电磁式交流接触器在接触器中，空气电磁式交流接触器应用最广泛，产品系列和品种最多，但其结构和工作原理相同，目前常用国产空气电磁式接触器有CJ0、CJl0、CJl2、CJ20、CJ21、CJ26、CJ29、CJ35、CJ40等系列交流接触器。
(2)机械连锁交流接触器机械连锁交流接触器实际上是由两个相同规格的交流接触器再加上机械连锁机构和电气连锁机构所组成，保证在任何情况下不能两台接触器同时吸合。
交流接触器电磁系统改进及效果测试分析
交流接触器电磁系统改进及效果测试分析摘要根据交流接触器线圈温升的产生原理，通过对温升产生的主要因素仿真分析，利用计算机仿真系统，得出对交流接触器电磁系统的最佳改进方案、并通过产品改进前、后的对比试验验证，取得了满意的效果，为解决接触器线圈温升过高问题提供参考。
关键词交流接触器；电磁系统改进；测试分析交流接触器是一个成熟的电气控制执行器件，广泛用于远距离、频繁地接通与分断电路，所以交流接触器的寿命就成为大家所关注的问题。
影响交流接触器寿命的一个主要因素就是磁系统寿命，而影响磁系统寿命的一个重要指标就是线圈温升。
本文通过使用仿真技术对影响线圈温升的几个方面进行仿真分析，并通过对比测试，取得满意效果，为交流接触器磁系统的改进提供依据。
1 接触器线圈温升产生原理电磁式交流接触器主要由灭弧系统、触头系统和电磁机构组成。
交流接触器的电磁机构一般可分为双U转动式、单U直动式和双E直动式；交流接触器的工作过程可分解为：上电吸合过程、带电保持、断电释放过程。
吸合、保持、释放的过程都是一个机电能量转换的过程。
接触器的动作特性，要满足吸、反力特性的配合。
电磁吸力是指通电后线圈产生的电磁力；反力则主要包括反力弹簧、触头弹簧的反用力以及各动作机械部件之间的摩擦力等。
接触器的动作过程包含了电磁、发热、机电能量转换的过程。
对于交流电磁线圈系统，接触器损耗划分为铜耗和铁耗两大部分；磁导体中由于存在磁滞和涡流现象导致的功率损耗，称之为铁损。
此损耗与磁感应强度有关，感应强度越大，铁损越大，且其关系是非线性的。
交流接触器的线圈大多都是由铜质漆包线线绕制，这些铜导线在有电流流过是由于其具有电阻而消耗部分功率，这部分损耗通常会以发热形式而消耗掉，这种损耗称之为“铜损”。
铜耗和铁耗是影响线圈温升的两个主要因素。
要降低线圈温升就要在电磁机构的吸力和反力特性配合的允许范围内对线圈、铁芯、弹簧进行参数调整。
2 仿真分析1）仿真模型的磁感应强度。
交流接触器工作原理及主要试验分析
交流接触器工作原理及主要试验分析摘要：交流接触器是一种用于远距离，频繁地接通与分断交流和大容量控制电路的自动电器，在接通断开设备电源时避免人身伤害。
交流接触器的选用对动力设备和电力线路正常运行非常重要。
本文主要介绍了交流接触器工作原理及主要试验分析，供生产企业提供参考。
关键词：交流接触器工作原理试验分析第一章、交流接触器工作原理交流接触器控制的特点：小电流控制大电流。
结构上主要是由触头系统、电磁机构、灭弧装置及线圈等部分组成。
工作原理（动作过程）：“控制绕圈通电→衔铁的吸合→触头闭合→主电路接通电源”。
第一、电磁系统。
首先电磁系统是交流接触器的心脏，是关键的组成部分，而电磁铁的特性即电磁特性在交流接触器的工作中起着至关重要的作用。
交流接触器的动作力来源于交流电磁铁，电磁铁由两个“E”字形的硅钢片叠成，其中一个固定，称之为“静铁芯”，在上面套上线圈，另一半是动铁芯，构造和静铁芯相似，用以带动主触点和辅助触点的开断。
而交流接触器的动作力主要是由于电磁特性产生的。
电磁特性即电磁铁的吸力特性和反力特性。
交流接触器的吸力来自电磁系统，反力是企图使衔铁打开的力，它是由复位弹簧及触点簧片产生的。
从接触器的工作原理可见，衔铁的吸合并保持触头可靠接触的关键决定于电磁吸力与弹簧的反力的合力。
从静态考虑，在衔铁吸合过程中，只有当电磁吸力大于弹簧反力时才能保证吸动力动铁芯；在吸合之后，只要能保证吸力吸住衔铁，就能使触头可靠接触（在不考虑电压波动带来的吸力不稳而引起的触头颤动的情况下）从电磁系统的力的特性来讲，由于弹簧的反力和衔铁工作气隙之间的特性与电磁吸力和气隙之间的物性变化的规律不同，这使得在交流接触器吸合后，降低绕圈端电压，仍使衔铁可靠吸合成为可能。
从电磁铁的特性可以看出要使交流接触器可靠吸合必须使吸力特性曲线在反力特性曲线之上，可以允许局部的反力高于电磁吸力，但必须做到使衔铁打开位置的吸力高于反力。
在电磁系统中必须加上短路环，铁芯在交变的磁场作用下会产生强烈的振动，发出较大的噪声，短路环主要是为了防止振动，消除噪声，使磁力稳定。
智能斜极面交流接触器动态优化设计与分析
摘要 ： 用 Ａ Ｓ Ｓ电磁场 分析 软件 与基 于遗 传算法 的人工鱼 群优化算 法对智 能平极 面交流 接触器进 行 以快 采 ＮＹ 速分断 、 提高零电流分断准确性与稳定性为 目标的动态 优化计算 ， 验证 了优 化算 法的正确 性。考虑到 斜极面交 并 流 电磁系统 的优越性 ， 对平极面交流接触器与斜极面交流接 触器静 态特性进 行 比较 分析 ， 出了智能斜极 面交流 提
中 图分 类 号 ： Ｍ ３ Ｔ ９ 文 献标 志码 ： Ａ
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Ｍａ． ｒ ２０１ ｌ
文 章 编 号 ：０ ６— ４ ６ ２ １ ） １ ０ ７ １０ ０ ５ （０ １ ｏ — ０４—０ ５
智 能 斜 极 面 交 流 接 触 器 动 态 优 化 设 计 与 分 析
鲍光 海 ， 张培 铭
（ 州 大 学 电 气 工程 与 自动 化 学 院 ， 建 福 州 ３ ００ ） 福 福 ５ １８
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交流接触器电磁机构动态仿真分析∙作者:admin∙来源:∙时间:2008-08-14∙阅读:17摘要：本文介绍了一种智能小型直流电磁继电器测试系统的软硬件设计。
系统能根据继电器型号自动构建测试电路或控制合适的线性受控电源，只用单插座就能完成多规格继电器参数的自动测试;继电器动作时间性能参数的测试采用软件定时器为主、硬件电路为辅的方法。
关键词：直流电磁继电器;单插座;定时器;自动测试0 引言继电器是一种高精密的电子元器件，它广泛应用于工业制造和国防科技。
但由于生产工艺、材料等原因造成了其质量的不稳定性。
因此，有必要对其进行测试，以决定其优劣。
从测试精度来说，动作时间需要精确到ms或μs，触点电阻精确到mΩ，此外，有些继电器由多个线圈或触点组组成，如JHX-3F系列继电器。
目前，常用的手工测试方法效率低、误差大，且测试参数少，而对于高精密继电器的测试只能依赖基于微机的测试系统。
本文将讨论基于JHX-3F系列继电器的测试系统的软硬件设计思路，并重点分析单插座对多规格继电器的自动测试、动作时间μs级测试和小电压或大电流型线圈的继电器测试。
1 继电器测试系统的构成继电器测试系统的构成如图1。
数据采集卡选择基于PCI总线的AC6115。
系统由PC和测试仪两部分组成，它们之间通过AC6115传递A/D、D/A和I/O信号。
系统软件平台为Windows XP/2000，软件开发环境Delphi 6.0，数据库SQL Server 2000。
主要测试指标及精度要求：1）电压精度#lt;=0.01V;2）电流精度#lt;=0.01A;3）动作时间精度#lt;=1ms;4）触点电阻精度#lt;=1mΩ。
2 继电器测试系统的硬件设计2.1 JHX-3F小型直流电磁继电器种类JHX-3F包括A、B、C和D四个大类。
线圈类型可以是电压型或电流型或电压电流混合型，其中A大类为单线圈16个品种;B大类为双线圈240个品种;C大类为双线圈182个品种;D大类为单线圈16个品种。
共454个品种（其中又分电压型166种，电流型72种，混合型216种）。
继电器初始触点状态分又为全闭（2D）、全开（2H）和半开半闭（1H1D）三种状态。
所以，JHX-3F系列继电器总计1362个品种。
本文以两类继电器说明其工作原理。
B类双线圈单位置：该类继电器有一个启动线圈和一个保持线圈。
启动线圈施加激励，继电器状态改变，接着给保持线圈施加激励，撤除启动线圈激励，状态保持，再撤除保持线圈的激励，状态释放。
C类双线圈双位置：该类继电器有一个启动线圈和一个复归线圈。
启动线圈施加激励，继电器状态改变，撤除激励，此状态保持，再给复归线圈施加激励，状态复归为初始态。
2.2单插座完成对多规格1362个品种继电器自动测试的硬件实现待测继电器的特点：引脚1～4为继电器线圈，引脚5～8为继电器触点。
产品封装符合双列直插集成电路封装特征。
待测继电器的这些特征为只用单插座完成对多规格1362个品种继电器的自动测试提供了可能性。
自动测试的电路工作原理：若待测继电器为单线圈时，辅助继电器FZJD1的线圈上不施加激励，受控源施加到插座1、4两端。
若待测继电器为双线圈时，分两个阶段工作，在系统测试启动线圈阶段时，FZJD1的线圈上不施加激励，受控源施加到插座1、2两端;在测试保持或复归线圈阶段时在FZJD1的线圈上施加激励，受控源施加到插座3、4两端。
当被测继电器线圈为电压型时，辅助继电器FZJD2的线圈上不施加激励，受控电压源工作并施加到电路中，为电流型时，在FZJD2的线圈上施加激励，受控电流源工作并施加到电路中;触点状态的测试只要将被测触点送到两个I/O即可。
触点电阻测试采用四端法消除接触电阻的影响，分别用三档激励源进行测试。
2.3 大电流或小电压型继电器测试的硬件实现测试用的电压源和电流源均受数据采集卡上DAC输出的控制，电压源输出电压和电流源输出电流与控制电压均呈线性关系。
系统自动根据被测继电器型号选择不同输出范围的受控电压源进行测试，一种是从0～24VDC输出，另一种是从0～110VDC输出。
可以测试从1.5VDC～100VDC额定吸合电压的被测继电器。
受控电流源输出范围从0～2ADC，可以测试从0.003ADC～2.0ADC额定吸合电流的被测继电器。
电路中利用辅助继电器实现自动构建电路的目的。
3 继电器测试系统的软件设计3.1 多种软件定时器的应用Timer控件基于Windows系统定时，它可以在要求不高的地方使用，定时分辨率为55ms[1]，精度只有5～8ms，系统中应用它进行线圈参数、吸合值和释放值的测试。
精确定时它无法胜任。
多媒体定时器来自于Windows API。
它可工作在较高优先级的线程中，它的定时事件被定义为回调过程，只要在该过程中添加消息处理代码即可完成定时响应[2]。
Delphi把它封装到了mmsystem.pas中供软定时使用。
本系统应用它对故障继电器进行检测，如触点始终未动作。
动作时间测试有2种方法。
1）使用AC6115上的硬件定时器，AC6115提供了一个16位的微秒脉冲计数器，计数范围是1～216微秒[3]，因此，可通过脉冲计数完成动作时间测试，但此方法会加大硬件电路设计的复杂性;2）采用软件定时器。
例如Z_Timer。
它可以ActiveX控件的形式加载到Delphi控件面板上。
它的定时分辨率是0.1ms，定时精度是0.015ms，在有效定时事件中它能独占系统所有资源，如消息响应和线程时间片。
故使用Z_Timer是基于Windows 环境下高精度软定时的好方法。
本系统应用Z_Timer短时间内独占系统资源而中断其它线程、消息的运行，从而快速准确地测试出动作时间。
首先设定其独占系统资源时间为秒级别，因为动作时间精度#lt;=1ms，所以该段时间内继电器必然动作;在这段独占时间内，Z_Timer采集动作前后的触点组电压值并装入数组;最后，分析该数组中数值的变化就可以计算出动作时间。
使用这种方法，简化了硬件电路的设计，且测试效果良好。
3.2 继电器单项测试的软件实现3.2.1线圈基本参数测试的软件实现Timer启动后，对线圈（包括启动线圈、保持线圈和复归线圈）进行测试。
调用AC6115提供的DLL（动态链接库）中的AC_6115_DA 函数线性控制输出在线圈上的电压。
电压上升（下降）梯度10v/5s。
在线圈触点吸合处、额定电压处和触点释放处先使用Sleep函数短暂延时，待继电器状态稳定后，再调用DLL中的AC_6115_AD函数记录吸合值或额定值或释放值，并存入公用数据模块Datamodule中。
3.2.2 动作时间测试的软件实现动作时间是衡量继电器质量的关键指标，其精度要求高。
图3-1是一触点初始状态为2H的继电器动作时间测试的“理想图”，实际的测试结果如图3-2所示出现了“回跳时间”，它是测试过程中必须考虑的。
本系统采用短时间独占系统资源的Z_Timer完成动作时间测试，其吸合时间测试的定时响应代码如下：Procedure TMainForm.Draw_Time_Test（）;//“吸合时间”测试Beginif（Call_DLL（）#lt;31）;//调用AC6115动态链接库Showmessage（…DLL装载失败!‟）;ElseBeginAC_6115_AD（Datamodule.Driverio, Datamodule.IDofcard[1], 80,3,4,0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, Datamodule.Draw_Time_Data,2048）;//采集触点动作前后的所有数据DA_To_Value（0）;//电压归0，准备释放时间测试Sleep（100）;//平缓处理IO_Out（1,0,0）;//设置I/O信号，准备“释放时间”测试Sleep（2000）;//为其释放资源准备时间，此后，系统将“缓冲”到正常状态End;End;图3-1 理想动作时间测试图3-2 实际动作时间测试代码中数据采集函数采集3、4通道，每通道采集2048/2=1024点。
通道转换时间80＊0.25=20μs，故同一通道相邻两点之间的时间间隔为20＊2=40μs，所以每组触点有效监测的电压时间为1024＊40=40960μs，动作时间的测试精度为40μs。
“回跳时间”计算：每组触点采样1024个点，从第1024个点开始逐一向前查询当前点和当前点之前一点的采样电压值，如果发现两者之差绝对值为5，且第1次出现，立刻记录当前点位置T1。
同时开始累加“回跳时间”计数器，如此反复，直到最后1次出现此类情况，记录此时位置T2，所以T1就是动作时间点，而T1-T2则是“回跳时间”。
3.2.3 触点电阻测试的软件实现触点初始状态为2D的继电器，直接采样相关通道电压进行计算即可;触点初始状态为2H的继电器，首先，线圈外加电压跳变至额定值，待其触点吸合稳定后，采用类似2D测试方法测试;1H1D继电器，首先采用类似测试2D的方法测试1D触点组，然后用类似测试2H 的方法测试1H触点组。
3.3组合多项测试项的自动测试的软件实现组合多项测试项的自动测试的主要软件流程如图4所示。
图4 系统自动测试软件实现流程图自动测试将完成线圈参数、动作时间和触点电阻的全部测试。
“基本参数设置”包括设置继电器类型、线圈类型、各测试项测试次数和触点组初始状态。
为了提高测试数据的准确性，自动测试设计为重复多次执行，最后求取多次测试数据的平均值，如线圈参数、动作时间和触点电阻分别测试M、N、K次（M、N、K均大于等于0），实际次数多少由测试人员根据现场情况决定。
每次测试的结果全部暂存于Datamodule中，在Datamodule中建立了3个链表，分别用来存放每次测试的线圈参数、动作时间参数和触点电阻参数。
链表的每1个结点分别代表某测试项的1次测试数据。
4 结束语现场测试中，系统运行良好，人机界面友好，能完成对所有1362种继电器的测试，并提供完整的测试数据的报表，测试精度令人满意，其中电压测试精度由#lt;=0.01v提高到了#lt;=0.001v，吸合时间测试精度则由#lt;=1ms提高到了0.04ms。
本文作者创新点：（1）硬件设计。
采用单插座对4大类1362种继电器进行测试;通过自动控制受控电源完成了对电流、电压或混合型继电器参数的测试。
（2）软件设计。
提出了以Z_Timer为主、硬件电路为辅的方法来测试动作时间，大大简化了硬件电路的设计;自动测试中还可组合测试项进行多次重复测试求取平均值，从而提高了测试数据的准确性。
参考文献[1].李四保,姚晓先.Win32s下内核定时器的使用[J]. 微计算机信息,2003,19卷（2期）：71-72[2].何炜丽,康伟. 在Delphi中实现多媒体定时器[J].电脑学习,2000,（2）：26-27.[3].AC6115使用说明书[M].北京双诺公司,2004,58～59。