怎样抑制接触器的碰撞弹跳？哈工大科研人员提出解决方法
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
哈尔滨工业大学电器与电子可靠性研究所的研究人员杨文英、刘兰香、刘洋、翟国富，在2019年第9期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“考虑碰撞弹跳的接触器动力学模型建立及其弹跳特性影响因素分析”）指出，接触器通断过程中，动、静触头以及衔铁、轭铁间的碰撞接触使接触器工作系统的运动状态变得极为复杂，合理处理动作过程中的碰撞接触问题是研究接触器动态特性的关键。
以某型号螺线管式大功率接触器为例，基于分段线性结构动力学思想以及Kelvin-Voigt模型，考虑了能量损失、碰撞变形等因素对接触器碰撞弹跳的影响，给出了考虑碰撞弹跳的接触器动力学运动方程，并建立了接触器碰撞弹跳动力学模型。
将接触器动力学模型与电磁机构有限元模型相结合，提出了一种快速耦合接触器机-电-磁-运动的多物理场计算方法，研究了考虑碰撞弹跳的接触器动态特性。然后利用接触器动态特性实验装置证明了该文提出的多物理场耦合计算方法的正确性。最后，分析了超程弹簧预压力、线圈励磁电压、触头开距和返回弹簧预压力对接触器碰撞弹跳的影响，从而为抑制接触器碰撞弹跳提供理论依据。
近年来，随着全电电器的发展，对大功率接触器的接触特性和电寿命均提出了更高的要求。电磁系统和机械系统是接触器的重要组成部分。接触器动态特性受多种因素共同制约，其中动、静触头以及衔铁和轭铁间的碰撞弹跳是影响其动态特性的重要因素。
碰撞弹跳引起的接触部分小距离分离极易导致电弧产生，严重时会发生熔焊粘接，直接影响电接触性能和接触器的使用寿命。为能满足国防、军事对大功率接触器可靠应用于恶劣环境的需求，建立接触器碰撞弹跳模型，分析其影响因素和变化规律，对提升接触器动态性能具有重要意义。
Y. Kawase等将3D方法应用于交流接触器，而后A. R. A.Arkadan等将线圈电流和衔铁驱动力作为接触器的激励，利用时空有限元法建立了接触器模型。N. Sadowski等进一步考虑了铁心运动过程中的非线性效应。
为加快仿真过程，Fang Shuhua等利用有限元法分别计算了接触器电-磁-运动模型中的位移、磁链和电流的非线性关系。R.Gollee等根据接触器的磁共能方程和自感系数来列写方程，从而实现了对接触器动态过程的有限元求解。纽春萍等建立了接触器动态过程的数学模型，并借助ADAMS实现了考虑电-磁、磁-机之间的耦合计算，完成了接触器动态过程和触头弹跳的分析。
李兴文等应用三维有限元非线性静态方法求取电磁参数，并指出小气隙时需要考虑分磁环的影响。许志红等提出基于蚁群算法、神经网络法来达到优化设计智能接触器动态过程的目的。L.Niels等考虑了磁撞弹跳过程对接触器动态特性的影响，并建立了接触器动力学模型。李俊峰等提出基于触头动态接触压力来研究接触器的触头弹跳特性。
以上研究均未给出考虑碰撞弹跳的接触器动力学模型，且在求解过程中也未进一步探讨接触器运动过程中的线性运动和碰撞接触后的非线性动力学属性，多是利用将数值网格代入机械动力学方程来计算电磁力。由于传统方式加载的电流和位移信号均为离散的、静态的，故并不能真实反映接触器在工作过程中的电流和电感变化对电磁力的影响。
本文在以上研究的基础上，以接触器的线性运动和非线性碰撞接触为切入点，利用Kelvin-Voigt模型、平面接触理论计算触头和衔铁的碰撞接触过程。给出了考虑碰撞弹跳的接触器动力学方程，并建立了接触器碰撞弹跳动力学模型；接触器的电磁模型则是利用有限元动态网格技术，动态划分时间域下的空气域，在时间域内进行电磁参量的求解，同时可以考虑电流、电感变化以及导磁体内的涡流场效应对接触器运动的影响；然后利用时间协同的概念，将接触器的电磁模型和碰撞弹跳动力学模型进行耦合，并完成考虑碰撞弹跳的接触器动态特性求解。
后续通过基于激光位移传感器的接触器弹跳测量装置验证模型建立的准确性和计算结果的精确性。最后，分析了超程弹簧预压力、线圈励磁电压、触头开距和返回弹簧预压力对接触器碰撞弹跳的影响，并给出了具体优化方向，为后续接触器的优化设计和弹跳特性的抑制奠定了基础。
图1 接触器结构示意图
图10接触器动态特性实验测量装置
本文以接触器的线性运动和非线性碰撞接触为切入点建立考虑碰撞弹跳的接触器动力学模型，提出基于瞬态电磁特性的多物理场耦合计算方法求解接触器动态特性，并对接触器弹跳特性进行了相关分析。所得结论如下：
1）考虑碰撞弹跳的接触器动力学模型和基于瞬态电磁特性的多物理场耦合计算方法完全适用于考虑碰撞弹跳的接触器动态特性计算及弹跳特性影响因素分析，计算结果与实验结果吻合良好。
2）本文提出的基于瞬态电磁特性的多物理场耦合计算方法能够实时传递动态特性数值模型和碰撞弹跳模型运动过程的变化曲线，较传统计算方法效率提高一倍，计算精度以吸合电流为评价标准时误差由7%减小到1.5%。
3）调整超程弹簧、返回弹簧的预压力值可以抑制接触器的弹跳情况，且提高定量的超程弹簧预压力值在动触头上得到的弹跳抑制效果约是衔铁的2倍。
4）满足接触器励磁电压的情况下，触头闭合前，减小线圈两端的电压可以达到减小触头弹跳的目的；并在接触器超程起始位置，增大电磁力，使衔铁可靠吸合，避免其与轭铁碰撞时引起触头再次弹跳。
5）触头开距变化对接触器的弹跳抑制作用具有近似非线性的关系，减小触头开距可以达到抑制接触器运动全过程弹跳的目的，并且应该规避触头开距峰值带来的剧烈弹跳现象。