低压电磁开关三维动态全仿真虚拟设计平台的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种低压电磁开关三维动态全仿真虚拟设计平台，包括有限元软件系统和电路仿真模块，通过所述有限元软件系统，建立包括电磁系统、联动机构和触头系统的低压电磁开关三维运动模型；所述三维运动模型通过电磁场计算模块、温度场计算模块和力场计算模块的耦合计算，形成三维动态仿真模块；通过电路仿真模块与所述三维动态仿真模块的联合仿真，设计智能控制电路给所述电磁系统供电；所述三维动态仿真模块包括固定气隙下的静态计算模块、整个运动过程中的动态计算模块和优化设计模块，并连接至虚拟设计平台。本发明建立了含电路仿真模块的电磁开关三维动态全仿真平台，为低压电磁开关的结构设计与智能控制奠定良好的理论基础。
【专利说明】低压电磁开关三维动态全仿真虚拟设计平台
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种低压电磁开关三维动态全仿真虚拟设计平台。
【背景技术】
[0002]低压电磁开关是电气工程领域中量大面广的器件，用于电力线路或自动控制系统中接通、控制或保护负载的开关设备，包括电磁式接触器、继电器、以及断路器中的电磁脱扣器等。电磁开关中含有电磁系统和触头系统，电磁系统是电磁开关的感测机构，其工作过程是将电能转化为磁能，再将磁能转化为机械能，由电磁系统运动带动开关执行部件——触头系统的动作。传统交流电磁系统稳定工作时存在功率损耗大、线圈过热、振动噪声等一系列问题；触头系统闭合过程中存在一次、二次弹跳，分断时存在电弧侵蚀现象，均会引起电磨损和熔焊等现象，这些都是降低电磁开关电寿命和可靠性的主要原因。为了适应现代企业大规模、自动化、高速生产的需求，满足高效、节能、环保的理念，对电磁开关的研究，目前得到广泛的关注。同时，随着电子技术、自动控制技术的发展，电磁开关的智能控制技术近年来有了长足进步，新一代低压电磁开关具有体积小、结构合理、开断能力强、节能节材、无声运行等特点。
[0003]电磁开关在运行中存在着电、磁、光、热、力等非线性能量转换，这些能量随着时间、气隙的变化而产生变化，形成一个复杂的动态过程。传统电磁开关分析设计方法大都以静态设计、近似计算、经验参数为主，导致产品开发周期长、资金投入大，且设计计算参数与产品实际性能差距较大，需要通过反复试验修正才能得到满意结果，远远无法满足高品质、高效率的设计需求。随着计算机仿真技术及有限元软件性能的不断提高，工程领域中的机构动力学分析、结构分析、电磁场分析、热分析等仿真技术日益成熟，为电磁开关分析与设计提供了良好的基础。为了设计高性能、高可靠性的电磁开关以适应市场发展需求，提高设计效率、降低开发成本，将虚拟样机设计技术引入低压电器是一件迫在眉睫的工作。虚拟样机设计技术是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术糅合在一起，在计算机上建立产品的整机模型，并针对产品在投入使用后的工况进行仿真分析、预测整机性能，进而改进设计、提高产品性能的一种新技术。
[0004]文献[I]采用三维磁场矢量法对接触器电磁系统进行瞬态仿真分析，可考虑铁心非线性及各向异性特性；文献[2]通过一系列微分方程建立包含触头弹跳的接触器动态计算全模型，采用Runge-Kunta法进行快速求解，分析不同参数如:电压相角、运动部件质量和惯性、铁心缓冲垫的硬度等对接触器动态特性以及触头弹跳的影响；文献[3]采用“磁路”法对接触器电磁系统进行计算，通过四阶Runge-Kunta求解接触器动态微分方程组，分析不同合闸相角动态特性；文献[4]建立考虑触头运动情况的接触器磁路动态计算模型，分析不同晃电故障条件对接触器动态特性的影响；文献[5]采用“场-路结合”法，大气隙通过ANSYS有限元仿真三维电磁场，小气隙采用考虑分磁环作用的“路”法对接触器吸合特性进行计算。文献[6-7]建立低压塑壳断路器的三维虚拟样机模型，在建模的过程中考虑分断弹簧、杆件形状、气动斥力、电动斥力多种因素对分断速度的影响；文献[8-9]采用多体动力学仿真软件ADAMS建立接触器三维运动仿真模型，耦合了电路、电磁场进行迭代求解，动力学分析考虑摩擦力影响，实现对接触器动态吸合过程和触头弹跳的仿真分析，并分析不同合闸相角、触头弹簧参数和线圈电压对触头弹跳的影响。
[0005]但是，目前所有的有限元软件，都是针对普遍现象所进行的场域计算。低压电磁开关工作过程中涉及到电磁场、温度场、力场等耦合场域计算，并且，种类繁多、结构各异，想要对其分析有一定难度，尤其是三维动态过程计算难度更大。
[0006]本发明针对低压电磁开关开发一个综合的三维动态仿真虚拟设计平台，在平台中，通过对电磁系统、触头系统、联动机构建立三维有限元模型，形成完整的三维运动模型，对模型加载，构建电磁场、温度场、力场的耦合场域全仿真模型，并分别建立静态计算、动态计算和优化设计模块，使其根据需要进行仿真计算分析，经过对相关软件的二次开发，形成三维动态仿真虚拟设计平台，该平台具有参数设置、结果输出、功能选择、特性分析模块，同时将电路仿真和智能控制模块弓丨入该仿真虚拟设计平台，可以对三维样机施加不同的控制方案，组建联合仿真系统，由此模拟真实的运行环境，对触头系统也可以施加不同的载荷、选择不同的负载，通过该平台的使用，可以大幅度缩短新产品的设计周期，节约设计成本，提高设计效率。同时，也为智能控制模块的设计提供良好的设计平台。
[0007]参考文献:
[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，许志红.XMCO-188交流接触器动态特性分析[J].电气制造，2010(1):44-48.[4]林抒毅，许志红.晃电故障下交流接触器的工作特性分析[J].中国电机工程学报，2011，31 (24):131-137.[5]孙园，许志红.基于ANSYS软件的智能交流接触器电磁系统设计[J].低压电器，2006(11):3-8.[6]张敬 菽，陈德桂，等.基于虚拟样机技术的低压塑壳断路器仿真研究[J].系统仿真学报，2004(9):2118-2121.[7]陈德桂，刘庆江，康艳.塑壳断路器操作机构分断速度的影响因素[J].低压电器，2005(12):9-13.[8]李兴文，陈德桂，孙志强，等.交流接触器动态过程及触头弹跳数值分析与实验研究[J].中国电机工程学报，2004，24 (9): 229-233.[9]刘颖异，陈德桂，袁海文.带电流反馈的永磁接触器动态特性仿真与分析[J].中国电机工程学报，2010，15(30):118-123.。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种建立了电磁开关三维动态仿真模型，并为低压电磁开关的智能化控制方案，提供良好设计平台的低压电磁开关三维动态全仿真虚拟设计平台。
[0009]为实现上述目的，本发明的技术方案是:一种低压电磁开关三维动态全仿真虚拟设计平台，包括有限元软件系统和电路仿真模块，通过所述有限元软件系统，建立包括电磁系统、联动机构和触头系统的低压电磁开关的三维运动模型；所述三维运动模型通过电磁场计算模块、温度场计算模块和力场计算模块的耦合计算，形成三维动态仿真模块；所述三维动态仿真模块包括对固定气隙下的电磁开关进行计算的静态计算模块、计算电磁开关的整个运动过程中参量变化与场域分布变化情况的动态计算模块和优化设计模块，并通过所述静态计算模块、动态计算模块和对样机进行寻优设计的优化设计模块连接至虚拟设计平台；所述虚拟设计平台经选择电磁机构供电模式的直接电源控制模块连接至电磁系统，所述虚拟设计平台还经电路仿真模块和智能控制模块连接至电磁系统；所述电路仿真模块通过与三维动态仿真模块的联合仿真，设计智能控制电路，输入至所述的智能控制模块中，并通过所述智能控制模块给所述电磁系统供电；所述虚拟设计平台包括参数设置模块、结果输出模块、特性分析模块和功能选择模块；所述参数设置模块对结构参数、材料参数、运动参数和优化参数进行设置；所述结果输出模块用于输出运动特性和性能参数；所述特性分析模块建立对电磁开关特性影响的的参数分析和寿命预测；所述功能选择模块对静态计算模块、动态计算模块和优化设计模块进行选择；所述触头系统还分别通过载荷输入模块和不同负载设定模块连接至虚拟设计平台；所述不同负载设定模块，控制触头系统所通断的负载类型；所述载荷输入模块对触头系统的通断能力进行分析和计算。
[0010]在本发明实施例中，所述直接电源控制模块的电磁机构的供电模式为直流励磁或者交流激磁，并能够改变电压范围和电压等级。
[0011]相较于现有技术，本发明具有以下有益效果:
(1)将虚拟样机技术引入低压电磁开关的设计中，考虑运动过程中摩擦力、碰撞过程形变等因素的影响，将描述材料形变量的本构方程、运动方程以及边界约束引入控制方程中，建立了三维运动数学模型，同时，将电磁场、温度场、力场相稱合，建立了含触头系统与电磁系统的电磁开关三维动态仿真模块；
(2)将电路仿真技术和三维动态仿真模块相结合，形成了联合仿真系统，该系统不仅可以在场域耦合的情况下，仿真开关的运行情况，还可以融入控制方案，进行过程控制仿真，为低压电磁开关的智能化控制方案，提供良好的设计平台；
(3)建立了触头系统的耦合场域和运动模型，通过对触头系统载荷和运行负载的仿真，可以模拟开关电器的真实运行环境，为低压电磁开关设计，带来全新的设计理念。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明低压电磁开关三维动态全仿真虚拟设计平台的原理框图。
[0013]图2为二分法插值表格求解电流与吸力的流程图。
[0014]图3为磁路动态微分方程计算流程图。
[0015]图4为电磁开关三维全仿真动态计算流程图。
【具体实施方式】[0016]下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
[0017]本发明一种低压电磁开关三维动态全仿真虚拟设计平台，包括有限元软件系统(在本发明实施例中，有限元软件系统可以采用有限元分析软件SciFEA代替)和电路仿真模块，通过所述有限元软件系统，建立包括电磁系统、联动机构和触头系统的低压电磁开关的三维运动模型；所述三维运动模型通过电磁场计算模块、温度场计算模块和力场计算模块的耦合计算，形成三维动态仿真模块；所述三维动态仿真模块包括对固定气隙下的电磁开关进行计算的静态计算模块、计算电磁开关的整个运动过程中参量变化与场域分布变化情况的动态计算模块和优化设计模块，并通过所述静态计算模块、动态计算模块和对样机进行寻优设计的优化设计模块连接至虚拟设计平台；所述虚拟设计平台经选择电磁机构供电模式的直接电源控制模块连接至电磁系统，所述虚拟设计平台还经电路仿真模块和智能控制模块连接至电磁系统；所述电路仿真模块通过与三维动态仿真模块的联合仿真，设计智能控制电路，输入至所述的智能控制模块中，并通过所述智能控制模块给所述电磁系统供电；所述虚拟设计平台包括参数设置模块、结果输出模块、特性分析模块和功能选择模块；所述参数设置模块对结构参数、材料参数、运动参数和优化参数进行设置；所述结果输出模块用于输出运动特性和性能参数；所述特性分析模块建立对电磁开关特性影响的的参数分析和寿命预测；所述功能选择模块对静态计算模块、动态计算模块和优化设计模块进行选择；所述触头系统还分别通过载荷输入模块和不同负载设定模块连接至虚拟设计平台；所述不同负载设定模块，控制触头系统所通断的负载类型；所述载荷输入模块对触头系统的通断能力进行分析和计算。
[0018]所述直接电源控制模块的电磁机构的供电模式为直流励磁或者交流激磁，并能够改变电压范围和电压等级。
[0019]以下为本发明的具体实施例。
[0020]如图1所示，图中F为有限元软件系统(在本实施例中，该有限元软件系统即有限元分析软件SciFEA)，D为电磁系统，L为联动机构，C为触头系统，S为三维运动模型，DC为电磁场计算模块，WD为温度场计算模块，LC为力场计算模块，Q为三维动态仿真模块，JT为静态计算模块，DT为动态计算模块，YH为优化设计模块，XN为虚拟设计平台，CS为参数设置模块，JG为结果输出模块，TX为特性分析模块，GN为功能选择模块，DF为电路仿真模块，ZN为智能控制模块，ZJ为直接电源控制模块，ZH为载荷输入模块，FZ为不同负载设定模块。
[0021]考虑运动过程中摩擦力、碰撞过程形变等因素，将描述材料形变量的本构方程、运动方程以及边界约束引入方程中，建立三维运动数学模型，通过三维有限元软件系统F，建立含电磁系统D、触头系统C、联动机构L的低压电磁开关三维运动模型S ;对模型进行电磁场DC、温度场WD、力场LC耦合计算，形成含触头系统C、电磁系统D、联动机构L等部件在内的三维动态仿真模块Q ;该三维动态仿真模块Q具有三个计算模块:静态计算模块JT、动态计算模块DT、优化设计模块YH ;静态计算模块JT可对某一固定气隙下的电磁开关进行计算，通过电磁场DC、温度场WD、力场LC的计算，可以得知:电磁吸力、磁路磁链、线圈电流、线圈电压、铁心位移、触头位移、触头温升、触头开距等参数值，同时，可以得知某一时刻的电磁场、温度场分布情况，以及各部件的受力情况；动态计算模块DT可以计算电磁开关的整个运动过程中个参量的变化与场域分布变化情况，尤其可以看出在吸合过程中铁心与触头的弹跳情况、运行轨迹、撞击能量，分断过程中的触头、铁心运行轨迹，触头、铁心的刚分速度等参量，形象直观的分析所设计的产品；优化设计模块YH采用了人工智能算法，根据设计要求选择优化变量和目标函数，通过优化设计模块，可以对样机展开全面的寻优设计，极大提高设计效率，缩短设计周期。
[0022]在本发明中，静态计算和动态计算采用如下设计思路进行设计:
运用数值计算方法求解磁场微分方程的问题，主要是将有限元法引入电磁场数值计算；在解动态方程时，采用静态磁场、电路方程以及可动部件运动方程的联立求解。若要对电磁系统闭合瞬间碰撞、闭合后电磁吸力特性进行计算，由于气隙极小，可暂不考虑气隙中扩散磁通以及漏磁，可采用“路”的计算方法，对电路方程以及可动部件运动方程进行联立求解。采用“场” “路”相结合的方法，可以充分发挥二者的优点；对于交流电磁系统，当动、静铁心之间的气隙较大时，分磁环作用较小，暂不考虑；采用静态电磁场解算动态过程，在不考虑涡流及磁滞的前提下，对同一电磁机构，电流和吸力都只是磁链和气隙的二元函数，该对应关系很难用明确的数学函数表达出来，但是可以通过离散数据表格来表示。该表格可以通过有限元分析软件计算得到。对于给定气隙5与磁链P,通过二分法可以求出对应的电流i与吸力Fx,以供三维动力学模型计算使用，其求解流程如图2所示。
[0023]当气隙较小时，分磁环作用明显，必须考虑在内，采用磁路法计算电磁电流、磁链以及电磁吸力等；整体计算流程图如图3所示。
[0024]对于直流电磁系统，磁路中不存在分磁环，计算方法同样适用。
[0025]以上计算流程中，计算得到某一时刻的电磁吸力，将该吸力作为载荷，加载到电磁开关三维动力学模型中，通过动力学模型，计算得到下一个时刻的位移、速度、加速度等运动参数；将得到的运动参数返回到动态过程中，计算下一个时刻的电流、电磁吸力；通过反复迭代交互，得到电磁开关整个动态过程；交互过程如图4所示。
[0026]首先根据初始位移、磁链、电流等参数，计算当前时刻电磁吸力，并将该电磁吸力作为载荷加载到建立的三维运动模型中，计算得到下一时刻的位移、速度、加速度等运动参数，判定计算是否结束，若未结束，则将运动参数返回电磁吸力计算模型中，重新计算下一时刻电磁吸力，通过反复迭代交互，可得到电磁开关三维运动过程；通过该模型不但可以计算磁链、电流、电磁吸力等参数，还可以计算得到触头、铁心任意点的位移、速度、加速度等参数，通过提取相应触头、铁心接触点位移，即可对弹跳信号进行仿真分析。
[0027]将工作气隙固定，计算就得到静态计算结果。
[0028]在虚拟设计平台XN中，含有参数设置模块CS、结果输出模块JG、特性分析模块TX和功能选择模块GN ;通过功能选择模块GN对静态计算模块JT、动态计算模块DT、优化设计模块YH进行选择，进入不同的计算程序；虚拟设计平台XN具有良好的人机界面，操作简便、使用方便；在参数设置模块CS中，可以对结构参数、材料参数、运动参数、优化参数等进行设置，改变相关参数后对样机结构和性能所造成的影响，包括运动特性和性能参数，都可以通过相关模块的运行，在结果输出模块JG中直观的反映出来，计算结果也可以存档、打印；特性分析模块TX中建立了关键参数对电磁开关特性的影响，如:触头的弹跳次数、弹跳时间、吸合时间、分断时间、触头的超程、开距、铁心的撞击速度对开关特性的影响等，对改进产品性能、提高产品的电寿命和可靠性，提供理论依据。
[0029]触头系统所通断的负载类型，可以通过不同负载设定模块FZ进行改变，以便观察在不同负载情况下开关触头的工作情况；通过载荷输入模块ZH对触头通断能力进行分析和计算，可以模拟触头系统的真实运行情况；随着智能技术的飞速发展，低压智能电器大量涌现，在虚拟设计平台XN中，可以选择电磁机构的供电模式，在直接电源控制模块ZJ中，可以设定直流励磁或者交流激磁，还可以改变电压范围和电压等级；而在电路仿真模块DF中，可以设计不同的控制电路，通过与三维动态仿真模块Q的联合仿真，设计适合的智能控制电路，输入智能控制模块ZN中，智能控制模块ZN给电磁开关的电磁系统D供电。
[0030]以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种低压电磁开关三维动态全仿真虚拟设计平台，包括有限元软件系统和电路仿真模块，其特征在于:通过所述有限元软件系统，建立包括电磁系统、联动机构和触头系统的低压电磁开关的三维运动模型；所述三维运动模型通过电磁场计算模块、温度场计算模块和力场计算模块的耦合计算，形成三维动态仿真模块；所述三维动态仿真模块包括对固定气隙下的电磁开关进行计算的静态计算模块、计算电磁开关的整个运动过程中参量变化与场域分布变化情况的动态计算模块和对样机进行寻优设计的优化设计模块，且通过所述静态计算模块、动态计算模块和优化设计模块连接至虚拟设计平台；所述虚拟设计平台经选择电磁机构供电模式的直接电源控制模块连接至电磁系统，所述虚拟设计平台还经电路仿真模块和智能控制模块连接至电磁系统；所述电路仿真模块通过与三维动态仿真模块的联合仿真，设计智能控制电路，输入至所述的智能控制模块中，并通过所述智能控制模块给所述电磁系统供电；所述虚拟设计平台包括参数设置模块、结果输出模块、特性分析模块和功能选择模块；所述参数设置模块对结构参数、材料参数、运动参数和优化参数进行设置；所述结果输出模块用于输出运动特性和性能参数；所述特性分析模块建立对电磁开关特性影响的参数分析和寿命预测；所述功能选择模块对静态计算模块、动态计算模块和优化设计模块进行选择；所述触头系统还分别通过载荷输入模块和不同负载设定模块连接至虚拟设计平台；所述不同负载设定模块，控制触头系统所通断的负载类型；所述载荷输入模块对触头系统的通断能力进行分析和计算。
2.根据权利要求1所述的低压电磁开关三维动态全仿真虚拟设计平台，其特征在于:所述直接电源控制模块的电磁机构的供电模式为直流励磁或者交流激磁，并能够改变电压范围和电压等级。
【文档编号】G06F17/50GK103761406SQ201410053016
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年2月18日 优先权日:2014年2月18日
【发明者】许志红, 何晓燕, 林抒毅 申请人:福州大学