基于ANSYS的直流接触器电动斥力仿真及优化.pdf

第2 6 卷第4期2023年文章编号2095-0020(2023)04-0198-05上海电机学院学报JOURNAL OF SHANGHAI DIANJI UNIVERSITYVol.26 No.42023基于ANSYS的直流接触器电动斥力仿真及优化姚殿成，迟长春，陈晋生（上海电机学院电气学院，上海2 0 130 6)摘要针对型号为NDZ3T的新能源汽车用直流接触器发生短路故障时产生电动斥力较大的问题，通过ANSYS软件建立NDZ3T的触头简化模型，对NDZ3T触头间的电动斥力进行仿真，确定静触头上不同数量的导电桥对触头间电动斥力的影响，并将动触头之间的去磁块分块在不同大小的电流下实现电动斥力优化。结果表明：导电桥越多，电动斥力越小，当流过触头的电流小于4kA时，将去磁块分块能够明显降低电动斥力；当流过触头的电流大于4kA时，电动斥力降低幅度比较接近。仿真结果为汽车用直流接触器的进一步优化提供了参考。关键词直流接触器；电动斥力；导电桥；去磁块中图分类号TM561文献标志码ASimulation and optimization for electric repulsive force ofDC contactor based on ANSYSYAO Diancheng,CHI Changchun,CHEN Jinsheng(School of Electrical Engineering,Shanghai Dianji University,Shanghai 201306,China)Abstract To reduce the large electric repulsive force caused by short circuit fault of DCcontactors for NDZ3T new energy vehicles,a simplified contact model of NDZ3T is established byANSYS software,and the electric repulsive force between NDZ3T contacts is simulated todetermine the influence of the different number of conductive bridges on the moving contacts on theelectric repulsive force between contacts.The demagnetizing blocks between the moving contactsare divided to achieve the optimization of electric repulsion force under different sizes of currents.The results show that the more conductive bridges,the smaller the electric repulsive force.Whenthe curent flowing through the contact is below 4 kA,the demagnetization block can significantlyreduce the electric repulsive force.When the current flowing through the contact is greater than4 kA,the reduction range of electric repulsive force is close.The simulation results provide areference for further optimization of automobile DC contactors.Key words DC contactor;electric repulsive force;conductive bridge;demagnetizing block收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 7作者简介：姚殿成（1998），男，硕士生，主要研究方向为电力系统及其自动化，E-mail:指导教师：迟长春（196 6 一），女，教授，博士，主要研究方向为电机与智能电器，E-mail：c h i c c s d j u.e d u.c n2023年第4期随着环保政策越来越严格，各大汽车制造企业开始大力开发和研究新能源电动汽车，其重要目的是减少自然资源的利用和开发，最终起到保护环境的目的。型号为NDZ3T直流接触器大部分应用在新能源汽车和充电桩中2 ,该型号直流接触器适用于DC750V,工作电流40 40 0 A,控制电压12 V。当线路发生短路故障时会有很大的冲击电流，使得直流接触器触头间的电动斥力突然增大而斥开，造成误动作，从而破坏了接触器正常工作。因此，直流接触器应具备较好的短时电流耐受能力。文献3 通过利用ANSYS软件对额定电流为4kA的框架断路器进行仿真分析，得到了断路器的触头系统电动斥力的一般规律。文献4 利用ANSYS软件对高压直流继电器进行仿真分析，分析触头高度、触头间距、动簧片结构对电动斥力的影响。文献5 利用ANSYS软件对直流接触器进行仿真分析，得出导电桥离动触版中心越近，触头系统的电动斥力越弱，并对比了U形和方形去磁块对电动斥力的影响。本文利用ANSYS软件对型号为NDZ3T的新能源汽车用直流接触器触头系统进行了Maxwell3D建模仿真分析。通过仿真分析可知，增加静触头上的导电桥数量和保持去磁块体积一定时将其分块，可以有效地减小触头间的电动斥力，提高直流接触器的短时电流耐受能力,加强了可靠性和安全性，为后续优化研究提供了参考依据。1直流接触器触头间的电动斥力1.1直流接触器的结构及工作原理直流接触器结构如图1所示。当控制线圈流过电流时，动触头受到力向上运动直到与静触头量量静触头导杆静铁芯磁轭图1直流接触器结构姚殿成，等：基于ANSYS的直流接触器电动斥力仿真及优化断开，直流接触器退出工作。1.2电动斥力的产生与计算洛伦兹力和霍尔姆力矢量合成后形成触头间的电动斥力。动触头和静触头的实际接触面积极小，即导电斑点极小。当流过电流时，电流会在斑点处收缩，从而产生使动、静触头间相互排斥的霍尔姆力，霍尔姆力实际上是一种特殊的洛伦兹力6 流入触头系统中的电流、预压缩力、触头选用材料的布氏硬度以及动、静触头之间导电斑点的位置和数量的不同都会影响霍尔姆力的大小7 。触头间总的电动斥力由两个霍尔姆力FH和一个洛伦兹力FL组成，动触板受力的情况如图2 所示。F图2 动触板受力的情况触头间霍尔姆力计算公式为4元FNV元HB式中：o=4元10-7 NA-为真空磁导率；I为流过触头间的电流；R为触头半径；r为导电斑点的半径;F为触头预压缩力;为触头表面接触系数，一般取0.4;HB为材料的布氏硬度。根据式（2)计算得出导电斑点的半径r=0.26 mm。动触板动触板所受洛伦兹力计算公式为线圈FL=JJ XBdV动铁芯式中：J为单元电流体密度；B为单元磁感应强度；V为导体体积。199接触形成闭合回路；当控制线圈电流变为零时，动触头在弹簧力和重力的作用下向下运动，闭合回路(1)(2)(3)FLF2001.3角触头系统模型及分析步骤利用ANSYS软件建立触头系统3D简化模型如图3所示。设定触头的磁轭、去磁块的材料为DT4。导电桥、动静触头材料属性设置为铜，永磁体的材料属性设置为钕铁硼。设置边界条件，施加不同大小的短路电流，进行网格剖分，设置求解参数，计算电动力8-13上海电机学院学报触器短时耐受电流能力，分别建立不同个数的导电桥15-16 。设置导电桥的厚度为0.15mm,2个导电桥之间的距离为1mm，3个导电桥相邻两个之间的距离为0.5mm，4个导电桥相邻两个之间的距离为0.5mm，其模型摆放位置如图5所示。2023年第4期图3触头系统3D简化模型图5不同数量导电桥摆放位置2电动斥力仿真结果与分析在不同大小的电流下进行仿真，分析其对电动2.1楼模型仿真可行性验证模型建立之后，为了验证模型的可行性，将不同大小短路电流下计算出的电动斥力仿真值与根据公式理论计算出的理论值进行对比，数据结果如图4所示。80仿真值70理论值6050N/40302010012345678I/kA图4电动斥力(F)仿真值与理论值对比由图4可知，通过ANSYS软件得到的仿真值与计算得到的理论值相近，但短路电流越大，仿真值与理论值相差越大，理论计算更趋向于理想化计算，仿真计算更贴合实际，所以通过ANSYS仿真分析触头系统的电动斥力是有效的。2.2不同数量的导电桥对电动斥力的影响为了优化触头间电动斥力14-17，增强直流接斥力的影响，数据如表1所示。表1不同数量的导电桥电动斥力仿真值1/F/NkA112.2326.3569.84358.5453.4744.8239.2927.2822.8717.46714.64b9.828.234.373.6620.993.9512.368.89420.26530.06641.75755.33870.80由表1可知，流过导电桥的电流相同时，导电桥数量越多，电动斥力越小，可以通过增加导电桥数量来优化电动斥力，以实现增强直流接触器短时耐受电流能力，增加其可靠性。2.3增加去磁块对触头系统磁场的影响在动触板上增加材料为DT4的去磁块，当触头流过电流时产生的磁场会将去磁块磁化，从而改变了原有磁场的分布，降低了触头间电动斥力。在外磁场和介质表面磁化后的附加磁场合成后形成空间磁场。30.923.668.2115.8114.6324.7022.8735.5732.9348.4144.8263.2358.5440.853.427.6913.6821.3730.7741.8854.702023年第4期在动触板上方中间位置添加一个尺寸为12mm10mm4mm的去磁块，仿真后的数据如表2 所示。姚殿成，等：基于ANSYS的直流接触器电动斥力仿真及优化201Z表2 数据对比1/kA12345678由表2 可知，在动触板上方加上一个去磁块，流过不同大小的电流时，能够明显降低触头间的电动斥力。随着电流不断增加，降幅比例逐渐减小，考虑到触头被斥开的最大斥力为32 N，不加去磁块可以保证在5kA以下触头不被斥开，加去磁块后可以保证触头在6 kA以下触头不被斥开，加去磁块实现了触头系统电动斥力的优化，提高了直流接触器的短时电流耐受能力。2.4去磁块数量对电动斥力的影响保持去磁块尺寸12 mm10mm4mm不变时，将去磁块两等分和四等分，仿真模型如图6所示，仿真数据如表3所示。根据表3仿真后数据得出电动斥力折线图如图7 所示。由图7 可知，保证去磁块尺寸不变，当输人电流在4kA以下时,将其分块能够明显地降低电动斥力；而当输人电流大于4kA时，降低幅度比较接近。当流过电流为1kA和4kA时动触板表面的磁感应强度分布如图8 和图9所示。由图8、图9可以明显看出，电流为1kA时去磁块四等分时的磁感应强度明显强于两等分和一等分去磁块的磁感应强度；而当电流为4kA时三者的磁感应强度差别不大。F/N原始模型加去磁块2.230.346.351.8512.365.7520.2611.5830.0618.7641.7529.1755.3342.2270.8056.98降幅占比/%84.9570.7953.4542.8437.5730.1423.7019.530(a)去磁块二等分Z工015(b)去磁块四等分图6 去磁块两等分和四等分表3不同个数的去磁块仿真数据1/F/NkA012.2326.35312.36420.26530.06641.75755.33870.8080-1个去磁块70一一2 个去磁块一一4个去磁块6050N/403020100012345678I/kA图7不同个数去磁块下电动斥力折线图1510.341.855.7511.5818.7629.1742.2256.98130(mm)30(mm)20.130.683.458.9417.0928.6941.9255.2340.060.272.515.3216.0727.0140.1254.25一202上海电机学院学报2023年第4期B/T5.4723E-015.1081E-014.7439E-014.3797E-014.0155E-013.6513E-013.2871E-012.9229E-012.5587E-012.1945E-011.8303E-011.4661E-011.1019E-017.3775E023.7356E-029.3613E-04B/T6.5480E-016.1125E-015.6769E-015.2413E-014.8058E-014.3702E013.9346E-013.4990E-013.0635E012.6279E-012.1923E-011.7568E-011.3212E-018.8562E-024.5005E-021.4477E-03B/T2.6022E-012.4310E-012.2598E-012.0886E-011.9174E-011.7463E-011.5751E-011.4039E-011.2327E-011.0615E-018.9028E-027.1908E-025.4789E-023.7670E-022.0550E-023.4306E-03003结论本文利用ANSYS对新能源汽车用直流接触器NDZ3T触头系统进行了Maxwell 3D建模。改变静触头上面的导电桥数量，在不同电流的情况下发现随着导电桥数量的增加电动斥力逐渐减小。保持去磁块体积一定时将去磁块二等分和四等分，发现在输人电流为4kA时，去磁块分块能够明显降低电动斥力，当输入电流大于4kA时，去磁块分块后对电动斥力降幅效果减小。本文通过研究静触头上的导电桥数量和保持去磁块体积一定时将其分块，可以有效地减小触头间的电动斥力，提高了NDZ3T的短时电流耐受能力,加强了其可靠性35(a)1个去磁块B/T3.6176E+003.3780E+003.1385E+002.8989E+002.6593E+002.4197E+002.1801E+001.9406E+001.7010E+001.4614E+001.2218E+009.8223E-017.4265E-015.0307E-012.6349E-012.3904E-024070(mm)(a)1个去磁块70(mm)0图8 1kA时磁感应强度分布B/T3.6231E+003.3833E+003.1434E+002.9035E+002.6636E+002.4237E+002.1838E+001.9439E+001.7041E+001.4642E+001.2243E+009.8440E-017.4451E-015.0463E-012.6474E-012.4855E-02035(b)2个去磁块图94kA时磁感应强度分布和安全性，为同类型的直流接触器的后续优化研究提供了参考依据。参考文献1何子淑.电动汽车发展对能源与环境影响研究.时代汽车，2 0 2 3(3）：10 4-10 6.2 韦惠慧，刘向军.高压直流继电器性能模糊综合评估方法J.电器与能效管理技术，2 0 2 0（9）：30-35,39.3邹顺，李杰，任志刚.框架断路器触头系统电动力仿真分析J】.船电技术，2 0 2 2，42(11)：7 8-8 0.4于国飞，袁仲林，郑翔.高压直流继电器触头间电动力分析J.电器与能效管理技术，2 0 2 0（9）：13-17.(下转第2 14页）35(b)2个去磁块70(mm)70(mm)0040(c)4个去磁块B/T3.6677E+003.4247E+003.1017E+002.2098E+002.6958E+002.4528E+002.2808E+001.9668E+001.7238E+001.4828E+001.2378E+009.9485E-017.5187E-015.0000E-012.6589E-012.2982E-024080(mm)(c)4个去磁块80(mm)2145MA J Q,MA L X,TIAN X C.Wind turbine bladeicing prediction based on deep belief networkC/2019 4th International Conference on Mechanical,Control and Computer Engineering(ICMCCE).S.1.:IEEE,2019:26-29.6 1TONG R,LI P,LANG X,et al.A novel adaptiveweighted kernel extreme learning machine algorithmand its application in wind turbine blade icing faultdetectionJJ.Measurement,2021,185:110009.7 孟杭，黄细霞，刘娟，等.基于迁移学习的风机叶片结冰预测方法J.传感器与微系统，2 0 2 0（12)：40-42.8 刘娟，黄细霞，刘晓丽.基于栈式自编码网络的风机叶片结冰预测J.计算机应用，2 0 19（5）：1547-1550.9 PENG C,HE J,CHI H,et al.Icing prediction of fanblade based on a hybrid model J.InternationalJournal of Performability Engineering,2019,15(11):2882-2890.10孙英倩.基于数据驱动的风机叶片结冰预测研究D.青岛：山东科技大学，2 0 2 0.11高大春.基于机器学习算法的风机叶片结冰预测3333333333333333333(上接第2 0 2 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