[发明专利]一种接触器触头系统带载多物理场耦合仿真优化设计系统

说明书

本发明涉及一种接触器触头系统带载多物理场耦合仿真优化设计系统，包括：电弧计算模块、电磁场‑动力学‑声学求解模块、电磁场‑温度场求解模块、分级设计模块、图形用户界面模块。本发明提供的一种接触器触头系统带载多物理场耦合仿真优化设计系统，提供了一种考虑触头系统带负载吸合过程、吸持阶段、分断过程的全过程三维虚拟样机仿真与优化设计系统，以解决目前业界在接触器仿真技术上触头系统带载存在的困难，以及接触器设计上多场耦合的问题。

技术领域

本发明涉及一种接触器触头系统带载多物理场耦合仿真优化设计系统。

背景技术

接触器是电气工程领域中量大面广的器件，在工业控制和电力网络中发挥着重要的作用。相对于功率开关管等电力电子器件，接触器以其高电压低成本的优势在负载变化相对平缓的中高压电网稳定性控制中发挥着重要作用。同时，许多电厂还将接触器和熔断器串联使用，在动作次数多、小负载的场合下代替断路器。

接触器由电磁系统、触头系统、联动机构和缓冲部件构成。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，由铁磁部分运动带动开关执行部件——触头系统的动作。接触器运行中存在着电、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。当接触器用于AC3使用类别（接通6倍额定电流、断开额定电流）和AC4使用类别（接通6倍额定电流、断开6倍额定电流）的情况时，接通过程触头弹跳引起的电弧和分断过程产生的触头间电弧，将严重烧损触头系统。同时，接触器在带载吸合、分断过程中可能导致涌流冲击，会对电网的稳定运行造成安全隐患。此外，接触器接通、分断过程中的电弧可能会产生电磁干扰，影响电路的工作。因此，工业上对接触器带负载工作全过程的研究越发重视。

目前对交流接触器数值仿真的相关研究在机械、电磁、温升等方面都有涉及，但是触头带载情况下的接触器吸合、分断运动过程的仿真还存在较大的困难。

首先是在处理接触器的运动轨迹和电弧的耦合情况上。目前电弧的研究方法主要有黑盒模型和磁流体动力学模型两种方法。黑盒模型计算误差较大、参数确定困难；而磁流体动力学占用计算资源大、计算速度慢、计算效率低，难以与接触器的运动过程耦合。

其次，目前的研究多只是关注单一的物理场或者某一两个物理场的联合仿真，对于不同场域的仿真则需要重新建模，操作复杂，时间成本高，难以做到真正的多物理场耦合。而单物理场仿真无法真实反映接触器的工作情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种接触器触头系统带载多物理场耦合仿真优化设计系统，以克服现有技术中存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种接触器触头系统带载多物理场耦合仿真优化设计系统，包括：

电弧计算模块，根据电弧轨迹数据库，基于电弧实验和电弧磁流体仿真数据，通过深度BP-Adaboost神经元网络进行训练，建立不同燃弧环境下开关电弧的燃烧过程中耗散能量、燃弧时间与主回路电压轨迹、电流轨迹、触头运动轨迹之间的非线性关系，并将结果作为电弧等效模型的参数，构建开关电弧动态模型；

电磁场-动力学-声学求解模块，基于电磁有限元、多体动力学和振动噪声的有限谱元法，通过基于电磁有限元软件建立的电磁场求解器和基于多体动力学软件建立的动力学求解器之间的实时数据交互接口，将接触器在吸合过程、吸持阶段和分断过程中的电磁场与接触器机构的运动过程、电磁场与接触器机构的机械振动在时域上进行耦合；对电磁机构进行柔性化处理，获取电磁机构吸持状态下的机械振动响应，建立动力学求解器和声学求解器之间的数据交换接口，对接触器吸持状态下振动噪声进行分析；

电磁场-温度场求解模块，基于电磁有限元和热传导，通过电磁场求解器获取所得的电阻损耗、涡流损耗和温度场求解器的热传导、热对流、热辐射方程之间的相互耦合，以及接触器在带负载吸持情况下电磁系统、线圈、触头系统、联动机构的温度场分布情况；