论文总字数：21587字

摘 要

电磁接触器早在20世纪50年代就出现了商用产品，至今已经历60多年的发展。其核心部件操动机构使用的技术直接体现了接触器的性能水平。永磁直流操动结构相对于传统的弹簧操动结构和电磁操动结构具有节能、无噪音、寿命长、性能好的特点。

本文首先对接触器的发展历程做了简单介绍，说明了现在市场上接触器的种类及其结构。然后着重分析了单稳态永磁直流接触器的结构并使用有限元软件Ansoft Maxwell 及其组件Maxwell Circuit Editor进行了动态仿真分析。分析过程中不断优化磁路结构，最终得出结论：要想获得较好的性能，就要首先看看结构在动作过程中有没有漏磁的问题，然后观察磁路并想办法减小磁路磁阻，同时应当注意减小磁阻的过程中不应增加漏磁。其次，针对因合闸末阶段动铁芯动量过大而损坏本体结构、引起剧烈弹跳的问题，本文结合提前关断的方法对驱动电路作了调整。

【关键词】：永磁直流接触器，操动机构，动态特性

ABSTRACT

Industrial use magnetic contactor can be traced back to as early as 1950s and it has been over 60 years of development since then. The implementation technology of the actuator, as the core part, essentially represents the development of magnetic contactor. Compared to spring and solenoid actuator, PM actuator has the merits of low power consuming, noise free, preferable longevity and premium performance.

This paper gives a brief introduction to the history of magnetic contactor and illustrates the categories of magnetic contactor existing in present market with an emphasis on monostable PM contactor. The dynamic simulation of a prototype PM actuator is given by using an FEM (Finite Element Method) software ANSOFT Maxwell. The structure of this prototype is then optimized by observing its magnetic circuit and several principles of design is given. The problem of strong hitting force due to the existence of PM is alleviated by adjusting the conduction time of close coils during making operation.

【Keywords】permanent magnet contactor, actuator, dynamic simulation

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 论文的主要内容 5

第2章 接触器种类及其结构 7

2.1 接触器概念 7

2.2 电磁接触器种类 8

2.3 永磁直流操动结构分析 9

第3章 永磁直流接触器模型结构和仿真分析 13

3.1 结构构建方法 13

3.2 搭建的原型结构 13

3.2.1 主体结构 13

3.2.2 电源电路方程 14

3.2.3 磁路分析 15

3.2.4 力学方程分析 16

3.2.5 原型磁路分析 16

3.3 修正的结构 17

3.4 优化结构 19

3.5 最终结构 21

第4章 合闸线圈电流控制 25

第5章 总结和展望 30

5.1 总结 30

5.2 展望 30

参考文献 33

致 谢 35

绪论

课题研究背景

在接触器领域，弹簧操动机构和电励磁型操动机构被广泛用于电力系统和工业控制。弹簧操动机构得益于其良好的速度特性和开闭性能在早期得到了广泛的应用，但是它机械结构复杂，零部件繁多（一般至少包含160个零件，而且例如螺丝等零件没有统一标准^[1]），维护成本高。接触器故障概率与其所包含的零件成正比，接触器故障绝大部分是机械故障。电磁操动机构零件数量只有弹簧操动机构的40%^[1]，于是电磁型操动机构很快因为经济、结构简单取代了弹簧操动机构。

图1.1.1 弹簧操动机构示例

但是，由于电磁型操动机构的线圈需要无时不刻都处于通电状态，长期运行的情况下有很多问题。具体而言主要有以下几点：

1. 线圈长期通电消耗电能
2. 若线圈电源电压不稳会造成触点振动，产生噪音，缩短寿命，对于交流供电的接触器这个问题尤为突出
3. 接触片振动会发生熔焊，若出现这个故障，只得更换接触片
4. 线圈由于长期通电容易烧毁或接触器内部温度高影响其他元气件从而大大降低接触器寿命

可以看到，如果能够想办法使接触器不动作时线圈不通电就能解决以上问题。现在广泛采用的方法就是使用永磁体来维持接触器无动作时的状态，从而达到线圈在不动作时不通电的目的，由于动作时间仅占少数，大大延长接触器寿命，节能99%以上。称这种接触器为永磁直流接触器，它的结构有许多种，本文将对单稳态永磁直流接触器操动机构的动态特性进行仿真分析。

国内外研究现状

电磁接触器早在20世纪50年代就出现了产品，至今已经历60多年的发展。以下以富士电机（原古河电器工业）产品历史为例介绍电磁接触器发展^[3]。富士电机1954年开发出了第一代RC系列电磁开闭器，它是未来接触器产品的原型。1960年以后，工业发展迈向自动化生产，提高接触器的开断闭合次数，也即延长其使用寿命，是当时的首要任务。富士电机由此开发了SRC系列产品，S代表“Super”之意，借由新的灭弧技术和触点材料、绝缘材料实现了开闭次数从50万次到100万次以上的提高。1978年使用了U形静铁芯和I形动铁芯结合双绕组结构的 SC系列产品控制铁芯直接驱动开闭接点，可适用于中、大容量设备控制同时保持较小的体积。1980年以后，由于机械设备需要长时间运转，亟需提高接触器的工作可靠性。富士电机于1984年开发了New SC系列产品，其特点是将PLC电路和接触器电源电路集成，解决了电压大幅变化时接触点振动和触点熔焊的问题同时改善了耗能。为保证辅助接点的可靠性开发了专门的辅助接点材质和形状。1988年随着FA（Factory Automation）和FMS（Flexible Manufacturing System）等高度自动化的概念提出，对接触器的机能和灵活性有更高的要求。为此，富士电机将接触器部件模块化，对铁芯、接触片、线圈等部件标准化生产，将各组件按应用需求进行开发，大大丰富了产品的种类。同时得益于永磁材料的迅猛发展，富士电机开始研发永磁直流接触器。2000年左右，随着欧盟的成立后的各方面深入整合以及JIS（日本工业标准）的国际化，市场全球化的时代来临。为此富士电机开发了符合国际标准的NEO SC系列产品以适应国际市场需求。同时为了应对地球环境恶化的问题采用了环保材料。此后，由于个人计算机的普及，对接触器电磁场、结构、振动耦合的动态分析成为可能，开发出了超小型、接触点弹跳小、低耗能高效率的SK系列产品。

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