赵忠英?施洋

摘 要：本文在采用智能优化算法进行交流接触器的动态优化设计的基础上，提出并实现了交流接触器智能化的关键技术。交流接触器智能化的关键技术研究包括智能优化设计、自适应控制并实现稳定可靠的零电流分断和故障自检等技术的研究。

关键词：交流接触器；动态响应；模糊综合评判

目前在分析与设计低压电器及其智能化产品时，仍然主要采用低压电器传统理论进行必要的理论推导。因此，产品设计与实际性能存在较大差异，需要反复修改和试验，导致开发周期长、资金与人力投入大。这是电器设计的现状、难点与瓶颈。随着配电自动化程度的不断提高，亟待开发能快速、准确测试电器动态特性，实现动态过程实时控制，并能对测量数据智能化处理的测试装置。本文介绍了智能交流接触器动态测试装置，利用该装置对智能交流接触器的机构运动形态进行测试，结果显示智能交流接触器全过程动态优化设计技术的研究是智能电器设计的有效手段，是智能化电器虚拟动态优化设计的最新研究方向。

1.交流接触器概述

交流接触器是一种量大面广电磁式电器，其工作原理是将电磁能转换成为机械能，从而带动执行部分触头动作。电磁系统是交流接触器的心脏，电磁系统的好坏直接影响接触器的机械寿命、电寿命与成本。目前，交流接触器的电磁系统正在向节能、节材、提高寿命和可靠性方向发展。为了提高上述指标，电器工作者在结构设计、仿真计算、制造工艺、动态测试等方面做了丈量的研究工作。目前，交流接触器的电磁系统的铁心均为平极面。虽然该种电磁系统的结构简单，易于加工，但其未充分利用铜铁用材量，经济性能差，而且动态吸力特性还可迸一步改进、提高。尽管交流接触器改变铁心极面形状的方案早已提出，但始终未对这种方案进行耀人的分析研究。更没有对其进行高性价比的智能动态优化设计。本文通过优化计算可以实现大幅减小铁心和线圈而达到节材、缩小接触器的体积、提高接触器的寿命和工作可靠性的目的，从而大幅提高其经济与技术指标。

2.动态特性计算模块分析

动态特性计算模块方便用户计算现有样机的吸合时间、运动速度、吸反力配合等动态特性，或改变部分参数查看计算结果是否满足设计要求.以某种额定电压为220V的交流接触器为例，仿真、比较其电磁机构的动态特性。额定电压下，不同合闸相角时吸合过程动态特性在同一电压、不同合闸相角下衔铁吸合时间、末速度、峰值电流均不相同.末速度反映了铁心撞击能量，在吸合时间满足要求的前提下，可通过寻找最佳合闸相角或改变相应参数减小铁心末速度，以提高交流接触器的使用寿命，该接触器在900时撞击能量较小。额定电压下，当交流接触器处于吸持阶段时，即工作在稳定运行状态，主要关心产生的噪声、吸持功耗及线圈绕组温升等问题。在该阶段，各变量呈周期性变化，与合闸相角无关。此次研究对象在额定电压下，吸持阶段最小吸力为10.57N，反力为6.89N，能够保证接触器稳定运行时不会产生振动噪声。可以由吸持阶段电流有效值计算吸持功耗，并结合牛顿公式估算线圈稳定工作时的温升，作为接触器优化设计时的约束条件。

3.斜极面交流接触器优化计算

斜极面交流接触器在打开位置，线圈激磁电流相同时其静态吸力远高于平极面的静态吸力，显然采用斜板面将有很大技术经济方面的潜力。困此本文对其电磁系统进行优化设计，从而充分利用该空间以提高其技术经济指标。

3.1优化计算

由于人工鱼群算法对初值要求不高，根据约束条件和技术要求随机产生50条人工鱼群，同时设定迭代次数；各组人工鱼利用聚集行为和追尾行为进行寻优计算，当连续出现3次最优值没变化或变化很小，则进行遗传算法的选择、交叉、变异操作，防止出现局部最优值。这样既可以提高收敛速度又能保证全局搜索能力，铁心厚度减少了一半，这样可以节约硅钢片50%，另外线圈的线径也减小了43%左右，由于铁心厚度减小了，线圈的平均匝长也减小了，这样可以节约铜达70%以上。

3.2优化算法

遗传算法（genetic algorithm，GA）是Holland教授首先提出来的一类仿生型进化算法。GA通过将当前群体中具有较高适应度的个体遗传给下一代，并且不断淘汰适应度低的个体，从而寻找出适应度最大的个体。其优点是：具有大范围全局搜索的能力，与问题领域无关；搜索从群体出发，具有潜在的并行性；可进行多值比较，鲁棒性强；搜索使用评价函数启发，过程简单；使用概率机制进行迭代，具有随机性，可扩展性，容易与其它算法结合。但是GA算法对于系统中的反馈信息利用不够。人工鱼群算法（artificial fish 8waFIn algorithm，AFSA）是模拟鱼群行为的一种基于动物自治体的优化方法，是集群智能思想的一个具体应用。它能很好地解决函数优化等问题。它的主要特点是：只需要比较目标函数值，对目标函数的性质要求不高；对初值的要求不高；对参数设定的要求不高；具备并行处理的能力，寻优速度较快；算法具备全局寻优的能力。虽然该算法优点较多，但也存在明显的不足，主要表现：当寻优的域较大或处于变化平坦的区域时，收敛于全局的最优解速度减慢、搜索性能劣化；算法一般在优化初期具有较快的收敛性，后期却收敛较慢。本文吸取遗传算法和人工鱼群算法的优点，将遗传算法和人工鱼群算法有机结合应用于斜极面交流接触器的电磁系统优化计算中。

4.结束语

以ANSYS有限元软件为基础，采用基于遗传算法的人工鱼群优化算法对斜极面交流接触器进行动态优化计算，优化结果表明，斜极面交流接触器电磁系统与平极面交流接触器电磁系统相比，可以大幅度节材，其中硅钢片节约50%，铜材节约达70%以上。而且吸合过程铁心撞击时末速度与单位面积撞击能量比平极面交流接触器低，分断速度比平极面交流接触器高。因此，一定斜角的斜极面电磁系统具有很高的技术经济指标，在解决其加工工艺后将是一种很好的选择，可应用于各种交流电磁铁、交流接触器等产品。

参考文献：

[1]孙志强.交流接触器动态过程及触头弹跳的数值分析[J].企业文化，2014

[2]王小华.永磁式接触器动触头动作特性仿真分析[J].中国电机工程学报，2014