基于VB.NET的交流接觸器電磁系統(tǒng)優(yōu)化設計

,，，

(福州大學機械工程及自動化學院，福建 福州 350002)

1 引言

電磁系統(tǒng)是交流接觸器的核心部件[1]，在接觸器的工作過程中，電磁系統(tǒng)負責將電磁能轉換為機械能，為運動部件提供動力來源，因此電磁系統(tǒng)也是交流接觸器的動力系統(tǒng)[2]。電磁系統(tǒng)的設計合理與否，是決定接觸器各項性能指標的關鍵。然而交流接觸器電磁系統(tǒng)的設計過程不是一個一蹴而就的過程，而是一種經驗設計的方法[3]，即在現(xiàn)有的成熟設計的參考下，結合電磁學的公式理論，并根據經驗判斷選定其設計所需要的各個參數。這種設計方法的準則是“合理，可行”，即要求設計結果與預期相符合且誤差在合理的范圍之內，便認為可以接受。但這樣的設計結果未必是所有符合設計要求的方案中最優(yōu)的選擇。因此可以利用計算機輔助工程技術，對電磁系統(tǒng)進行一系列的仿真分析，并根據一定的優(yōu)化準則(如靜態(tài)特性指標，經濟指標等)，對接觸器電磁系統(tǒng)的設計方案進行尋優(yōu)。

靜態(tài)特性是指電磁機構在穩(wěn)態(tài)條件下，即其動靜鐵心在各穩(wěn)定位置上，且不計電磁參量在動鐵心運動過程中的變化時，電磁吸力與氣隙值之間的關系。靜態(tài)特性在電器的設計分析中常被用于判斷電磁機構在一定激磁電流下能否可靠吸合，具有十分重要的意義。本文在ANSYS軟件中對接觸器雙E型電磁系統(tǒng)進行靜態(tài)仿真，并利用VB.NET結合APDL語言增強ANSYS軟件的前處理能力，建立方便的圖形化參數輸入界面，自動完成分析的全過程，同時借助MATLAB軟件和Access數據庫系統(tǒng)對靜態(tài)特性仿真結果進行處理和儲存。

2 接觸器雙E型電磁系統(tǒng)的靜態(tài)磁場分析

ANSYS軟件是一款十分優(yōu)秀的大型通用有限元商業(yè)軟件，可以通過有限元(FEM)的計算方法，結合麥克斯韋方程組，以標量磁位、矢量磁位或邊界通量為自由度，對接觸器電磁系統(tǒng)進行二維或三維的靜態(tài)、瞬態(tài)或諧波磁場分析，并計算導出其他相關物理量[4]。

本文應用標量位方法，在ANSYS中建立接觸器雙E型電磁系統(tǒng)的三維有限元模型如圖1所示(采用半對稱建模)，并利用DSP法對其進行求解，得到電磁系統(tǒng)磁感應強度分布情況如圖2所示。

圖1 雙E型電磁系統(tǒng)的有限元模型

圖2 雙E型電磁系統(tǒng)的磁感應強度分布圖

圖2的磁感應強度分布中，紅色的區(qū)域磁場最強，而藍色的區(qū)域磁場最弱。顯然，動靜鐵心構成磁通回路，而在空氣間隙中存在漏磁。在靜鐵心的中柱上磁場最強，側柱上較弱。

3 基于VB.NET的接觸器靜態(tài)特性仿真系統(tǒng)

求解接觸器的靜態(tài)特性需要計算一系列工作氣隙值下系統(tǒng)的吸力大小，如果使用GUI方式在ANSYS軟件中進行反復建模、計算，顯然是十分繁瑣且重復的一項工作，大大影響工作速度和分析效率。本文結合ANSYS提供的APDL語言(ANSYS Parametric Design Language,ANSYS參數化設計語言)[5]，在VB.NET環(huán)境下對ANSYS、MATLAB和Access軟件進行聯(lián)調，開發(fā)接觸器雙E型電磁系統(tǒng)靜態(tài)特性分析系統(tǒng)，大大提高建模和仿真的速率和效率，降低設計難度。

利用命令流參數化求解接觸器靜態(tài)特性的過程如圖3所示。

圖3 命令流方式的靜態(tài)特性求解過程

3.1 基于VB.NET語言的混合編程

Visual Basic.NET是基于微軟.NET Framework之上的面向對象的編程語言。在繼承了VB簡單易學、高效、可視化強等優(yōu)點的同時，增強了對面向對象的支持。

接觸器雙E型電磁系統(tǒng)靜態(tài)特性分析系統(tǒng)的邏輯示意圖如圖4所示，VB.NET提供可視化輸入、輸出界面，用戶無需關心具體程序的運行，只需在圖形界面中輸入設計參數，系統(tǒng)即可自動在后臺調用MATLAB等應用程序，并通過接口和文件完成參數傳遞，將結果直觀地顯示給用戶。

VB.NET通過shell函數調用ANSYS軟件[6]，具體的實現(xiàn)代碼可以參考shell函數的說明文件。而參數傳遞是通過文本方式進行的，VB.NET將輸入參數以一定的格式放置在指定的文本中，供ANSYS軟件讀入；ANSYS計算完成后，將計算結果參數化地輸出至指定的文本中，由VB.NET提取并顯示在用戶界面中供用戶查看。

圖4 系統(tǒng)的邏輯示意圖

MATLAB是一款強大的數據處理軟件，具有高效、快速的圖形繪制能力。MATLAB可以通過接口與多種語言混合編程，通過微軟的組建對象模型(Component Object Model，COM)完成外部程序、客戶端和服務端之間的通訊和數據共享，這些功能的實現(xiàn)所依賴的是MATLAB的應用程序接口(Application Program Interface，API)。通過VB.NET與MATLAB的聯(lián)調，既能提高數據的整體處理效率及穩(wěn)定程度，又能同時兼具簡便性和友好交互特性[7-8]。

.NET框架為應用程序提供了ADO.NET，用來實現(xiàn)對數據庫的連接。ADO.NET是一個全面、便捷、高效的數據庫訪問接口，深受用戶們的歡迎。ADO.NET主要通過OLE DB.NET實現(xiàn)對數據庫的訪問。SQL語言是數據庫操作的通用語言，應用十分廣泛。ADO.NET可以利用SQL語言操縱數據庫中的基本表和數據[9]。

3.2 程序的界面設計

如圖5所示是鐵心的設計和數據庫管理界面。

圖5 鐵心的設計和數據庫管理界面

用戶可以通過管理數據庫進行鐵心參數的添加、修改與刪除，并快速選取一組參數加入仿真設計。

線圈的設計與鐵心的設計類似。

如圖6所示是定義材料類型和網格劃分的界面。為了較好地模擬不同的材質在分析中體現(xiàn)的差異性，ANSYS提供了上百種的單元類型供用戶選擇。系統(tǒng)在數據庫中儲存了所有的單元類型供用戶選擇。

圖6 定義材料類型和網格劃分界面

如圖7所示是定義材料屬性的界面，主要是鐵磁材料的B-H曲線，用戶選取數據庫中的材料屬性，并通過MATLAB查看曲線圖。為方便輸入，程序提供文本方式增添一組B-H屬性值。

圖7 定義材料屬性界面

最后，進入如圖8所示的求解界面，系統(tǒng)根據輸入的設計參數生成相應的命令流文件。系統(tǒng)的求解有兩種方式：其一是根據用戶輸入的氣隙值進行單次求解，提取電磁系統(tǒng)的磁場強度分布圖和磁感應強度分布圖以及磁力值和磁鏈大小顯示在相應區(qū)域；二是自動循環(huán)設置氣隙值，進行靜態(tài)特性求解，并將結果分別以圖片和表格的方式顯示。

4 接觸器雙E型電磁系統(tǒng)的優(yōu)化設計

對接觸器的優(yōu)化設計，通常依據“體積最小”、“靜態(tài)吸力最大”、“總體價格最低”等準則進行。本文的優(yōu)化設計中，接觸器的工作電壓U(市電)、電磁機構的結構形式(雙E型)等已經選定，而線圈的填充系數Kx和導線材料比重γx、鐵心的材料比重γt和疊片系數Kt以及材料單位重量的價格Pt和Px等相關參數一般也已經事先確定，無法進行更改。因此對于雙E型智能交流接觸器的電磁系統(tǒng)的優(yōu)化設計，應從靜態(tài)吸力最大和總體積最小的準則入手。

圖8 求解界面

與靜態(tài)吸力和總體積有關的設計參數是鐵心和線圈的幾何尺寸。線圈的尺寸參數主要是線圈厚度L和高度H。鐵心的尺寸參數如圖9所示，有線圈安裝槽的高度A，寬度D、底部高度B、邊柱寬度C、中柱寬度的一半E和厚度的一半F。

圖9 鐵心的尺寸參數

若以系統(tǒng)的總體積V和靜態(tài)吸力FF為設計對象，以上述參數為設計變量，則可以表示為以下函數形式：

{FF，V}=f{A,B,C,D,E,F,L,H}

(1)

因此對接觸器雙E型電磁系統(tǒng)的優(yōu)化設計，等同于以FF最大，V最小為目標，對上式尋求最優(yōu)解。

初步設計的鐵心(樣機1)參數為：A=22,B=3,C=5,D=10,E=6,L=20,N=8(單位mm)。在這組參數下求得的電磁系統(tǒng)鐵心體積V=7320mm3。其靜態(tài)特性可以由表1所示的部分氣隙下吸力大小表示。

表1 樣機1的靜態(tài)吸力特性

4.1 鐵心的優(yōu)化設計

根據控制變量的原則，在探究鐵心參數對吸力和總體積的影響時，應保持線圈的參數不變。則式(1)可以轉換為：

FF=f1{A,B,C,D,E,F}

(2)

Vt=4×F×[(A+B)×(C+D+E)-A×D]

(3)

式(3)中，Vt是單個鐵心的體積。

以初始設計參數為基礎，以氣隙值qx=1mm為研究條件，每個參數取三組數值(減小、保持不變和增大)，生成新的樣機，導入ANSYS軟件中進行仿真分析，則總共有36=729組數據。對于如此大量的計算過程和計算量，計算機技術的快速發(fā)展大大加快了優(yōu)化分析的速度，節(jié)省了分析耗費的人力、物力、財力，為全局分析提供了便利。

借助VB.NET平臺，編寫程序自動對參數進行改變，并將每一組數據自動導入ANSYS軟件中計算并提取結果，如表2所示,高度方向的參數取1mm為步長，而長度和厚度方向的參數由于對稱性，取0.5mm為步長。

表2 參數取值表

為減少ANSYS的調用次數，系統(tǒng)先根據體積最小的優(yōu)化準則，對每一組的鐵心體積進行計算，若鐵心體積大于初步設計的7320，則舍棄該組數據，不將其導入ANSYS軟件中分析。對滿足體積最小準則的數據，提取其分析結果，根據靜態(tài)吸力最大的設計準則，若分析結果的靜態(tài)吸力小于初步設計的185.59N，則也舍棄該組數據。最終截取符合上述兩條設計準則的方案共29條，如圖10所示。利用EXCEL軟件的排序功能即可方便地對這29組結果進行尋優(yōu)。

(1)吸力最大

若以靜態(tài)吸力最大為目標，29組數據中，靜態(tài)吸力最大為197.47N，對應的鐵心參數為：A=21,B=3,C=5.5,D=9.5,E=6,F=6(單位mm)，體積V=77308。利用基于VB.NET的接觸器靜態(tài)特性仿真系統(tǒng)，將上述參數對應的鐵心模型(樣機2)導入ANSYS中分析，得出其靜態(tài)吸力特性如表3所示。對比表1和表3明顯可以看出，與初步設計的樣機對比，新樣機的靜態(tài)吸力有了一定的增加，而鐵心體積相差不多。

圖10 鐵心的尺寸參數

表3 樣機2的靜態(tài)吸力特性

(2)鐵心體積最小

若以鐵心體積最小為目標，在29組數據中，鐵心體積最小為V=6963，對應的鐵心參數為：A=21,B=3,C=5.5,D=9.5,E=6.5,F=5.5(單位mm)，靜態(tài)吸力為186.49N。利用基于VB.NET的接觸器靜態(tài)特性仿真系統(tǒng)，將上述參數對應的鐵心模型(樣機3)導入ANSYS中分析，得出其靜態(tài)吸力特性如表4所示。比較表1和表4，明顯地可以看出，與初步設計的樣機相對比，新樣機的鐵心體積有了一定的減小，而靜態(tài)吸力相差不大。

表4 樣機3的靜態(tài)吸力特性

(3)優(yōu)化結果分析

根據ANSYS分析結果中的磁場分布圖，可知鐵心在磁場中起到磁場傳導的作用。若減小鐵心的體積，則系統(tǒng)中的磁導體積減小，導磁能力下降，電磁吸力將有所下降；另外一方面，空氣間隙中的漏磁現(xiàn)象是導致磁場能量流失的主要原因。因此減小空氣間隙將有利于增大電磁吸力。

在鐵心的六個設計參數中,減小A的值一方面可以節(jié)省鐵心的體積，另一方面也大大減小了發(fā)生漏磁的空氣間隙，同時符合鐵心體積最小的準則和靜態(tài)吸力最大的準則。因此可以看到，在圖10中，符合要求的29條設計方案，無一不是將A的值從22mm減小至21mm。可以說線圈安裝槽的高度A是對鐵心優(yōu)化設計影響最大的參數。

4.2 線圈的優(yōu)化設計

在探究線圈參數對吸力和總體積的影響時，根據控制變量的原則，應保持鐵心的各項參數不變。線圈的參數主要是厚度L和高度H，在假設線圈的安匝數(CUR)不變的條件下，分別探究線圈高度和寬度的改變對電磁吸力的影響。

(1)線圈寬度對靜態(tài)吸力的影響

根據控制變量的原則，線圈的高度H不變，對線圈寬度L取三個數值L=7,8,9(單位：mm)，借助基于VB.NET的接觸器靜態(tài)特性仿真系統(tǒng)，分別求解其靜態(tài)特性，部分氣隙下的吸力數值如表5所示。

表5 不同線圈寬度下的靜態(tài)吸力表(單位：N)

從表5中可以看出，在鐵心各參數和線圈高度不變的情況下，隨著線圈寬度的增加，靜態(tài)吸力也變大，但增大的幅度并不大。

(2)線圈寬度H對靜態(tài)特性的影響

根據控制變量的原則，線圈的寬度L不變，對線圈高度H取三個數值H=19，20，21(單位：mm)，借助基于VB.NET的接觸器靜態(tài)特性仿真系統(tǒng)，分別求解其靜態(tài)特性，部分氣隙下的吸力數值如表6所示。

表6 不同線圈高度下的靜態(tài)吸力表(單位：N)

從表6中可以看出，在鐵心的各項尺寸參數以及線圈的寬度均不變的情況下，隨著線圈高度的增加，靜態(tài)吸力也變大，這與鐵心優(yōu)化中降低線圈安裝槽的高度A起到類似的作用。

5 結論

本文介紹了借助ANSYS軟件對接觸器雙E型電磁系統(tǒng)進行靜態(tài)磁場仿真分析的方法，并利用VB.NET環(huán)境聯(lián)調ANSYS、MATLAB、Access等軟件開發(fā)了接觸器靜態(tài)特性仿真系統(tǒng)。以此為基礎，研究鐵心和線圈尺寸參數的變化對接觸器靜態(tài)吸力特性的影響，并以“鐵心體積最小、靜態(tài)吸力最大”為準則對雙E型接觸器的電磁系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。結果表明，優(yōu)化的結果可以達到節(jié)省材料消耗、節(jié)約制造成本并改善靜態(tài)特性的目的。