基于VB.NET的交流接触器电磁系统优化设计

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(福州大学机械工程及自动化学院，福建 福州 350002)

1 引言

电磁系统是交流接触器的核心部件[1]，在接触器的工作过程中，电磁系统负责将电磁能转换为机械能，为运动部件提供动力来源，因此电磁系统也是交流接触器的动力系统[2]。电磁系统的设计合理与否，是决定接触器各项性能指标的关键。然而交流接触器电磁系统的设计过程不是一个一蹴而就的过程，而是一种经验设计的方法[3]，即在现有的成熟设计的参考下，结合电磁学的公式理论，并根据经验判断选定其设计所需要的各个参数。这种设计方法的准则是“合理，可行”，即要求设计结果与预期相符合且误差在合理的范围之内，便认为可以接受。但这样的设计结果未必是所有符合设计要求的方案中最优的选择。因此可以利用计算机辅助工程技术，对电磁系统进行一系列的仿真分析，并根据一定的优化准则(如静态特性指标，经济指标等)，对接触器电磁系统的设计方案进行寻优。

静态特性是指电磁机构在稳态条件下，即其动静铁心在各稳定位置上，且不计电磁参量在动铁心运动过程中的变化时，电磁吸力与气隙值之间的关系。静态特性在电器的设计分析中常被用于判断电磁机构在一定激磁电流下能否可靠吸合，具有十分重要的意义。本文在ANSYS软件中对接触器双E型电磁系统进行静态仿真，并利用VB.NET结合APDL语言增强ANSYS软件的前处理能力，建立方便的图形化参数输入界面，自动完成分析的全过程，同时借助MATLAB软件和Access数据库系统对静态特性仿真结果进行处理和储存。

2 接触器双E型电磁系统的静态磁场分析

ANSYS软件是一款十分优秀的大型通用有限元商业软件，可以通过有限元(FEM)的计算方法，结合麦克斯韦方程组，以标量磁位、矢量磁位或边界通量为自由度，对接触器电磁系统进行二维或三维的静态、瞬态或谐波磁场分析，并计算导出其他相关物理量[4]。

本文应用标量位方法，在ANSYS中建立接触器双E型电磁系统的三维有限元模型如图1所示(采用半对称建模)，并利用DSP法对其进行求解，得到电磁系统磁感应强度分布情况如图2所示。

图1 双E型电磁系统的有限元模型

图2 双E型电磁系统的磁感应强度分布图

图2的磁感应强度分布中，红色的区域磁场最强，而蓝色的区域磁场最弱。显然，动静铁心构成磁通回路，而在空气间隙中存在漏磁。在静铁心的中柱上磁场最强，侧柱上较弱。

3 基于VB.NET的接触器静态特性仿真系统

求解接触器的静态特性需要计算一系列工作气隙值下系统的吸力大小，如果使用GUI方式在ANSYS软件中进行反复建模、计算，显然是十分繁琐且重复的一项工作，大大影响工作速度和分析效率。本文结合ANSYS提供的APDL语言(ANSYS Parametric Design Language,ANSYS参数化设计语言)[5]，在VB.NET环境下对ANSYS、MATLAB和Access软件进行联调，开发接触器双E型电磁系统静态特性分析系统，大大提高建模和仿真的速率和效率，降低设计难度。

利用命令流参数化求解接触器静态特性的过程如图3所示。

图3 命令流方式的静态特性求解过程

3.1 基于VB.NET语言的混合编程

Visual Basic.NET是基于微软.NET Framework之上的面向对象的编程语言。在继承了VB简单易学、高效、可视化强等优点的同时，增强了对面向对象的支持。

接触器双E型电磁系统静态特性分析系统的逻辑示意图如图4所示，VB.NET提供可视化输入、输出界面，用户无需关心具体程序的运行，只需在图形界面中输入设计参数，系统即可自动在后台调用MATLAB等应用程序，并通过接口和文件完成参数传递，将结果直观地显示给用户。

VB.NET通过shell函数调用ANSYS软件[6]，具体的实现代码可以参考shell函数的说明文件。而参数传递是通过文本方式进行的，VB.NET将输入参数以一定的格式放置在指定的文本中，供ANSYS软件读入；ANSYS计算完成后，将计算结果参数化地输出至指定的文本中，由VB.NET提取并显示在用户界面中供用户查看。

图4 系统的逻辑示意图

MATLAB是一款强大的数据处理软件，具有高效、快速的图形绘制能力。MATLAB可以通过接口与多种语言混合编程，通过微软的组建对象模型(Component Object Model，COM)完成外部程序、客户端和服务端之间的通讯和数据共享，这些功能的实现所依赖的是MATLAB的应用程序接口(Application Program Interface，API)。通过VB.NET与MATLAB的联调，既能提高数据的整体处理效率及稳定程度，又能同时兼具简便性和友好交互特性[7-8]。

.NET框架为应用程序提供了ADO.NET，用来实现对数据库的连接。ADO.NET是一个全面、便捷、高效的数据库访问接口，深受用户们的欢迎。ADO.NET主要通过OLE DB.NET实现对数据库的访问。SQL语言是数据库操作的通用语言，应用十分广泛。ADO.NET可以利用SQL语言操纵数据库中的基本表和数据[9]。

3.2 程序的界面设计

如图5所示是铁心的设计和数据库管理界面。

图5 铁心的设计和数据库管理界面

用户可以通过管理数据库进行铁心参数的添加、修改与删除，并快速选取一组参数加入仿真设计。

线圈的设计与铁心的设计类似。

如图6所示是定义材料类型和网格划分的界面。为了较好地模拟不同的材质在分析中体现的差异性，ANSYS提供了上百种的单元类型供用户选择。系统在数据库中储存了所有的单元类型供用户选择。

图6 定义材料类型和网格划分界面

如图7所示是定义材料属性的界面，主要是铁磁材料的B-H曲线，用户选取数据库中的材料属性，并通过MATLAB查看曲线图。为方便输入，程序提供文本方式增添一组B-H属性值。

图7 定义材料属性界面

最后，进入如图8所示的求解界面，系统根据输入的设计参数生成相应的命令流文件。系统的求解有两种方式：其一是根据用户输入的气隙值进行单次求解，提取电磁系统的磁场强度分布图和磁感应强度分布图以及磁力值和磁链大小显示在相应区域；二是自动循环设置气隙值，进行静态特性求解，并将结果分别以图片和表格的方式显示。

4 接触器双E型电磁系统的优化设计

对接触器的优化设计，通常依据“体积最小”、“静态吸力最大”、“总体价格最低”等准则进行。本文的优化设计中，接触器的工作电压U(市电)、电磁机构的结构形式(双E型)等已经选定，而线圈的填充系数Kx和导线材料比重γx、铁心的材料比重γt和叠片系数Kt以及材料单位重量的价格Pt和Px等相关参数一般也已经事先确定，无法进行更改。因此对于双E型智能交流接触器的电磁系统的优化设计，应从静态吸力最大和总体积最小的准则入手。

图8 求解界面

与静态吸力和总体积有关的设计参数是铁心和线圈的几何尺寸。线圈的尺寸参数主要是线圈厚度L和高度H。铁心的尺寸参数如图9所示，有线圈安装槽的高度A，宽度D、底部高度B、边柱宽度C、中柱宽度的一半E和厚度的一半F。

图9 铁心的尺寸参数

若以系统的总体积V和静态吸力FF为设计对象，以上述参数为设计变量，则可以表示为以下函数形式：

{FF，V}=f{A,B,C,D,E,F,L,H}

(1)

因此对接触器双E型电磁系统的优化设计，等同于以FF最大，V最小为目标，对上式寻求最优解。

初步设计的铁心(样机1)参数为：A=22,B=3,C=5,D=10,E=6,L=20,N=8(单位mm)。在这组参数下求得的电磁系统铁心体积V=7320mm3。其静态特性可以由表1所示的部分气隙下吸力大小表示。

表1 样机1的静态吸力特性

4.1 铁心的优化设计

根据控制变量的原则，在探究铁心参数对吸力和总体积的影响时，应保持线圈的参数不变。则式(1)可以转换为：

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

(2)

Vt=4×F×[(A+B)×(C+D+E)-A×D]

(3)

式(3)中，Vt是单个铁心的体积。

以初始设计参数为基础，以气隙值qx=1mm为研究条件，每个参数取三组数值(减小、保持不变和增大)，生成新的样机，导入ANSYS软件中进行仿真分析，则总共有36=729组数据。对于如此大量的计算过程和计算量，计算机技术的快速发展大大加快了优化分析的速度，节省了分析耗费的人力、物力、财力，为全局分析提供了便利。

借助VB.NET平台，编写程序自动对参数进行改变，并将每一组数据自动导入ANSYS软件中计算并提取结果，如表2所示,高度方向的参数取1mm为步长，而长度和厚度方向的参数由于对称性，取0.5mm为步长。

表2 参数取值表

为减少ANSYS的调用次数，系统先根据体积最小的优化准则，对每一组的铁心体积进行计算，若铁心体积大于初步设计的7320，则舍弃该组数据，不将其导入ANSYS软件中分析。对满足体积最小准则的数据，提取其分析结果，根据静态吸力最大的设计准则，若分析结果的静态吸力小于初步设计的185.59N，则也舍弃该组数据。最终截取符合上述两条设计准则的方案共29条，如图10所示。利用EXCEL软件的排序功能即可方便地对这29组结果进行寻优。

(1)吸力最大

若以静态吸力最大为目标，29组数据中，静态吸力最大为197.47N，对应的铁心参数为：A=21,B=3,C=5.5,D=9.5,E=6,F=6(单位mm)，体积V=77308。利用基于VB.NET的接触器静态特性仿真系统，将上述参数对应的铁心模型(样机2)导入ANSYS中分析，得出其静态吸力特性如表3所示。对比表1和表3明显可以看出，与初步设计的样机对比，新样机的静态吸力有了一定的增加，而铁心体积相差不多。

图10 铁心的尺寸参数

表3 样机2的静态吸力特性

(2)铁心体积最小

若以铁心体积最小为目标，在29组数据中，铁心体积最小为V=6963，对应的铁心参数为：A=21,B=3,C=5.5,D=9.5,E=6.5,F=5.5(单位mm)，静态吸力为186.49N。利用基于VB.NET的接触器静态特性仿真系统，将上述参数对应的铁心模型(样机3)导入ANSYS中分析，得出其静态吸力特性如表4所示。比较表1和表4，明显地可以看出，与初步设计的样机相对比，新样机的铁心体积有了一定的减小，而静态吸力相差不大。

表4 样机3的静态吸力特性

(3)优化结果分析

根据ANSYS分析结果中的磁场分布图，可知铁心在磁场中起到磁场传导的作用。若减小铁心的体积，则系统中的磁导体积减小，导磁能力下降，电磁吸力将有所下降；另外一方面，空气间隙中的漏磁现象是导致磁场能量流失的主要原因。因此减小空气间隙将有利于增大电磁吸力。

在铁心的六个设计参数中,减小A的值一方面可以节省铁心的体积，另一方面也大大减小了发生漏磁的空气间隙，同时符合铁心体积最小的准则和静态吸力最大的准则。因此可以看到，在图10中，符合要求的29条设计方案，无一不是将A的值从22mm减小至21mm。可以说线圈安装槽的高度A是对铁心优化设计影响最大的参数。

4.2 线圈的优化设计

在探究线圈参数对吸力和总体积的影响时，根据控制变量的原则，应保持铁心的各项参数不变。线圈的参数主要是厚度L和高度H，在假设线圈的安匝数(CUR)不变的条件下，分别探究线圈高度和宽度的改变对电磁吸力的影响。

(1)线圈宽度对静态吸力的影响

根据控制变量的原则，线圈的高度H不变，对线圈宽度L取三个数值L=7,8,9(单位：mm)，借助基于VB.NET的接触器静态特性仿真系统，分别求解其静态特性，部分气隙下的吸力数值如表5所示。

表5 不同线圈宽度下的静态吸力表(单位：N)

从表5中可以看出，在铁心各参数和线圈高度不变的情况下，随着线圈宽度的增加，静态吸力也变大，但增大的幅度并不大。

(2)线圈宽度H对静态特性的影响

根据控制变量的原则，线圈的宽度L不变，对线圈高度H取三个数值H=19，20，21(单位：mm)，借助基于VB.NET的接触器静态特性仿真系统，分别求解其静态特性，部分气隙下的吸力数值如表6所示。

表6 不同线圈高度下的静态吸力表(单位：N)

从表6中可以看出，在铁心的各项尺寸参数以及线圈的宽度均不变的情况下，随着线圈高度的增加，静态吸力也变大，这与铁心优化中降低线圈安装槽的高度A起到类似的作用。

5 结论

本文介绍了借助ANSYS软件对接触器双E型电磁系统进行静态磁场仿真分析的方法，并利用VB.NET环境联调ANSYS、MATLAB、Access等软件开发了接触器静态特性仿真系统。以此为基础，研究铁心和线圈尺寸参数的变化对接触器静态吸力特性的影响，并以“铁心体积最小、静态吸力最大”为准则对双E型接触器的电磁系统进行优化设计。结果表明，优化的结果可以达到节省材料消耗、节约制造成本并改善静态特性的目的。