Dynamic modeling and optimal design of dynamic characteristics for contact bounce in electromagnetic relays

Electromagnetic relays, compared to semiconductor switches, have the advantage of low power consumption. They are widely employed as fundamental components in electrical, energy, marine, aerospace systems, and defense equipment to control signal transmission and manage energy exchange. They also serve as essential electronic components in electric vehicles and modern telemetry and communication devices. The contact system, functioning as the actual executing mechanism of electromagnetic relays for detecting, protecting, regulating, and controlling circuit signals, plays a crucial role in ensuring the safety and stability of the controlled system. The contact bounce observed during the operation of electromagnetic relays is an important reason for their failure, as it directly affects the safety and stability of the controlled system. To address the aforementioned challenges in the dynamic field of electromagnetic relays, it is crucial to understand the occurrence and operational mechanism of contact bounce in relays. This understanding helps avoid problems such as contact wear, overheating, and contact welding caused by contact bounces. This thesis focuses on researching dynamic modeling methods and optimization design approaches for the dynamic behaviors of contact bounce in electromagnetic relays. Depending on whether the elastic deformation of the contact system in electromagnetic relays is taken into account during the operation process, two analysis methods are proposed: the multi-rigid body contact bounce dynamic analysis method and the multi-flexible body system rigid-flexible coupled contact bounce characteristic analysis method. By solving the collision and contact dynamic responses at the moment of contact and armature movement, the causes and mechanisms of contact bounce in electromagnetic relays are elucidated. Through these studies, the optimization of the dynamic characteristics of electromagnetic relays is accomplished, reducing contact bounce phenomena, enhancing contact quality, and improving the reliability of electromagnetic relays. The specific research content includes the following four aspects: Firstly, a comprehensive electromechanical-electromagnetic-thermal coupled analysis method for simulating the dynamic characteristics of contact bounce in electromagnetic relays is proposed. Considering the influences of coil heating and system temperature rise on the dynamic characteristics, a multi-physics coupled digital model of relay contact bounce is established. This digital model enables the dynamic response analysis of moving contacts and armatures under the coupling effect of electromechanical-electromagnetic-thermal fields. The effects of temperature parameters on the coil current, dynamic properties of moving contacts, and armature are clarified. A simulation and testing apparatus for simulating contact bounce in electromagnetic relays, controlled by LabVIEW, is designed to validate the effectiveness of the mechanical system dynamic model, the finite element model of the mechanical system driving force, and the finite element model of the thermal field. The correctness of the analysis results is also verified through this apparatus. Furthermore, based on the typical contact and structural design of solenoid electromagnetic relays, it is assumed that the contact structure does not undergo elastic deformation during motion. Based on multibody dynamics theory, a piecewise contact and collision dynamic analysis method is proposed for the multi-rigid body structure of electromagnetic relays. By establishing piecewise contact single-degree-of-freedom and multi-degree-of-freedom motion equations for the relay contact system under load, dynamic response analyses of electromagnetic relays before and after contact in both dynamic and static contacts are achieved. The effectiveness of the proposed piecewise contact dynamic analysis method is verified by comparing it with experimental data. The influence patterns of structural parameters, load circuit parameters, and electromagnetic parameters on the dynamic characteristics of solenoid electromagnetic relays are clarified. Subsequently, considering the large displacement and elastic deformation effects of the contact system spring in the motion process, a rigid-flexible coupled contact bounce dynamics analysis method is proposed for electromagnetic relays in a multi-flexible body system. Taking into account the influence of the load current, the motion differential equations for the multi-spring contact system of relays are established based on the Euler-Bernoulli beam theory and Galerkin’s method. This method allows for the dynamic response solution of the moving spring at different stages, including before collision, during the collision process, and after collision. Based on the theory of continuum mechanics, a rigid-flexible coupled numerical model of miniature electromagnetic relays is established to simulate the motion, contact, and collision processes of the moving springs. The practicality and effectiveness of the proposed method are validated by comparing the theoretical calculations, numerical results, and experimental test data. The influences of spring structural parameters, spring material properties, push rod structural parameters, and contact force on the dynamic characteristics of the spring in electromagnetic relays are elucidated. Finally, a dynamic characteristic optimization design method for electromagnetic relays based on a nonlinear contact bounce model is proposed. Considering the engineering design requirements of relays, a constrained multi-objective differential evolution algorithm with an adaptive factor is designed to iteratively converge to the optimized solution of its dynamic characteristics. Addressing the influence of uncertainties in manufacturing and production processes on the design parameters of relay products, clear criteria for parameter screening and reliability evaluation of relay contact bounce robustness design are established based on Monte Carlo simulation. Using the proposed parameter optimization method, the dynamic characteristic of electromagnetic relays is optimized within the design parameters and allowable manufacturing tolerances. This results in obtaining a robust design parameters combination for electromagnetic relays and achieving a simultaneous optimization of relay closure efficiency and contact bounce.

I relè elettromagnetici, rispetto agli interruttori a semiconduttore, vantano il consumo energetico ridotto. Sono ampiamente impiegati come componenti fondamentali in sistemi elettrici, energetici, marini, aerospaziali ed apparecchiature per la difesa per il controllo della trasmissione del segnale e la gestione dello scambio di energia. Sono inoltre componenti elettronici essenziali nelle vetture elettriche e nei moderni dispositivi di telemetria e comunicazione. Il sistema di contatto, che funge da meccanismo effettivo di esecuzione dei relè elettromagnetici per rilevare, proteggere, regolare e controllare i segnali del circuito, svolge un ruolo cruciale nel garantire la sicurezza e la stabilità del sistema controllato. Il rimbalzo dei contatti osservato durante il funzionamento dei relè elettromagnetici rappresenta una delle principali cause di guasto, poiché influisce direttamente sulla sicurezza e la stabilità del sistema controllato. Per affrontare le sfide precedentemente menzionate nel campo dinamico dei relè elettromagnetici, è fondamentale comprendere l'insorgenza e il meccanismo operativo del rimbalzo dei contatti nei relè. Questa comprensione aiuta a evitare problemi come l'usura dei contatti, il surriscaldamento e la saldatura dei contatti causati dal rimbalzo dei contatti. Questa tesi si concentra sulla ricerca di metodi di modellazione dinamica e approcci di progettazione ottimizzata per i comportamenti dinamici del rimbalzo dei contatti nei relè elettromagnetici. A seconda che si tenga conto o meno della deformazione elastica del sistema di contatto durante il processo di funzionamento dei relè elettromagnetici, vengono proposti due metodi di analisi: il metodo di analisi dinamica del rimbalzo dei contatti a corpo rigido multiplo e il metodo di analisi caratteristica del rimbalzo dei contatti accoppiato rigido-flessibile del sistema a corpo flessibile multiplo. Risolvendo le risposte dinamiche delle collisioni e dei contatti nel momento del contatto e del movimento dell'armatura, vengono chiarite le cause e i meccanismi del rimbalzo dei contatti nei relè elettromagnetici. Attraverso questi studi, viene realizzata l'ottimizzazione delle caratteristiche dinamiche dei relè elettromagnetici, riducendo i fenomeni di rimbalzo dei contatti, migliorando la qualità del contatto e aumentando l'affidabilità dei relè elettromagnetici. I contenuti specifici della ricerca includono i seguenti quattro aspetti: Innanzitutto, viene proposto un metodo di analisi accoppiata elettromeccanico-elettromagnetico-termico per simulare le caratteristiche dinamiche del rimbalzo dei contatti nei relè elettromagnetici. Considerando l'influenza del riscaldamento della bobina e dell'aumento della temperatura del sistema sulle caratteristiche dinamiche, viene stabilito un modello digitale accoppiato multiphysics del rimbalzo dei contatti del relè. Questo modello digitale consente l'analisi delle risposte dinamiche dei contatti mobili e delle armature sotto l'effetto di accoppiamento dei campi elettromeccanici-elettromagnetici-termici. Vengono chiariti gli effetti dei parametri di temperatura sulla corrente della bobina, sulle proprietà dinamiche dei contatti mobili e sull'armatura. Viene progettato un apparato di simulazione e test per simulare il rimbalzo dei contatti nei relè elettromagnetici, controllato da LabVIEW, al fine di convalidare l'efficacia del modello dinamico del sistema meccanico, del modello agli elementi finiti della forza di guida del sistema meccanico e del modello agli elementi finiti del campo termico. La correttezza dei risultati dell'analisi viene anche verificata attraverso questo apparato. Inoltre, basandosi sul tipico design dei contatti e sulla struttura dei relè elettromagnetici a solenoide, si assume che la struttura dei contatti non subisca deformazioni elastiche durante il movimento. Sulla base della teoria della dinamica dei sistemi a corpo rigido, viene proposto un metodo di analisi dinamica del contatto e della collisione a tratti per la struttura a corpo rigido multipla dei relè elettromagnetici. Attraverso l'instaurazione di equazioni di moto a tratti a singolo grado di libertà e a multipli gradi di libertà per il sistema di contatti dei relè sotto carico, vengono effettuate analisi di risposta dinamica dei relè elettromagnetici prima e dopo il contatto, sia in situazioni di contatto dinamico che statico. L'efficacia del metodo proposto di analisi dinamica a tratti del contatto viene verificata attraverso il confronto con dati sperimentali. Vengono chiariti i modelli di influenza dei parametri strutturali, dei parametri del circuito di carico e dei parametri elettromagnetici sulle caratteristiche dinamiche dei relè elettromagnetici a solenoide. Successivamente, considerando gli effetti di grandi spostamenti e deformazioni elastiche della molla del sistema di contatto durante il processo di movimento, viene proposto un metodo di analisi dinamica del rimbalzo dei contatti accoppiato rigido-flessibile per i relè elettromagnetici in un sistema a corpo flessibile multiplo. Tenendo conto dell'influenza della corrente di carico, vengono stabilite le equazioni differenziali di moto per il sistema di contatto a molle multiple dei relè sulla base della teoria delle travi di Euler-Bernoulli e del metodo di Galerkin. Questo metodo consente la soluzione della risposta dinamica della molla mobile in diverse fasi, incluse la fase prima della collisione, durante il processo di collisione e dopo la collisione. Sulla base della teoria della meccanica dei continui, viene stabilito un modello numerico accoppiato rigido-flessibile dei relè elettromagnetici in miniatura per simulare i processi di movimento, contatto e collisione delle molle mobili. La praticità e l'efficacia del metodo proposto vengono convalidate mediante il confronto tra i calcoli teorici, i risultati numerici e i dati di test sperimentali. Vengono chiarite le influenze dei parametri strutturali delle molle, delle proprietà dei materiali delle molle, dei parametri strutturali del tirante e della forza di contatto sulle caratteristiche dinamiche delle molle nei relè elettromagnetici. Infine, viene proposto un metodo di progettazione ottimizzata delle caratteristiche dinamiche per i relè elettromagnetici, basato su un modello non lineare di rimbalzo dei contatti. Tenendo conto delle esigenze di progettazione ingegneristica dei relè, viene sviluppato un algoritmo di evoluzione differenziale multimodulo vincolato con un fattore adattivo per convergere iterativamente alla soluzione ottimizzata delle sue caratteristiche dinamiche. Affrontando l'influenza delle incertezze nei processi di produzione e fabbricazione sui parametri di progettazione dei prodotti dei relè, vengono stabilite chiare criteri per la selezione dei parametri e la valutazione dell'affidabilità della robustezza del rimbalzo dei contatti dei relè, basate sulla simulazione di Monte Carlo. Utilizzando il metodo proposto di ottimizzazione dei parametri, viene ottimizzata la caratteristica dinamica dei relè elettromagnetici all'interno dei parametri di progettazione e delle tolleranze di fabbricazione ammissibili. Ciò porta all'ottenimento di una combinazione di parametri di progettazione robusti per i relè elettromagnetici e al raggiungimento di una simultanea ottimizzazione dell'efficienza di chiusura del relè e del rimbalzo dei contatti.