基于ANSYS 對(duì)微型直流電磁繼電器電磁系統(tǒng)的分析-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯基于ANSYS對(duì)微型直流電磁繼電器電磁系統(tǒng)的分析-設(shè)計(jì)應(yīng)用摘要:基于有限元的分析方法，對(duì)某型號(hào)直流電磁繼電器的電磁系統(tǒng)進(jìn)行研究。首先，給出繼電器的機(jī)械反力特性曲線并繪制出電磁系統(tǒng)的3D模型。然后，利用ANSYS軟件對(duì)該繼電器的電磁系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)吸力特性仿真分析，得到靜態(tài)電磁吸力及磁場分布情況，繪制出繼電器的吸力特性曲線。，驗(yàn)證繼電器電磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理，為繼電器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有效的分析手段。

0引言

電磁繼電器主要由電磁系統(tǒng)和接觸系統(tǒng)組成。在設(shè)計(jì)電磁繼電器時(shí)，通常先算出繼電器的機(jī)械反力曲線，然后再計(jì)算出電磁系統(tǒng)的吸力特性曲線來驗(yàn)證繼電器的設(shè)計(jì)是否合理。

電磁系統(tǒng)吸力特性曲線的計(jì)算基本上有兩種不同的算法，一是用“路”的方法;另一是用“場”

的方法。傳統(tǒng)的計(jì)算方法主要采用“路”的方法，也就是利用阻抗網(wǎng)絡(luò)的方法進(jìn)行電磁系統(tǒng)的計(jì)算，這種算法首先得計(jì)算氣隙磁導(dǎo)，不僅計(jì)算方法十分復(fù)雜，而且計(jì)算結(jié)果也不是很準(zhǔn)確。近年來，隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，使得電磁系統(tǒng)電磁場的計(jì)算方法發(fā)生了很大的變化，可以運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法來更準(zhǔn)確地計(jì)算磁場和電磁吸力。即利用“場”的方法，將磁場的連續(xù)問題離散化，把計(jì)算無限多個(gè)點(diǎn)上的數(shù)值變?yōu)橛?jì)算在有限多個(gè)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)值，即有限元分析法。

本文利用ANSYS軟件對(duì)某型號(hào)微型密封直流電磁繼電器電磁系統(tǒng)進(jìn)行分析，繪制出吸力特性曲線來驗(yàn)證繼電器電磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理。

1機(jī)械反力曲線

某型號(hào)微型密封直流電磁繼電器機(jī)械反力特性曲線如圖1所示。圖中:δ為銜鐵行程的工作氣隙;Fm為機(jī)械反力;1點(diǎn)處為繼電器釋放狀態(tài);圖1某微型直流電磁繼電器的機(jī)械反力特性曲線2點(diǎn)處為常閉觸點(diǎn)準(zhǔn)備斷開的狀態(tài);3點(diǎn)處為常閉觸點(diǎn)剛斷開的狀態(tài);4點(diǎn)處為常開觸點(diǎn)剛接通的狀態(tài);5點(diǎn)處為繼電器吸合穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1某微型直流電磁繼電器的機(jī)械反力特性曲線

2有限元仿真分析

2.1建立模型

有限元分析的步是建立幾何模型。本文使用SolidWorks軟件繪制了三維模型，再導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行分析。導(dǎo)入前，首先應(yīng)對(duì)模型進(jìn)行修改，去掉不必要的圓角、倒角等，并簡化對(duì)計(jì)算無關(guān)的部分，待分析繼電器電磁系統(tǒng)模型如圖2所示。圖中:δ、δ1為工作氣隙;δ2為非工作氣隙。

圖2某型號(hào)繼電器電磁系統(tǒng)模型(mm)。

2.2建立激勵(lì)模型

對(duì)于繼電器電磁系統(tǒng)的電磁吸力仿真，采用的激勵(lì)載荷就是繼電器線圈，文中采用ANSYS的SOURCE36單元為線圈建立模型，建立線圈模型如圖3所示。

圖3增加線圈后的模型。

文中分析的繼電器在額定工作電壓27V時(shí)線圈電阻R=1560Ω，匝數(shù)=4200匝，分析時(shí)，分別取動(dòng)作電壓為10.8V，釋放電壓為2.5V。

2.3建立空氣模型、分配材料屬性

網(wǎng)格劃分前應(yīng)先建立空氣模型，給出磁場計(jì)算的空間范圍。然后再為幾何模型的各個(gè)部分設(shè)置材料屬性。軛鐵、銜鐵、鐵心材料為真空退火處理后的電工純鐵DT4E，材料B－H曲線如圖4所示;空氣、線圈相對(duì)導(dǎo)磁率為1。自定義B－H曲線時(shí)，應(yīng)注意在拐角處多取幾個(gè)點(diǎn)，否則會(huì)引起計(jì)算的不收斂。

圖4真空處理后電工純鐵DT4E的B－H圖形。

2.4網(wǎng)格劃分

賦予模型相應(yīng)的材料屬性后，接下來進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分是有限元前處理中的主要工作，也是整個(gè)有限元分析的關(guān)鍵。網(wǎng)絡(luò)劃分的質(zhì)量優(yōu)劣將對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。網(wǎng)格劃分時(shí)應(yīng)適當(dāng)控制其尺寸，保證劃分結(jié)果不會(huì)出現(xiàn)畸形單元也無需較長時(shí)間;網(wǎng)格劃分越細(xì)，計(jì)算的結(jié)果越接近實(shí)際值，但計(jì)算耗費(fèi)的時(shí)間則更長。

鐵心、軛鐵、銜鐵網(wǎng)格劃分后圖形如圖5所示，由于SOURCE36單元建立的線圈為虛擬電流源，因此不必進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖5軛鐵、銜鐵、鐵心網(wǎng)格劃分后圖像。

2.5加載約束

劃分網(wǎng)格之后要做的工作就是添加約束條件。電磁場問題求解中，有各種各樣的邊界條件，可概括:自然邊界條件、匹配邊界條件、狄利克萊邊界條件、對(duì)稱邊界條件和匹配邊界條件。該例中分析使用系統(tǒng)默認(rèn)的邊界條件，即磁力線平行邊界條件，選擇坐標(biāo)原點(diǎn)為約束條件。

要求解銜鐵上受到的電磁吸力，必須對(duì)銜鐵施加力標(biāo)志。加力標(biāo)志后的模型如圖6所示。

圖6銜鐵施加力標(biāo)志后的圖形。

3靜態(tài)吸力仿真分析

ANSYS的靜態(tài)磁場分析是在給定氣隙和電壓(電流)的情況下，分析得到電磁吸力和磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布。

利用求解分析模塊得到分析結(jié)果，在電壓U=10.8V，工作氣隙δ=0.03mm，非工作氣隙δ2=0.01mm時(shí)，銜鐵上受到Z方向的Mexwell力為0.53N。

圖7為電壓是10.8V，工作氣隙δ=δ1=0.03mm，非工作氣隙δ2=0.01mm時(shí)，仿真得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖，其磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖如圖8所示。在電磁系統(tǒng)中，通過軛鐵、鐵心、銜鐵和工作氣隙δ、δ1的磁通為主磁通，其他位置所通過的磁通均為漏磁通。從圖7、8可以看出，到繼電器各部分磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布情況，在鐵心與軛鐵鉚接處漏磁，隨著δ2的增大漏磁也逐漸增大，終導(dǎo)致電磁效率降低，電磁吸力減小。

圖7電磁系統(tǒng)磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖。

圖8工作氣隙為0.03mm時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的云圖

圖9繼電器的吸力特性曲線。

4繪制吸力特性曲線

將圖1的機(jī)械反力特性曲線用虛線標(biāo)繪在圖9中，同吸力特性曲線比較。當(dāng)釋放電壓為2.5V時(shí)，吸力曲線低于機(jī)械反力曲線，故銜鐵可以釋放;當(dāng)激勵(lì)電壓為10.8V時(shí)，吸力曲線高于機(jī)械反力曲線，繼電器可以動(dòng)作。

5仿真結(jié)果

應(yīng)用(1)實(shí)際工程應(yīng)用中，一般情況下只測量銜鐵閉合時(shí)的電磁吸力。從靜態(tài)吸力仿真的結(jié)果來看，銜鐵閉合時(shí)(電壓U=10.8V，工作氣隙δ=δ1=0.03mm，非工作氣隙δ2=0.01mm)上受到Z方向的Mexwell力為0.53N，與該型號(hào)繼電器實(shí)際測量0.5～0.6N的電磁吸力較為接近。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，若需要增減繼電器電磁系統(tǒng)電磁吸力時(shí)，可先更改電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，然后再仿真分析電磁吸力，得出更改后的結(jié)構(gòu)是否能滿足設(shè)計(jì)要求，從而減少不必要的摸底驗(yàn)證，降低設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)效率。

(2)實(shí)際工程應(yīng)用中，還可以根據(jù)圖9的電磁吸力特性曲線來調(diào)校繼電器機(jī)械和電氣參數(shù)。

若機(jī)械反力曲線明顯高于釋放電壓的吸力特性曲線，可以通過減小接觸系統(tǒng)復(fù)原力的方式來降低繼電器釋放電壓;若機(jī)械反力曲線明顯低于動(dòng)作電壓的吸力特性曲線，可以通過增加接觸系統(tǒng)復(fù)原力的方式來提高繼電器動(dòng)作電壓。

(3)根據(jù)仿真的結(jié)果還可以看出工作氣隙δ=0.03mm時(shí)，電磁系統(tǒng)的漏磁主要集中在鐵心與軛鐵的鉚裝部位，在工程應(yīng)用中，若想增加電磁系統(tǒng)的電磁效率，可利用