基于Maxwell 的繼電器電磁激勵(lì)力的研究

黃 宇

（沈陽(yáng)特種設(shè)備檢測(cè)研究院， 遼寧 沈陽(yáng) 110035）

0 引言

電磁系統(tǒng)是直流接觸器的動(dòng)力來(lái)源， 纏繞在鐵芯上的線圈通過(guò)電流產(chǎn)生電磁場(chǎng)，磁力線通過(guò)鐵芯、空氣氣隙和動(dòng)鐵芯形成磁回路，對(duì)動(dòng)鐵芯產(chǎn)生磁力的吸引作用，使動(dòng)鐵芯與鐵芯閉合， 同時(shí)動(dòng)鐵芯帶動(dòng)直流接觸器觸頭系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，完成動(dòng)、靜觸頭的閉合。在觸頭分?jǐn)噙^(guò)程中，電磁線圈斷電，磁力線、磁回路和電磁吸力消失，動(dòng)鐵芯在彈簧反力的作用下與鐵芯分離， 同時(shí)動(dòng)鐵芯帶動(dòng)直流接觸器觸頭系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，完成動(dòng)、靜觸頭的分?jǐn)唷?直流接觸器電磁系統(tǒng)的產(chǎn)生的電磁激勵(lì)力，與繼電器的使用壽命、分?jǐn)嗨俣群驼駝?dòng)特性等性能息息相關(guān)。 對(duì)直流接觸器振動(dòng)特性進(jìn)行研究應(yīng)先對(duì)繼電器的電磁系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 高壓直流電磁繼電器電磁激勵(lì)研究

1.1 建立電磁系統(tǒng)的模型

運(yùn)用CATIA 軟件建立經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后的電磁機(jī)構(gòu)模型，并將CATIA 軟件建立好的三維模型導(dǎo)入到Maxwell3D 中。高壓直流電磁繼電器電磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1 所示。

表1 高壓直流繼電器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of HVDC relay

1.2 材料設(shè)置

利用Region 工具在模型為建立外空氣層， 選擇建立好的空氣層設(shè)置空氣層的邊界條件，如圖1 所示。

圖1 外空氣層邊界設(shè)置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the outer air layer boundary setting

材料設(shè)置對(duì)于有限分析的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，因此，動(dòng)鐵心、 動(dòng)鐵芯和軛鐵部分為電工純 鐵（DT4E），由于其為磁化曲線是非線性的， 因此需要根據(jù)測(cè)試出來(lái)的B-H 曲線設(shè)置。 空氣層的相對(duì)磁導(dǎo)率為1.0。線圈材料為純銅可以直接從材料庫(kù)中設(shè)置設(shè)為CU。

1.3 網(wǎng)格劃分

對(duì)于有限分析軟件來(lái)說(shuō)網(wǎng)格劃分的質(zhì)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有著較大影響， 采用默認(rèn)網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行劃分，金屬部分網(wǎng)格效果，見圖2，外部空氣層網(wǎng)格效果，見圖3。

圖2 電磁系統(tǒng)模型劃分網(wǎng)格效果圖Fig.2 Electromagnetic system model meshing effect diagram

圖3 外部空氣劃分網(wǎng)格效果圖Fig.3 External air division grid renderings

1.4 添加激勵(lì)電流

該高壓直流電磁電器的線圈是有多匝線圈組成，因此不可以添加簡(jiǎn)單電流激勵(lì)需要將其近似看作帶電流從線圈的截面均勻輸入?？梢栽诰€圈三維模型的x-y 面上創(chuàng)建一截面并在截面添加電流源作為驅(qū)動(dòng)，線圈產(chǎn)生磁感線方向可由“右手定則”得出。 如圖4所示。

1.5 仿真設(shè)置

由于繼電器運(yùn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)鐵芯向上運(yùn)動(dòng)，我們?yōu)榱说玫絼?dòng)鐵芯向上運(yùn)動(dòng)時(shí)不同位置受到的電磁力， 需要在仿真之前編輯繼電器的位置函數(shù)。將動(dòng)鐵芯沿運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)一定位置后，將位移設(shè)為step 函數(shù)。 根據(jù)動(dòng)鐵芯的運(yùn)動(dòng)區(qū)間設(shè)置函數(shù)起止值和步長(zhǎng)， 其中步長(zhǎng)越小計(jì)算結(jié)果更精確。完成對(duì)模型的是之后檢查模型無(wú)誤后，設(shè)置求解器開始對(duì)模型進(jìn)行仿真。

2 仿真結(jié)果分析

本節(jié)對(duì)模型不同位置的情況下進(jìn)行仿真分析，得到的各位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量云圖，并記錄下不同位置下的電磁力矩繪制轉(zhuǎn)角與電磁轉(zhuǎn)矩的曲線，根據(jù)云圖和扭矩對(duì)高壓直流電磁電磁繼電器的電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)特性分析。

圖4 電流激勵(lì)方向示意圖Fig.4 Schematic diagram of current excitation direction

2.1 不同位置電磁機(jī)構(gòu)磁場(chǎng)分析

繼電器電磁系統(tǒng)中動(dòng)鐵芯頂部距離軛鐵板的距離為動(dòng)鐵芯的行程1.8～2mm。 由于動(dòng)鐵芯帶動(dòng)動(dòng)觸點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)是一個(gè)連續(xù)的動(dòng)態(tài)過(guò)程， 工作氣隙隨時(shí)間不斷變化， 設(shè)線圈電流源恒定時(shí)， 分別對(duì)工作氣隙為0mm、0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm 五個(gè)位置進(jìn)行仿真，得到五種工作氣隙下的磁場(chǎng)強(qiáng)度、和磁矢量云圖如下。

根據(jù)圖像可知鐵芯、金屬殼、軛鐵板和氣隙構(gòu)成的回路為電磁系統(tǒng)的主磁通， 其他位置磁力線和場(chǎng)強(qiáng)的變化均由漏磁產(chǎn)生，有仿真結(jié)果可知鐵芯、金屬殼之間和鐵芯與軛鐵板間的工作氣隙出存在較多的漏磁，并且隨著鐵芯上表面距離軛鐵板的距離增大，工作氣隙間的漏磁變得更加嚴(yán)重，并且根據(jù)磁場(chǎng)變化可以推測(cè)出隨著工作氣隙的增大電磁吸力呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

圖5 工作氣隙為0mm 時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布圖及云圖Fig.5 Vector distribution and cloud diagram of magnetic induction intensity when working air gap is 0mm

圖6 工作氣隙為0.5mm 時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布圖及云圖Fig.6 vector distribution and cloud diagram of magnetic induction intensity when working air gap is 0.5mm

圖7 工作氣隙為1.0mm 時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布圖及云圖Fig.7 Vector distribution and cloud diagram of magnetic induction intensity when working air gap is 1.0mm

圖8 工作氣隙為1.5mm 時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布圖及云圖Fig.8 Vector distribution and cloud diagram of magnetic induction intensity when working air gap is 1.5mm

圖9 工作氣隙為2.0mm 時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量分布圖及云圖Fig.9 vector distribution and cloud diagram of magnetic induction intensity when working air gap is 2.0mm

2.2 不同電流下電磁驅(qū)動(dòng)力

采用參數(shù)化分析， 計(jì)算電磁系統(tǒng)在不同激勵(lì)電流下轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中各個(gè)位置所受到的電磁， 分別計(jì)算繼電器電磁吸力與施加在線圈上的電磁激勵(lì)間的關(guān)系。 分別對(duì)安匝數(shù)為800、1000 和1200 的電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真， 得到不同安匝下的電磁力曲線。

圖10 不同安匝數(shù)對(duì)應(yīng)電磁力曲線Fig.10 Electromagnetic force curves corresponding to different ampere-turns

為了得到不同工作氣隙下的電磁力與繼電器工作氣隙時(shí)的電磁力大小，將各離散數(shù)據(jù)擬合呈電磁力曲線，圖10 所示為不同安匝時(shí)不同工作氣隙時(shí)鐵芯受到的電磁力大小。 根據(jù)圖像可知；當(dāng)電流不變時(shí)，隨著工作氣隙的減小動(dòng)鐵芯所受到的電磁增大； 隨著電流增大以及繼電器線圈的安匝數(shù)增大，受到的電磁力也隨之增大，但在工作氣隙為0 時(shí)，1400 安匝和1200 安匝鐵芯受到的力也隨之增大，不過(guò)增大的幅度并不大，因?yàn)楫?dāng)電流為額定電流時(shí)， 電工純鐵基本趨于磁飽和，電流增加相同的幅度，磁鏈的變化幅度會(huì)很小，電磁力的變化也很小，所以在圖中不同曲線在x 軸上的點(diǎn)基本是重合的。 只要吸力曲線與反力 曲線的正面積大于負(fù)面積，就是合理的，就能夠正常地工作，而且差值越是趨近于0，消耗的電能就越少，越是節(jié)約能源。 該繼電器電流波動(dòng)范圍內(nèi)的合力都是大于0 的， 說(shuō)明其電磁系統(tǒng)是合理的，是可以正常工作的。

3 總結(jié)

本章首先對(duì)電磁場(chǎng)分析理論和電磁場(chǎng)的有限元計(jì)算方法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹， 再利用Ansoft Maxwell 對(duì)高壓直流電磁繼電器進(jìn)行設(shè)置， 并對(duì)動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的五個(gè)位置進(jìn)行仿真，研究動(dòng)鐵芯運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不同磁間隙下線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的分布情況；并對(duì)不同安匝數(shù)下的動(dòng)鐵芯機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析得到不同安匝時(shí)不同工作氣隙時(shí)鐵芯受到的電磁力大小。將動(dòng)鐵芯所受電磁力設(shè)為輸出量， 可知?jiǎng)予F芯受到的電磁力隨著工作氣隙的減小而增大， 將曲線輸出并作為后續(xù)仿真的驅(qū)動(dòng)力。