基于Maxwell的交流接觸器電磁系統(tǒng)優(yōu)化仿真

(廈門宏發(fā)開關(guān)設(shè)備有限公司，廈門 361021)

1 引言

接觸器是一種適用于遠(yuǎn)距離頻繁接通和分?jǐn)嘟恢绷髦麟娐芳按笕萘靠刂齐娐返淖詣?dòng)控制電器[1]。隨著新能源、電動(dòng)汽車、工業(yè)自動(dòng)化等行業(yè)的不斷發(fā)展，接觸器的使用量也日漸增長，對接觸器的要求也越來越高。接觸器運(yùn)動(dòng)過程的動(dòng)態(tài)特性分析在研發(fā)過程中起著關(guān)鍵作用，快速準(zhǔn)確計(jì)算其動(dòng)態(tài)特性意義重大。

近年來，接觸器運(yùn)動(dòng)過程的仿真計(jì)算取得了快速的發(fā)展。早期的接觸器仿真大部分采用的是二維有限元靜態(tài)特性仿真和三維有限元靜態(tài)特性仿真[2-4]，近幾年得益于計(jì)算機(jī)的發(fā)展進(jìn)行三維有限元?jiǎng)討B(tài)特性分析的研究增多。文獻(xiàn)[5]利用Maxwell有限元軟件的3D Maxwell模塊對雙E型交流接觸器的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析，分析對比了其電流動(dòng)態(tài)特性、啟動(dòng)時(shí)間特性，并探討了啟動(dòng)相角和電壓對啟動(dòng)時(shí)間、吸合時(shí)間、啟動(dòng)電流的影響。文獻(xiàn)[6-7]采用對多體動(dòng)力學(xué)分析軟件Adams進(jìn)行二次開發(fā)，并將機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程和電磁場及電路方程進(jìn)行耦合迭代求解，對接觸器進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性研究。文獻(xiàn)[8]通過磁路法建立交流接觸器的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程，通過Labview進(jìn)行交流接觸器的動(dòng)態(tài)特性分析，利用該方法可以快速提高計(jì)算速度，節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

本文運(yùn)用ANSYS Electronics的Circuit模塊建立交流接觸器的外加激勵(lì)電路，再運(yùn)用Maxwell 3D的瞬態(tài)仿真模塊建立交流接觸器電磁系統(tǒng)部分的三維仿真模型，通過耦合電磁系統(tǒng)和外加激勵(lì)電路實(shí)現(xiàn)對交流接觸器的動(dòng)態(tài)特性的仿真計(jì)算，并通過試驗(yàn)對仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

2 建立交流接觸器有限元模型

本文研究對象為一款額定電流為25A的單E型鐵芯交流接觸器，線圈電壓為AC 220V-50Hz，線圈參數(shù)為線徑0.12mm，匝數(shù)6800匝。

利用Maxwell軟件建立交流接觸器的3D模型，模型包括動(dòng)銜鐵、磁軛、短路環(huán)、線圈、空氣域、鐵芯運(yùn)動(dòng)域。模型如圖1所示，Maxwell中可通過建立一個(gè)運(yùn)動(dòng)域自定義鐵芯的運(yùn)動(dòng)行程。

圖1 仿真模型和電磁系統(tǒng)部分

2.1 添加零件材料

磁軛的材料為硅鋼片，銜鐵材料為電工純鐵，分別添加其BH曲線。短路環(huán)及線圈采用系統(tǒng)自帶的銅材料，空氣域及運(yùn)動(dòng)域材料屬性為空氣。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

采用手工劃分網(wǎng)格，對網(wǎng)格尺寸進(jìn)行限制，其中短路環(huán)網(wǎng)格單元最大尺寸為0.5mm，線圈最大為2mm，銜鐵及磁軛為4mm，空氣域和運(yùn)動(dòng)域?yàn)?mm。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。邊界條件采用系統(tǒng)默認(rèn)的邊界條件，即零件交界面為自然邊界條件，外邊界為諾依曼邊界條件。

圖2 有限元模型

2.3 外加激勵(lì)電路設(shè)計(jì)及耦合

運(yùn)用ANSYS Electronics的Circuit 模塊建立線圈外部激勵(lì)電路，電路如圖3所示，圖中V1為線圈電壓源，線圈電壓Un=220V,50Hz，合閘相角θ為0°。線圈線徑0.12mm， S|R為線圈電阻1235Ω，Lcoil為線圈截面等效模塊。電路中線圈導(dǎo)電截面等效模塊名稱需與Maxwell中的線圈截面導(dǎo)電部分名稱一致，線圈激勵(lì)電路通過Maxwell施加外加激勵(lì)電路與三維模型耦合一起。

圖3 線圈外部激勵(lì)電路

3 三維瞬態(tài)場計(jì)算原理

對于低頻瞬態(tài)磁場，麥克斯韋方程可以寫成:

(1)

在式(1)的基礎(chǔ)上可以構(gòu)造出兩個(gè)恒等式:

(2)

其中：H—磁場強(qiáng)度；

σ—電導(dǎo)率；

B—磁通量密度。

在求解三維瞬態(tài)磁場時(shí)，其棱邊上的矢量位自由度采用一階元計(jì)算，而在節(jié)點(diǎn)的標(biāo)量位自由度采用二階元計(jì)算。

在三維瞬態(tài)場中，線圈的激勵(lì)源可以為電流源或電壓源，導(dǎo)體類型可以為實(shí)體或繞組，本文采用的為外部施加電壓源繞組型線圈，默認(rèn)繞組內(nèi)電流密度是完全均勻的[9]。

三維瞬態(tài)場計(jì)算中包含了瞬態(tài)電磁過程和瞬態(tài)的機(jī)械過程。在處理瞬態(tài)機(jī)械過程中引入位移的離散計(jì)算：

(3)

其中：x—鐵芯位移。

4 仿真計(jì)算結(jié)果

4.1 短路環(huán)對電磁系統(tǒng)的影響

對于交流接觸器，不同的短路環(huán)材料、短路環(huán)厚度以及短路環(huán)長度對電磁系統(tǒng)的最小吸力具有顯著影響。本文分別對不同的短路環(huán)材料、長度、厚度進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖4 短路環(huán)及其尺寸

其中，a為長度尺寸，b為厚度尺寸。

如圖4所示，對短路環(huán)材料為銅材料、鋁材料，短路環(huán)長度尺寸a為9.5mm、10.5mm、12.5mm，厚度尺寸b為1.2mm、1.5mm、2.0mm分別進(jìn)行仿真計(jì)算分析。計(jì)算線圈電壓為Un=220V，頻率為50Hz下電磁系統(tǒng)的最小吸力，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 短路環(huán)材料和長度對最小吸力影響

從圖5可知，短路環(huán)材料為銅材料的電磁吸力顯著大于鋁材料。短路環(huán)最小吸力在9.5～12.5mm長度中呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，但其最大值均小于長度在9.5mm的吸力值。即短路環(huán)長度與最小電磁吸力為小范圍內(nèi)波動(dòng)，整體趨于減小的特性。針對本文25A交流接觸器合適的短路環(huán)長度為9.5mm，材料為銅。

圖6 短路環(huán)材料和厚度對最小吸力影響

如圖6所示，短路環(huán)材料為銅材料的電磁吸力顯著大于鋁材料。短路環(huán)最小吸力在1.2～2.0mm厚度中呈現(xiàn)正相關(guān)特性，即厚度越大最小吸力越大。厚度2.0吸力最大值為6.75N。針對本文25A交流接觸器合適的短路環(huán)厚度為1.6mm，材料為銅。

4.2 銜鐵對電磁系統(tǒng)的影響

銜鐵是交流接觸器電磁系統(tǒng)的重要組成部件，對電磁系統(tǒng)具有顯著的影響。本文針對不同的對銜鐵厚度和銜鐵寬度尺寸進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖7 銜鐵及其尺寸

其中，c為銜鐵寬度尺寸，d為銜鐵厚度尺寸。

如圖7所示，對銜鐵寬度尺寸10mm、11.25mm、15mm,銜鐵厚度3mm、3.15mm、3.3mm進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算線圈電壓為220V,頻率50Hz下的電磁系統(tǒng)最小吸力和最大吸力，結(jié)果如圖8、圖9所示。

從圖8可知，銜鐵厚度越大最小電磁吸力越小，3.3mm時(shí)候電磁吸力最小為4.81N。其最小值也大于反力彈簧最大值4.3N。銜鐵厚度越大最大電磁吸力越大，3.3mm時(shí)候電磁吸力最大為67.5N 。最大值范圍為64.97～67.5N之間，相對增加不大。

圖8 銜鐵厚度對電磁系統(tǒng)的影響

圖9 銜鐵寬度對電磁系統(tǒng)的影響

從圖9可知銜鐵寬度增大最小電磁吸力先增大后減小的趨勢。銜鐵寬度增大最大電磁吸力減小，負(fù)相關(guān)，最小為12.5mm時(shí)候60.47N，最大為10mm時(shí)候，64.8N。針對本文25A交流接觸器的銜鐵寬度為10-11.25之間。

4.3 磁軛對電磁系統(tǒng)的影響

本文對不同的磁軛底部尺寸進(jìn)行仿真計(jì)。

圖10 磁軛及其尺寸

其中e為磁軛底部尺寸。

如圖10所示，對磁軛尺寸4mm、4.4mm、4.7mm、5.1mm、6.4mm進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算線圈電壓為Un=220V，頻率為50Hz下電磁系統(tǒng)的最小吸力和最大電磁吸力，結(jié)果如圖11所示。

圖11 磁軛對電磁系統(tǒng)的影響

如圖11所示，磁軛底部尺寸對最小電磁吸力呈現(xiàn)小范圍波動(dòng)，整體正相關(guān)的趨勢。磁軛底部尺寸對最大電磁吸力呈現(xiàn)小范圍波動(dòng)，整體正相關(guān)的趨勢。最大值從63.5～65.85N之間，相對增加不大。針對本文25A交流接觸器合適的磁軛底部尺寸為4.4mm。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

利用合閘選相角裝置、激光位移傳感器、示波器三種設(shè)備，分別測試了電壓為Un=220V，頻率為50Hz，相角θ為30°電流特性曲線及鐵芯運(yùn)動(dòng)位移曲線，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如圖8所示。

圖12 θ=30°時(shí)試驗(yàn)驗(yàn)證對比

通過圖12的試驗(yàn)對比可知，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。圖12(a)測試所得的總程最大值為3.5875mm，仿真最大值為3.52mm，誤差在10%以內(nèi)。圖12(b)測試線圈電流最大值為0.485A，仿真最大值為0.494A，誤差在10%內(nèi)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可知，仿真方法是準(zhǔn)確有效的。

6 結(jié)語

本文利用ANSYS Electronics的Circuit模塊和Maxwell 3D的瞬態(tài)仿真模塊，建立交流接觸器的外加激勵(lì)電路，然后對交流接觸器進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真計(jì)算，仿真計(jì)算了短路環(huán)、銜鐵、磁軛對交流接觸器電磁系統(tǒng)的影響，最終通過試驗(yàn)測試與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，仿真誤差小于10%，交流接觸器的動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算方法是有效的。該仿真方法能為交流接觸器新品開發(fā)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一種快速、可行的虛擬樣機(jī)分析手段。