基于ANSOFT的電磁繼電器磁路鉚接設計

(廈門宏發電聲股份有限公司，福建廈門，361021)

1 引言

電磁繼電器的磁路的裝配方式多種多樣，常用的有旋鉚和壓鉚。壓鉚又按鉚跡分為錐鉚、劈鉚、花鉚。從鉚頭加工工藝性上考慮，十字花鉚是一種加工較簡單的花鉚形式，如圖1。

磁路鉚接的判定標準一般通過鉚接強度、鉚接擴張度、鉚接深度等來量化評價鉚接可靠性，另外還可以用金相切片的方式分析軛鐵與鐵芯的貼合尺寸來評價鉚接質量。

圖1 十字花鉚外觀

金相分析時，較常出現的磁路鉚接缺陷如圖2所示。圖2(a)中鐵芯未能完全漲緊貼合軛鐵面，鐵芯與軛鐵截面位置貼合尺寸t≈0.4mm<70%T(T為軛鐵厚度1.0mm)。圖2(b)中鐵芯臺階面與軛鐵不貼平存在δ=0.181mm軸向空隙。

圖2(a)，在各類鉚接工藝中均可能出現，特別是旋鉚工藝，鐵芯受力不足，導致鐵芯與軛鐵貼合深度不足。圖2(b)產生的原因主要有鐵芯與線圈、軛鐵尺寸不匹配，或者鐵芯受較大的鉚接力影響產生變形，導致鐵芯被墩矮、墩粗等。

(a) (b)圖2 磁路金相示圖

本文要討論的是，磁路鉚接金相分析中的鐵芯與軛鐵鉚接后存在的縫隙對電磁吸力的影響。文中，根據十字花鉚、旋鉚、錐鉚等組裝方式將鐵芯與軛鐵的配合間隙按不同形狀和程度進行模擬仿真并對結論用樣品進行實際驗證。同時借此提出相適應的十字花鉚的鉚頭設計尺寸要求。以減少產品在裝配時反復的調整及金相分析驗證。

根據金相分析的典型圖片，我們在此提出磁路鉚接的兩個過程參數K1、K2：

鐵芯接觸面積比K1=鐵芯與軛鐵鉚后貼合面積S1/(鐵芯周長C×軛鐵厚度T)

鐵芯受力面積比K2=鐵芯被鉚壓面積S2/鐵芯截面積S

其中，K1將鉚接縫隙量化為鐵芯與軛鐵接觸面積的百分比，做為電磁吸力仿真的參數。K2量化的是鐵芯受力變形的影響程度，以金相分析、鉚接強度等進行驗證。

2 仿真分析

2.1 仿真模型

仿真分析的模型，我們選擇典型的拍合式繼電器的簡化磁路建立去參數的ANSYS仿真模型[1]，如圖3所示。設定鐵芯尾部為圓柱形，鐵芯尾部與軛鐵孔的配合間隙設為零件尺寸公差0.1mm。

圖3中，0#模型的K1=100%，軛鐵厚度T=1.0mm。磁路落差0.05mm。

圖3 簡化模型圖示

2.2 仿真分析對象

通過調整鐵芯鉚接位置尺寸，將K1量化為80%、65%、50%、35%、20%，見表1。并根據不同的裝配氣隙將仿真模型分3組。

1) A組為旋鉚、錐鉚等產生的環形配合間隙，且鐵芯臺階面與軛鐵的軸向間隙為δ=0。受鉚接力影響，鐵芯臺階根部的位置存在不同程度的配合間隙。

A組中，鐵芯接觸面積比K1=(鐵芯周長C×鐵芯與軛鐵貼合高度t)/(鐵芯周長C×軛鐵厚度T)=t/T。見圖4。

2) B組即為本文所提出的十字花鉚方案形成的配合間隙，見圖5。鐵芯臺階面與軛鐵的軸向間隙為δ=0。

鐵芯接觸面積比K1=(鐵芯被鉚壓弧長C1×厚度T)/(鐵芯周長C×厚度T)=(c1-1×4)/C

3) C組分為在K1=50%的情況下，鐵芯臺階面在鉚接區域存在軸向上0.1mm的配合間隙C1組，見圖6。以及鐵芯臺階面與軛鐵面存在軸向間隙δ的C2組，示意見圖7。

將各仿真模型的按K1參數對比，見表1：

圖4 A組模型局部放大圖

圖6 C1組模型局部放大圖

圖5 B組模型鐵芯橫截面(圖3 A向視圖)

圖7 C2組模型局部放大圖

接觸面積比K1模型編號A組B組接觸面積比K1模型編號C組備注80%1#11#65%2#12#50%3#13#35%4#14#20%5#———50%C121#十字花鉚22#錐鉚C223#δ=0.02mm24#δ=0.05mm25#δ=0.10mm

將各模型導入Ansoft仿真分析軟件，根據各零件材料賦予相應的材料屬性，如軛鐵、鐵芯、銜鐵均為電工純鐵DT4E；線圈繞組選擇銅copper。在給線圈額定安匝以及70%額定安匝激勵條件下分別計算銜鐵從閉合位置(0°)至釋放位置(2.5°)的過程中受到的吸力矩以及磁感應強度B的分布云圖。

2.3 仿真分析結果

通過仿真分析可計算得到各模型的吸力值。排序圖見圖8、圖9。

從圖中可以看出，鐵芯接觸面積比K1≥20%，不論是十字花鉚間隙還是環形間隙，其吸力曲線與0#模型吸力曲線基本重合，達到0#模型吸力的99.2%以上。鉚接區域范圍內的軸向間隙可以接受。但鐵芯臺階面存在軸向間隙δ時，其吸力下降明顯，見23#、24#、25#曲線，δ越大，吸力下降越明顯。

圖8 70%額定安匝激勵下吸力對比

圖9 額定安匝激勵下吸力對比

3 仿真分析驗證

根據分析結果，我們進行樣品裝配。其中，K1值采用金相切片方式確認。

3.1 吸力值驗證

吸力值測試采用我司自制的吸反力測試裝置[2]。得到的吸力實測曲線與仿真曲線見圖10、圖11。

圖10 70%IN激勵下仿真值與實測值對比

圖11 額定IN激勵下仿真值與實測值對比

仿真結果與實測曲線存在的差異與工程參數相關，我們認為仿真結果與實測值基本吻合。

綜上，可以認為當鐵芯接觸面積比K1≥20%，吸力變化不顯著，過程中可以接受。

3.2 鉚接質量驗證

從圖5中，我們可以通過計算得到B組十字花鉚的K2值：

鐵芯受力面積比K2=鐵芯被鉚壓面積S2/鐵芯截面積S=(s2-1×4)/S。

從大量的金相分析及鉚接強度測試結果來看，K2值太大，例如，K2≥40%時，鐵芯臺階面的軸向間隙δ無法控制，將導致產品吸力下降，影響產品性能。同樣，K2值太小，例如，K2<10%時則存在鉚跡不清晰，無法量化測量且鉚接強度不足等問題。

本文認為，在K2值適當的情況下，可以令鐵芯局部受壓變形，在該區域內易于達到鐵芯100%貼平并漲緊軛鐵的效果。而在鐵芯未受力區域則為零件公差產生的配合間隙，即，K1值可控。

通過前面的仿真分析及樣品驗證，我們得到K1≥20%的結論，而受到工件強度等的影響，我們一般選擇K1≥35%；此時K2≥10%。

下面，通過不同規格鐵芯的金相分析及實際強度測試等評價來選擇合適的K2值。因各規格鐵芯的鉚接強度等要求差異，本文對鉚接質量及金相分析結果采用5分制進行評分，見表2。

表2 K2值與鉚接質量評價表

301.8113.553555K2 / %鉚接質量金相分析結論122.32.0 204.0 3.3 303.7 3.0

從表2的評價結果看，K2值在20%時評價最好，鐵芯尾部直徑大于Φ3.5時，K2值可以放寬至30%。綜合考慮，K2在20%～30%區間選擇較恰當。

4 結束語

以典型的拍合式直流電磁繼電器產品為模型進行磁路吸力矩仿真分析的結果是：在接觸面積比K1≥20%，鐵芯軛鐵配合間隙≤0.1mm的情況下，十字花鉚或錐鉚、旋鉚等鉚接方案對磁路吸力無顯著影響，鉚接區域范圍內鐵芯臺階位置的軸向間隙對吸力影響不顯著，需要完全杜絕的是鐵芯臺階面與軛鐵完全不貼平的軸向間隙δ。

從驗證效果上看，十字花鉚方案可通過鐵芯受力面積比K2的調整，保證鉚接區域鐵芯與軛鐵貼緊無縫隙，令鉚接金相分析、鉚接強度等達到標準要求。

采用十字花鉚時，可以將鉚頭尺寸設計為令鐵芯接觸面積比K1≥35%，受力面積比K2=20%～30%，鉚頭的直徑達到110%鐵芯尾部直徑，鉚花的深度可設定為當工裝閉模時與軛鐵下表面貼平。

以上的結論將在今后的工作中進一步確認及優化。