基于ANSYS的磁保持继电器电磁机构仿真分析

引言

继电器是低压电器中的重要一员,是一种自动电气开关。传统的电磁继电器由于需要线圈长期通电运行,不仅耗费大量电能、噪声大,电磁系统还易受电网波动的影响,从而影响继电器的可靠性和工作寿命。在这种大环境下,磁保持继电器这种小型、节能的继电器应运而生,成为适应现代电子器件低功耗要求的新型控制低压电器。电磁机构作为磁保持继电器的核心部件之一,为机械部分提供电磁力矩,决定继电器是否能够可靠工作,因此对电磁机构进行计算分析是非常重要的。

本文采用ANSYS有限元分析软件对电磁机构进行建模仿真及参数化分析,得出了不同情形下的电磁合力矩曲线,验证了电磁系统的合理性,为电磁机构优化提供了数据基础及理论依据。

1 K818B磁保持继电器

1.1磁保持继电器的构成

本文针对YK818B磁保持继电器进行研究分析,线圈额定电压90DV,单线圈电阻范围为[C2Ω,8971Ω],线圈2.50匝,额定电流范围[00.0.A,5012.A],额定功率1w。继电器带有一对常闭触点,最大切换电压为2.50AV,最大切换电流为65A。继电器内部结构如图1所示,内部结构框图如图2所示,其内部结构由电磁系统、推动机构、触点系统、动簧片和分流片四个部分组成。电磁系统状态的变化使得推动机构运动,实现触点系统的闭合与关断,其中,动簧片具有载流、散热与提供反力的功能。

1.2 磁系统结

磁保持继电器的电磁机构包括衔铁组件(包括永久磁铁和磁极片）、铁芯、辄铁和线圈,电磁机构简图如图3所示[3]。永久磁铁型号采用Y35BH,辄铁和铁芯均采用电工纯铁DT4E）。

图3磁保持继电器电磁机构示意图

2 限元仿真分析

2.1 克斯韦方程

ANSYS软件在计算电磁机构的静态特性时,以麦克斯韦理论为基础,通过有限元分析的方法处理电磁问题。麦克斯韦微分方程如下[4]:



式中,H为磁场强度;J为电流密度矢量;D为位移矢量;E为电场强度矢量;B为磁感应强度;β为自由电荷体密度;S为介电常数;μ为磁导率;r为电导率。

2.2 磁机构建模仿真

在ANSYS软件中的Maxwell3DDeSign中建立电磁机构仿真模型。网格划分时,衔铁组件周围网格划分更细,精度更高,其余部件自由划分,控制仿真时长,防止浪费资源,如图4所示。

图4 磁机构网格划分

衔铁组件上设置力矩参数,衔铁组件旋转角度范围为[-Co,Co],添加线圈安匝数范围为[5A,395A],进行参数化分析,得出磁保持继电器合闸过程中在不同旋转角度及不同安匝数的合力矩特性曲线,如图5所示。

从图5中可以清晰地得出电磁机构合力矩曲线的趋势,随着旋转角度从Co到-Co,合力矩逐渐增大,且安匝数越大,合力矩越大。当线圈中未通脉冲电流时,合力矩曲线关于原点对称。因此,当线圈通入一定大小的脉冲电流,使得合力矩在旋转过程中始终大于0时,电磁机构才能够可靠工作。

3 结语

本文通过ANSYS软件对磁保持继电器的电磁机构进行建模仿真分析,计算出了不同脉冲电流和不同旋转角度时的合力矩,绘制出了合力矩曲线图。从图中可以得出电磁机构稳定工作时所需的脉冲电流大小,为优化电磁机构提供了理论依据和有效手段。此方法快速准确地验证了磁保持继电器电磁系统的合理性,能够缩短产品研发周期,降低计算成本,提高工作效率。