基于ansys对微型直流电磁继电器电磁系统的分析

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1、基于ANSYS对微型直流电磁继电器电磁系统的分析文章出处：发布时间：2010/12/20

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5、况，绘制出继电器的吸力特性曲线。最后，验证继电器电磁系统的设计是否合理，为继电器的优化设计提供有效的分析手段。　　0引言　　电磁继电器主要由电磁系统和接触系统组成。在设计电磁继电器时，通常先算出继电器的机械反力曲线，然后再计算出电磁系统的吸力特性曲线来验证继电器的设计是否合理。　　电磁系统吸力特性曲线的计算基本上有两种不同的算法，一是用“路”的方法;另一是用“场”　　的方法。传统的计算方法主要采用“路”的方法，也就是利用阻抗网络的方法进行电磁系统的计算，这种算法首先得计算气隙磁导，不仅计算方法十分复杂，而且计算结果也不是很

6、准确。近年来，随着计算技术的发展和电子计算机的广泛应用，使得电磁系统电磁场的计算方法发生了很大的变化，可以运用数值计算方法来更准确地计算磁场和电磁吸力。即利用“场”的方法，将磁场的连续问题离散化，把计算无限多个点上的数值变为计算在有限多个节点上的数值，即有限元分析法。　　本文利用ANSYS软件对某型号微型密封直流电磁继电器电磁系统进行分析，绘制出吸力特性曲线来验证继电器电磁系统的设计是否合理。　　1机械反力曲线　　某型号微型密封直流电磁继电器机械反力特性曲线如图1所示。图中:δ为衔铁行程的工作气隙;Fm为机械反力;1点处为

7、继电器释放状态;图1某微型直流电磁继电器的机械反力特性曲线2点处为常闭触点准备断开的状态;3点处为常闭触点刚断开的状态;4点处为常开触点刚接通的状态;5点处为继电器吸合稳定状态。图1某微型直流电磁继电器的机械反力特性曲线　　2有限元仿真分析　　2.1建立模型　　有限元分析的第一步是建立几何模型。本文使用SolidWorks软件绘制了三维模型，再导入ANSYS进行分析。导入前，首先应对模型进行修改，去掉不必要的圆角、倒角等，并简化对计算无关的部分，待分析继电器电磁系统模型如图2所示。图中:δ、δ1为工作气隙;δ2为非工作气隙

8、。图2某型号继电器电磁系统模型(mm)。　　2.2建立激励模型　　对于继电器电磁系统的电磁吸力仿真，采用的激励载荷就是继电器线圈，文中采用ANSYS的SOURCE36单元为线圈建立模型，建立线圈模型如图3所示。　图3增加线圈后的模型。　　文中分析的继电器在额定工作电压27V时线圈电阻R=1560Ω，匝数=4200匝，分析时，分别取动作电压为10.8V，释放电压为2.5V。　　2.3建立空气模型、分配材料属性　　网格划分前应先建立空气模型，给出磁场计算的空间范围。然后再为几何模型的各个部分设置材料属性。轭铁、衔铁、铁心材料为

9、真空退火处理后的电工纯铁DT4E，材料B－H曲线如图4所示;空气、线圈相对导磁率为1。自定义B－H曲线时，应注意在拐角处多取几个点，否则会引起计算的不收敛。图4真空处理后电工纯铁DT4E的B－H图形。　　2.4网格划分　　赋予模型相应的材料属性后，接下来进行网格划分。网格划分是有限元前处理中的主要工作，也是整个有限元分析的关键。网络划分的质量优劣将对计算结果产生相当大的影响。网格划分时应适当控制其尺寸，保证划分结果不会出现畸形单元也无需较长时间;网格划分越细，计算的结果越接近实际值，但计算耗费的时间则更长。　　铁心、轭铁、

10、衔铁网格划分后图形如图5所示，由于SOURCE36单元建立的线圈为虚拟电流源，因此不必进行网格划分。图5轭铁、衔铁、铁心网格划分后图像。　　2.5加载约束　　划分网格之后要做的工作就是添加约束条件。电磁场问题求解中，有各种各样的边界条件，可概括:自然边界条件、匹配边界条件、狄利克莱边界条件、对称边界条件和匹配边界条件。该例中分析使用系统默认的边界条件，即磁力线平行边界条件，选择坐标原点为约束条件。　　要求解衔铁上受到的电磁吸力，必须对衔铁施加力标志。加力标志后的模型如图6所示。图6衔铁施加力标志后的图形。　　3静态吸力仿真

11、分析　　ANSYS的静态磁场分析是在给定气隙和电压(电流)的情况下，分析得到电磁吸力和磁感应强度的分布。　　利用求解分析模块得到分析结果，在电压U=10.8V，工作气隙δ=0.03mm，非工作气隙δ2=0.01mm时，衔铁上受到Z方向的Mexwell力为0.53N。　　图7为电压是10.8V，工作气隙δ