基于ANSYS的磁保持继电器电磁系统的计算

摘要: 本文使用ANSYS软件对旋转的磁性保持继电器进行建模和网格化，模拟了磁性保持继电器的电磁系统的静态特性，计算静态电磁转矩和磁链，并将转矩特性曲线绘制为得到磁通密度矢量图. 仿真方法快速准确地验证了继电器电磁系统的合理性，为继电器的优化设计提供了有效的手段.

0简介

磁性保持继电器，也称为磁性闭锁电器或脉冲继电器，具有功耗低，抗冲击，灵敏度高，运行速度快和抗振性强的优点. 它们最初主要用于军事工业，航天器和卫星等重要工业，后来随着经济发展，磁性保持继电器开始在电力工业中得到广泛使用. 作为磁性保持继电器的重要组成部分，电磁机构为整个继电器提供了转矩和磁通的链接. 其参数是否合理直接决定继电器是否可以正常工作，因此电磁系统的计算十分必要.

分析电磁系统的传统方法是磁路计算. 过去，许多学者使用磁路计算来分析电磁系统. 这种传统的计算方法很复杂. 用网络阻抗法计算磁路，首先得出结论，不仅计算方法非常复杂，计算难度很大，而且误差也很大. 此方法适合理论分析，不适合实际计算. 该方法在计算软件出现之前就已经使用过，效率很低. 准确性也很差. 后来，尽管一些学者使用ANSYS有限元分析软件来计算电磁继电器的电磁系统，但他们还是计算出了电磁吸力. 使用吸力分析旋转磁性保持继电器时存在一定误差. 扭矩应更准确地计算. 一些. 在当今时代，ANSYS有限元分析和计算越来越广泛地应用于电磁系统中，并受到越来越多的关注.

本文使用ANSYS有限元分析软件来计算某种类型的旋转磁保持继电器的电磁系统，无电流时的转矩特性曲线和电流为零时的总转矩特性曲线. 申请即可获得. 验证电磁继电器的电磁系统设计是否合理.

1有限元模拟分析

1.1电磁系统建模

图. 图1是磁保持继电器的电磁机构的，其结构包括电枢组件（包括永磁体和极靴），磁轭，铁芯和线圈. 它可以通过扼流圈与极靴和电枢组件之间的工作气隙将电磁能转换为机械能，从而驱动整个接触机构工作. 磁性保持继电器的铁芯与扼流圈牢固地结合在一起，并且全部使用高导磁率的磁性材料. 磁性保持继电器的工作原理非常简单. 当电流脉冲沿一定方向通过线圈时，电磁机构的电枢组件的两个磁极之间的磁场与永磁体的磁场相同. 电枢组件旋转. 当电流消失时，由于仍然存在永磁体的作用，电枢组件保持在该位置，这称为磁性保持继电器的闭合状态. 同样地，当反向电流脉冲通过线圈时，两个磁极之间会在永磁体的相反方向上产生磁场，从而克服了永磁体的影响而导致电枢组件反向旋转. 当电流消失时，电枢组件在永磁体的作用下继续保持在该位置. 这称为磁性保持继电器的关闭状态，这是磁性保持继电器的双稳态.

在ANSYS软件中建立的电磁机制模型包含永磁体和极靴，磁轭和铁芯. 由于该旋转磁性保持继电器具有对称性，因此您可以建立模型的一半，然后在计算过程中将数据相乘. 只需要2个，可以节省划分网格的时间，缩短总计算时间，并提高效率.

建立除线圈之外的模型后，必须应用线圈来激发电磁系统. 对于单相旋转磁保持继电器，仅需对其加载电流激励，并且应将电流施加到线圈上. 使用SOURC36单元通过宏RACE构建电流型“跟踪”线圈. 尽管已将模型构建成一半，但已建立的线圈仍是一个完整的整体，而不是一半. 跑道线圈的轮廓和每个参数的含义如图2所示. 其中Xc和Xc用于定位，即从中心位置到线圈上方的轴和侧轴的距离，以确定线圈的位置，RAD代表从中心到小弧和大弧的拐角处圆角的半径，中间弧的距离，Dy代表线圈的厚度，DZ代表线圈的长度也就是说，外铁心的长度TCUR表示磁通势，即线圈匝数N与线圈中通过的电流I的乘积.

1.2建立一个空气场并赋予材料特性

考虑到模型周围会有一定的磁通量泄漏，因此在啮合之前需要在模型外部建立一个空气层，并且空气的相对磁导率为1.0. 电磁钢是永久磁铁，内接铁氧体，商标为Y30Bh，相对磁导率为1.4265. 金属材料是纯铁（DT4E）. 由于D T4E是非线性铁磁材料，因此在定义BH曲线时应在拐点处选择一些点，否则会增加误差. 绘制的BH曲线如图3所示. 从图中可以看出，纯铁在1.8T时趋于饱和.

1.3网络划分

为模型分配材料属性后，下一步是网络划分，将每个模块划分为小单元. 这一步非常重要. 网络划分越详细，结果越接近实际值，并且“ High”越准确，但是划分越精细，时间越长，效率会降低，因此请注意划分单线圈磁保持继电器，选择适当的为了精确起见，对于较大或自由划分的其他部分，网络划分的关键部分应该更精细. 也就是说，规则划分是针对某些直属单位进行的. 跑道线圈是已建立的虚拟电流源，因此无需将其分为网络. 在本文中，分隔单元的类型为四面体（3D），并且磁轭上的圆孔与铁芯之间的气隙，扼流圈与铁芯之间的气隙，电磁钢，磁极，并且某些轭有规律地分开. 空气层的其余部分，铁芯和卷盘的其余部分可以自由分割，并且它们的大小必须适当控制，以确保分割结果中没有变形的单元，也不会浪费计算资源或也不会浪费很多时间. 图4是网格划分后的整体模型.

1.4施加了边界条件

划分网络后，应添加边界条件. 解决电磁系统问题的边界条件很多，通常存在三种边界值条件，因此它们对应于三个边界值问题.

1）第一种边界条件: 给定边界上的电位值，也称为Dirichlet边界条件. 通常，连接到场源的导体的电势恒定且等于外部电源的电压，属于第一类边界条件. 这种边界条件和一般的确定方程构成了第一类边界值问题.

2）第二种边界条件: 给定边界上势函数的法线引导值，也称为诺伊曼边界条件. 这种边界条件和一般的确定方程构成了第二类边界值问题.

3）第三类边值问题: 势函数值在边界的一部分上给出，正导数在边界的一部分上给出，即前两个边界的线性组合条件，也称为柯西边界条件. 该边界条件与广义方程一起构成第三类边界值问题或混合边界值问题.

本文中使用的边界条件是系统的默认边界条件，即平行磁力线的条件. 要计算电磁力矩，需要施加力标志，这需要在ANSYS中使用宏FMAGSUM，该宏将以表的形式将作用在物体上的麦克斯韦力和虚拟作用力相加单线圈磁保持继电器，前提是必须定义物体作为一个单元组件. 您可以使用CM命令将电枢组件定义为组件，对其进行重命名，然后将力标志应用于宏FMAGBC.

施加力符号后的模型如图5所示. 深色部分表示电枢组件中施加力符号的部分，突出的圆柱形部分是已建立的跑道线圈，外部矩形框是已建立的空气. 字段.

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