永磁接触器的有限元分析

永磁接触器的有限元分析及结构优化_马子文

DOI:10.13632/j.meee.2009.06.007

Vol.29 No.6 2009.6 船电技术 2009年 第6期

永磁接触器的有限元分析及结构优化

马子文 赵成宏 黄中 李广

（中国船舶重工集团公司七一二研究所, 武汉 430064）

摘 要：永磁接触器可以克服普通电磁式接触器存在的耗能、线圈易烧灰等缺点，该文采用有限元方法研究了永磁接触器磁场分布特点，并进一步分析了不同结构参数对永磁接触器保持力的影响，为永磁接触器的设计提供了理论参考。

关键词：永磁接触器 有限元分析 永磁体保持力

中图分类号：TM572 文献标识码：A 文章编号：1003-4862（2008）06-0025-03

Finite Element Simulation and Structural Optimization

of Permanent Magnet Contactor

Ma Ziwen, Zhao Chenghong, Huang Zhong, Li Guang

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, CSIC, Wuhan 430064, China)

Abstract: Permanent magnet contactor can overcome some disadvantages of electro-magnetic contactor, such as wasting energy and burning coil easily. This paper studies magnetic field distribution for permanent magnet contactor, and then the simulation results of permanent magnet holding force are obtained based on finite element magnetic field analysis. This can provide a theoretical basis for further study on permanent magnet contactor.

Key words: permanent magnet contactor; finite element analysis; permanent magnet holding force

1 引言

永磁接触器由于将永磁应用于操作机构，使永磁接触器可以不需要通电实现合分闸自保持，相对于传统接触器，永磁接触器运行期间，只有很小的电容泄漏电流，耗能甚微；触头不会因为电压降低而产生噪声。目前，国内外永磁接触器的研发工作仍处于起步阶段，文献[1]研究了永磁操动机构在低压接触器应用的可能性，文献[2-3]运用分析软件ADAMS和ANSYS分别对永磁接触器的机构动力学特性及动触头动态特性进行了仿真分析。目前永磁接触器产品尚未广泛应用，如果能进一步提高其工作可靠性，并降低成本，该产品将会具有很强的竞争力。为此在进行永磁

收稿日期: 2008-08-06

接触器设计之前需要研究永磁操动机构的特性。本文针对圆柱型永磁操动机构，采用有限元法计算了双稳态永磁操动机构的静态磁场分布，分析了该结构的保持力大小与永磁材料的结构、布置方式以及尺寸的关系，为永磁接触器操动机构的设计提供参考。

2 永磁接触器模型建立与分析

2.1 永磁接触器的结构模型

根据永磁机构在终端位置的保持方式，永磁操动机构可以分为双稳态和单稳态两种形式，本文设计的永磁接触器采用圆形结构双稳态永磁机构，其结构截面简图如图1所示。

由于采用永磁保持，其磁场为静磁场，故铁心采用Q235钢替代传统电磁式接触器中的硅钢

作者简介：马子文(1981-)，男，助工，专业方向：开关电气。

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船电技术 2009年 第6期 Vol.29 No.6 2009.6

片。永久磁钢采用高磁能积钕铁硼材料，较小体积的一片磁钢即可维持永磁接触器的吸合状态。磁钢是先充磁后安装，用粘胶剂粘合到静铁心上。当接触器处于合闸或分闸位置时，线圈中无电流通过，动铁心由永磁力保持在上下极限位置，而不需要任何机械锁扣。当有动作信号时，合闸和分闸线圈中的电流产生磁势，动、静铁心中由线圈产生的磁场与永磁体产生的磁场发生叠加，动铁心连同固定在上面的驱动杆，在合成磁场力的作用下，在规定的时间内以规定的速度驱动本体完成开合任务。

2.2 有限元网格自动剖分

由于机构为轴对称结构，为减少计算量，将永磁接触器简化为二维轴对称模型，并进一步忽略涡流和磁滞效应。实践表明，这样大大降低了计算工作量，而对设计计算的精度影响不大。

为了仿真计算永磁接触器的动态特性，需要计算不同动铁心位置的电磁力，因此采用了ANSYS的参数化编程语言APDL进行建模。图2为有限元网格剖分图。网格单元数为21180，节点数为64133。

2.3 磁场分析与电磁力计算

对永磁机构磁场的计算可采用下述的麦克斯韦方程[4]：

通过有限元法求解方程式（1）、式（2）及式（3），可以计算出双稳态永磁机构的静态磁场。图3为永磁体单独作用，机构线圈中无电流通过时动铁心处于行程中不同位置时的磁场分布。从图中可以看出，由于采用了上下对称的结构，机构中的磁场也呈对称分布。

图4给出了合闸位置通2.7A正向电流，永磁机构不同时间的磁场分布。从图4（a）可以看到通上电流的瞬间，通过下部气隙磁力线的数目多于通过上部气隙的数目，结果在合成磁场的作用下，动铁心受到总的向下的作用力，加速向下运动。图4（b）为动铁心运动终止即达到机构合闸位置时的磁场分布情况。此时理论上下部气隙为零，线圈电流和永磁体的磁动势在动、静铁心所提供的低磁阻抗通道中产生较强的磁场，去掉线圈中的电流，动铁心将自动保持在一个新的位置，即合闸位置。

图2 有限元网格剖分图

3 永磁结构参数的优化

永磁机构的结构形式确定以后，各部分的结构参

数的确定也是一个关键性问题。实质上就是对内

图1 永磁机构截面简图

部动铁心、静铁心以及永磁体的结构参数进行优化。因为设计出一套合理的结构参数，是永磁机构能够达到良好性能指标的基础。

永磁机构的静态保持力是永磁接触器的重要性能指标之一，在接触器的结构形式、整体外形尺寸和永磁体的体积及动铁心工作行程确定之后，如何设计动铁心的半径，使永磁机构的静态保持力最大，是设计永磁接触器需要考虑的重要因素。计算动铁心受到的永磁吸力，可以应用以虚位移原理为基础的能量平衡公式及麦克斯韦电磁吸力计算公式，两公式的实质完全一致，本文采用虚位移原理计算静态保持力。

1 rAθ 1 rAz

+ = Jθ （1） r r r r r z

边界条件为：一类边界上

Aθ=Aθ0 （2）

二类边界上

1 rAθ= Hτ （3） r n

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a）

b）

c）

图3 永磁体单独作用时机构静态磁场分布

a）动铁心处于分闸位置 b）动铁心处于中间位置c）动铁心处于合闸位置

a）

b）

c）

图4 双稳态永磁机构合闸过程磁场变化

图5为动铁心受到的静态保持力与动铁心半径参量的关系。从图可以看出动铁心半径过小或过大都会使静态保持力减少，这是因为通过线圈及工作气隙的漏磁比较大。图5显示本文所设计的最优动铁心半径大约为25mm。

F / (N)

从磁场变化的角度分析了机构的工作原理。最后通过采用基于ANSYS的参数化编程方法，计算了不同动铁心半径情况下的永磁保持力，根据仿真结果对动铁心结构参数进行了优化。本文采用的方法为永磁接触器的优化 …… 此处隐藏：1963字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……