引言
    繼電器是低壓電器中的重要一員,是一種自動電氣開關(guān)。傳統(tǒng)的電磁繼電器由于需要線圈長期通電運行,不僅耗費大量電能、噪聲大,電磁系統(tǒng)還易受電網(wǎng)波動的影響,從而影響繼電器的可靠性和工作壽命。在這種大環(huán)境下,磁保持繼電器這種小型、節(jié)能的繼電器應(yīng)運而生,成為適應(yīng)現(xiàn)代電子器件低功耗要求的新型控制低壓電器。電磁機構(gòu)作為磁保持繼電器的部件之一,為機械部分提供電磁力矩,決定繼電器是否能夠可靠工作,因此對電磁機構(gòu)進行計算分析是非常重要的。
    本文采用ANSYS有限元分析軟件對電磁機構(gòu)進行建模仿真及參數(shù)化分析,得出了不同情形下的電磁合力矩曲線,驗證了電磁系統(tǒng)的合理性,為電磁機構(gòu)優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)及理論依據(jù)。
    1 K818B磁保持繼電器
    1.1磁保持繼電器的構(gòu)成
    本文針對YK818B磁保持繼電器進行研究分析,線圈額定電壓90DV,單線圈電阻范圍為[C2Ω,8971Ω],線圈2.50匝,額定電流范圍[00.0.A,5012.A],額定功率1w。繼電器帶有一對常閉觸點,切換電壓為2.50AV,切換電流為65A。繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示,內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由電磁系統(tǒng)、推動機構(gòu)、觸點系統(tǒng)、動簧片和分流片四個部分組成。電磁系統(tǒng)狀態(tài)的變化使得推動機構(gòu)運動,實現(xiàn)觸點系統(tǒng)的閉合與關(guān)斷,其中,動簧片具有載流、散熱與提供反力的功能。

 1.2 磁系統(tǒng)結(jié)
    磁保持繼電器的電磁機構(gòu)包括銜鐵組件(包括磁鐵和磁極片）、鐵芯、輒鐵和線圈,電磁機構(gòu)簡圖如圖3所示[3]。磁鐵型號采用Y35BH,輒鐵和鐵芯均采用電工純鐵DT4E）。

    圖3磁保持繼電器電磁機構(gòu)示意圖
    2 限元仿真分析
    2.1 克斯韋方程
    ANSYS軟件在計算電磁機構(gòu)的靜態(tài)特性時,以麥克斯韋理論為基礎(chǔ),通過有限元分析的方法處理電磁問題。麥克斯韋微分方程如下[4]:

    式中,H為磁場強度;J為電流密度矢量;D為位移矢量;E為電場強度矢量;B為磁感應(yīng)強度;β為自由電荷體密度;S為介電常數(shù);μ為磁導(dǎo)率;r為電導(dǎo)率。
    2.2 磁機構(gòu)建模仿真
    在ANSYS軟件中的Maxwell3DDeSign中建立電磁機構(gòu)仿真模型。網(wǎng)格劃分時,銜鐵組件周圍網(wǎng)格劃分更細,精度更高,其余部件自由劃分,控制仿真時長,防止浪費資源,如圖4所示。

    圖4 磁機構(gòu)網(wǎng)格劃分
    銜鐵組件上設(shè)置力矩參數(shù),銜鐵組件旋轉(zhuǎn)角度范圍為[-Co,Co],添加線圈安匝數(shù)范圍為[5A,395A],進行參數(shù)化分析,得出磁保持繼電器合閘過程中在不同旋轉(zhuǎn)角度及不同安匝數(shù)的合力矩特性曲線,如圖5所示。
    從圖5中可以清晰地得出電磁機構(gòu)合力矩曲線的趨勢,隨著旋轉(zhuǎn)角度從Co到-Co,合力矩逐漸增大,且安匝數(shù)越大,合力矩越大。當(dāng)線圈中未通脈沖電流時,合力矩曲線關(guān)于原點對稱。因此,當(dāng)線圈通入一定大小的脈沖電流,使得合力矩在旋轉(zhuǎn)過程中始終大于0時,電磁機構(gòu)才能夠可靠工作。

    3 結(jié)語
    本文通過ANSYS軟件對磁保持繼電器的電磁機構(gòu)進行建模仿真分析,計算出了不同脈沖電流和不同旋轉(zhuǎn)角度時的合力矩,繪制出了合力矩曲線圖。從圖中可以得出電磁機構(gòu)穩(wěn)定工作時所需的脈沖電流大小,為優(yōu)化電磁機構(gòu)提供了理論依據(jù)和有效手段。此方法快速準(zhǔn)確地驗證了磁保持繼電器電磁系統(tǒng)的合理性,能夠縮短產(chǎn)品研發(fā)周期,降低計算成本,提高工作效率。