基于Maxwell的交流接触器电磁系统优化仿真

(厦门宏发开关设备有限公司，厦门 361021)

1 引言

接触器是一种适用于远距离频繁接通和分断交直流主电路及大容量控制电路的自动控制电器[1]。随着新能源、电动汽车、工业自动化等行业的不断发展，接触器的使用量也日渐增长，对接触器的要求也越来越高。接触器运动过程的动态特性分析在研发过程中起着关键作用，快速准确计算其动态特性意义重大。

近年来，接触器运动过程的仿真计算取得了快速的发展。早期的接触器仿真大部分采用的是二维有限元静态特性仿真和三维有限元静态特性仿真[2-4]，近几年得益于计算机的发展进行三维有限元动态特性分析的研究增多。文献[5]利用Maxwell有限元软件的3D Maxwell模块对双E型交流接触器的动态特性进行了分析，分析对比了其电流动态特性、启动时间特性，并探讨了启动相角和电压对启动时间、吸合时间、启动电流的影响。文献[6-7]采用对多体动力学分析软件Adams进行二次开发，并将机械运动方程和电磁场及电路方程进行耦合迭代求解，对接触器进行了动态特性研究。文献[8]通过磁路法建立交流接触器的动态运动方程，通过Labview进行交流接触器的动态特性分析，利用该方法可以快速提高计算速度，节省计算时间。

本文运用ANSYS Electronics的Circuit模块建立交流接触器的外加激励电路，再运用Maxwell 3D的瞬态仿真模块建立交流接触器电磁系统部分的三维仿真模型，通过耦合电磁系统和外加激励电路实现对交流接触器的动态特性的仿真计算，并通过试验对仿真计算结果进行验证。

2 建立交流接触器有限元模型

本文研究对象为一款额定电流为25A的单E型铁芯交流接触器，线圈电压为AC 220V-50Hz，线圈参数为线径0.12mm，匝数6800匝。

利用Maxwell软件建立交流接触器的3D模型，模型包括动衔铁、磁轭、短路环、线圈、空气域、铁芯运动域。模型如图1所示，Maxwell中可通过建立一个运动域自定义铁芯的运动行程。

图1 仿真模型和电磁系统部分

2.1 添加零件材料

磁轭的材料为硅钢片，衔铁材料为电工纯铁，分别添加其BH曲线。短路环及线圈采用系统自带的铜材料，空气域及运动域材料属性为空气。

2.2 网格划分及边界条件设置

采用手工划分网格，对网格尺寸进行限制，其中短路环网格单元最大尺寸为0.5mm，线圈最大为2mm，衔铁及磁轭为4mm，空气域和运动域为5mm。网格划分结果如图2所示。边界条件采用系统默认的边界条件，即零件交界面为自然边界条件，外边界为诺依曼边界条件。

图2 有限元模型

2.3 外加激励电路设计及耦合

运用ANSYS Electronics的Circuit 模块建立线圈外部激励电路，电路如图3所示，图中V1为线圈电压源，线圈电压Un=220V,50Hz，合闸相角θ为0°。线圈线径0.12mm， S|R为线圈电阻1235Ω，Lcoil为线圈截面等效模块。电路中线圈导电截面等效模块名称需与Maxwell中的线圈截面导电部分名称一致，线圈激励电路通过Maxwell施加外加激励电路与三维模型耦合一起。

图3 线圈外部激励电路

3 三维瞬态场计算原理

对于低频瞬态磁场，麦克斯韦方程可以写成:

(1)

在式(1)的基础上可以构造出两个恒等式:

(2)

其中：H—磁场强度；

σ—电导率；

B—磁通量密度。

在求解三维瞬态磁场时，其棱边上的矢量位自由度采用一阶元计算，而在节点的标量位自由度采用二阶元计算。

在三维瞬态场中，线圈的激励源可以为电流源或电压源，导体类型可以为实体或绕组，本文采用的为外部施加电压源绕组型线圈，默认绕组内电流密度是完全均匀的[9]。

三维瞬态场计算中包含了瞬态电磁过程和瞬态的机械过程。在处理瞬态机械过程中引入位移的离散计算：

(3)

其中：x—铁芯位移。

4 仿真计算结果

4.1 短路环对电磁系统的影响

对于交流接触器，不同的短路环材料、短路环厚度以及短路环长度对电磁系统的最小吸力具有显著影响。本文分别对不同的短路环材料、长度、厚度进行仿真计算。

图4 短路环及其尺寸

其中，a为长度尺寸，b为厚度尺寸。

如图4所示，对短路环材料为铜材料、铝材料，短路环长度尺寸a为9.5mm、10.5mm、12.5mm，厚度尺寸b为1.2mm、1.5mm、2.0mm分别进行仿真计算分析。计算线圈电压为Un=220V，频率为50Hz下电磁系统的最小吸力，结果如图5、图6所示。

图5 短路环材料和长度对最小吸力影响

从图5可知，短路环材料为铜材料的电磁吸力显著大于铝材料。短路环最小吸力在9.5～12.5mm长度中呈现先减小后增大的趋势，但其最大值均小于长度在9.5mm的吸力值。即短路环长度与最小电磁吸力为小范围内波动，整体趋于减小的特性。针对本文25A交流接触器合适的短路环长度为9.5mm，材料为铜。

图6 短路环材料和厚度对最小吸力影响

如图6所示，短路环材料为铜材料的电磁吸力显著大于铝材料。短路环最小吸力在1.2～2.0mm厚度中呈现正相关特性，即厚度越大最小吸力越大。厚度2.0吸力最大值为6.75N。针对本文25A交流接触器合适的短路环厚度为1.6mm，材料为铜。

4.2 衔铁对电磁系统的影响

衔铁是交流接触器电磁系统的重要组成部件，对电磁系统具有显著的影响。本文针对不同的对衔铁厚度和衔铁宽度尺寸进行仿真计算。

图7 衔铁及其尺寸

其中，c为衔铁宽度尺寸，d为衔铁厚度尺寸。

如图7所示，对衔铁宽度尺寸10mm、11.25mm、15mm,衔铁厚度3mm、3.15mm、3.3mm进行仿真计算。计算线圈电压为220V,频率50Hz下的电磁系统最小吸力和最大吸力，结果如图8、图9所示。

从图8可知，衔铁厚度越大最小电磁吸力越小，3.3mm时候电磁吸力最小为4.81N。其最小值也大于反力弹簧最大值4.3N。衔铁厚度越大最大电磁吸力越大，3.3mm时候电磁吸力最大为67.5N 。最大值范围为64.97～67.5N之间，相对增加不大。

图8 衔铁厚度对电磁系统的影响

图9 衔铁宽度对电磁系统的影响

从图9可知衔铁宽度增大最小电磁吸力先增大后减小的趋势。衔铁宽度增大最大电磁吸力减小，负相关，最小为12.5mm时候60.47N，最大为10mm时候，64.8N。针对本文25A交流接触器的衔铁宽度为10-11.25之间。

4.3 磁轭对电磁系统的影响

本文对不同的磁轭底部尺寸进行仿真计。

图10 磁轭及其尺寸

其中e为磁轭底部尺寸。

如图10所示，对磁轭尺寸4mm、4.4mm、4.7mm、5.1mm、6.4mm进行仿真计算。计算线圈电压为Un=220V，频率为50Hz下电磁系统的最小吸力和最大电磁吸力，结果如图11所示。

图11 磁轭对电磁系统的影响

如图11所示，磁轭底部尺寸对最小电磁吸力呈现小范围波动，整体正相关的趋势。磁轭底部尺寸对最大电磁吸力呈现小范围波动，整体正相关的趋势。最大值从63.5～65.85N之间，相对增加不大。针对本文25A交流接触器合适的磁轭底部尺寸为4.4mm。

5 试验验证

利用合闸选相角装置、激光位移传感器、示波器三种设备，分别测试了电压为Un=220V，频率为50Hz，相角θ为30°电流特性曲线及铁芯运动位移曲线，并与仿真结果进行对比，试验验证结果如图8所示。

图12 θ=30°时试验验证对比

通过图12的试验对比可知，仿真结果与试验结果基本吻合。图12(a)测试所得的总程最大值为3.5875mm，仿真最大值为3.52mm，误差在10%以内。图12(b)测试线圈电流最大值为0.485A，仿真最大值为0.494A，误差在10%内。通过试验验证结果可知，仿真方法是准确有效的。

6 结语

本文利用ANSYS Electronics的Circuit模块和Maxwell 3D的瞬态仿真模块，建立交流接触器的外加激励电路，然后对交流接触器进行动态特性仿真计算，仿真计算了短路环、衔铁、磁轭对交流接触器电磁系统的影响，最终通过试验测试与仿真计算结果进行对比，结果表明仿真计算结果与试验结果基本吻合，仿真误差小于10%，交流接触器的动态仿真计算方法是有效的。该仿真方法能为交流接触器新品开发和优化设计提供一种快速、可行的虚拟样机分析手段。