电磁开关静态特性仿真研究

钟恩松，卞家胜，单绍平，李书营

电磁开关静态特性仿真研究

钟恩松，卞家胜，单绍平，李书营

（郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 450052）

采用Ansoft软件对电磁开关的静态吸力特性进行有限元建模仿真研究，并结合仿真结果与实验数据进行对比，对误差来源进行了总结分析，仿真结论可为工程上电磁开关的设计研究提供一定的参考。

电磁开关；静态特性；电磁力；有限元

1 电磁开关概述

汽车起动机主要由直流起动电机、传动机构、控制装置三部分组成，它的作用是通过直流起动电机把蓄电池的电能转化为机械能，再由传动机构带动发动机飞轮旋转，以满足点火条件，从而让发动机起动，使汽车进入运行状态。目前，汽车起动机的控制装置普遍采用电磁操纵式，其核心部件是电磁开关，主要部件包括动铁芯、静铁芯、吸拉线圈、保持线圈、壳体等。电磁开关作为汽车起动机的核心部件，其特性的优劣对其工作可靠性影响很大。电磁开关的特性主要包括静态吸力特性和动态特性，其中静态吸力特性是指动铁芯与静铁芯静止于特定工作气隙处时电磁力随工作气隙变化的关系曲线[1]。目前，工程上普遍把静态吸力特性作为校验电磁开关设计可靠性的重要参考指标[2]。本文主要采用Ansoft有限元软件建模的方法，对电磁开关的静态吸力特性进行仿真研究。

2 电磁开关有限元建模

目前，应用的有限元分析软件种类很多，本文采用的Ansoft软件只是其中一种。这里采用Ansoft软件对某型号汽车起动机电磁开关进行建模分析。

2.1 输入参数设置

吸拉线圈匝数为128匝，保持线圈匝数为128匝，吸拉线圈电阻为0.249 Ω（实测为0.273 Ω）、保持线圈电阻为0.791 Ω（实测为0.865 Ω）。导磁体（动铁芯、静铁芯、壳体）的使用材料为8号钢，仿真采用软件内置的8号钢磁化曲线。静态特性仿真采用的激励为恒流源，第一行程双线圈（吸拉线圈和保持线圈）通电，附加行程单线圈（保持线圈）通电。考虑到在后期进行静态电磁吸力测量时，如果线圈电流过大，将使导线发热很严重，影响实验精度。综合考虑，仿真参数选择为吸拉线圈电流32.1 A、保持线圈电流10.1 A。

2.2 建立电磁开关的有限元仿真模型

根据电磁开关的组成结构和设计尺寸，在Ansoft软件中建立电磁开关的仿真模型。由于电磁开关的内部组成结构比较复杂，因此在进行实体模型绘制时，静铁芯和壳体可以由电磁开关的三维设计图直接导入，而动铁芯、吸拉线圈、保持线圈需要在Ansoft软件中重新绘制。实体模型绘制完成后进行材料和激励给定、网格剖分、求解参数设定等环节[3]。

3 仿真与实验数据对比

图1为电磁开关测试台架。

图1 电磁开关测试台架

运用电磁开关测试系统，对电磁开关的实际静态吸力特性进行测定，当吸拉线圈和保持线圈同时通电时，电磁开关处于第一行程（2～10.45 mm），分别选取几个第一行程内的工作气隙点进行电磁力测试。只有保持线圈通电时，电磁开关位于附加行程（0～2 mm），分别选取附加行程内的几个点进行电磁力测试。图2为双线圈通电工况时，电磁力的仿真与实验曲线对比图。图3为单线圈通电工况时，电磁力的仿真与实验曲线对比图。

4 误差来源分析

针对上述仿真与实验结果进行了原因分析，具体情况如下，其中测量方式误差和测量精度误差为实验测试误差，线圈建模误差和磁化曲线误差为仿真建模误差。

4.1 测量方式误差

电磁力的测定对实验设备的精度要求较高，而实验过程中发现：电磁开关测试台安装卡槽与动铁芯拉杆之间存在空隙，这对实验测试结果影响较大，会导致电磁力实验测试结果偏大。经测定，卡槽与拉杆之间的空隙约为0.4 mm。如果以此为依据对测量数据进行补偿，则可得到更为理想的结果。经过补偿后，实验数据与仿真数据之间的误差大大减小，误差率可控制在5%以内。

图2 电磁力仿真与实验曲线（双线圈通电工况）

图3 电磁力仿真与实验曲线（单线圈通电工况）

4.2 测量精度误差

双线圈通电工况时，实验测试数据的一致性较理想，而在单线圈通电工况时，实验数据的波动性显著增大，一致性较差。因为双线圈通电工况时，电磁开关处于第一行程，工作气隙较大，电磁力变化较小；而单线圈通电工况时，电磁开关处于附加行程，工作气隙大大减小，此时电磁力变化剧烈，测试结果对实验条件的细微变化非常敏感，同时与设备本身的测量精度也有一定的关联。

4.3 线圈建模误差

实物电磁开关的吸拉线圈和保持线圈是由两股线径不同的漆包线并行绕制的，这样的漏磁相对较小，并且两个线圈的磁链大小基本是相同的。而在Ansoft仿真模型中，采用两个圆环柱代替两个线圈，并且由于软件本身不允许部件之间交叉重叠，这样使得两个圆环柱在空间上必定存在间距。这样的处理方式对仿真结果会有一定的影响。

4.4 磁化曲线误差

电磁力的大小与磁路中磁通的大小成正比，而在磁势一定的条件下，导磁材料的磁化曲线决定了磁通量[4]。本次仿真模型采用的是软件内置的8号钢B-H曲线，对仿真结果可能会有一定的影响。

5 研究结论

电磁开关处于第一行程（2～10 mm）时，仿真结果与实验数据的最大误差率为－11.02%，可以基本满足设计要求。对实验数据进行补偿后，电磁开关位于第一行程时，仿真结果与实验数据的最大误差率降至3.88%。电磁开关处于附加行程（0～2 mm）时，仿真结果与实验数据的最大误差率为32.88%，该偏差主要来源于实验误差。

电磁开关仿真模型本身有线圈建模误差和磁化曲线误差两个主要误差来源。

［1］钟恩松.基于有限元的汽车起动机电磁开关建模及其特性研究［D］.成都：西南交通大学，2016.

［2］夏利波.汽车起动机电磁开关的设计研究［D］.杭州：浙江大学，2011.

［3］田昊，赵禹任，候交义，等.基于电流调制的电磁开关阀开关特性研究［J］.液压与起动，2019（5）：9-14.

［4］罗石，孙雷.汽车起动机电磁开关动态行程分析［J］.淮海工学院学报（自然科学版），2016（1）：11-15.

TH137.52

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.032

2095－6835（2019）17－0073－02

钟恩松（1988—），男，江西赣州人，助教，研究方向为电力电子与电力传动。

〔编辑：张思楠〕