一種針對(duì)脈沖性反力電磁鐵的仿真與選型

焦達(dá)文 馬少華

【摘要】本文針對(duì)一種脈沖性反力，利用Ansoft2D軟件對(duì)三種不同形狀的電磁鐵進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，計(jì)算其在相同條件下的靜態(tài)吸力特性、動(dòng)態(tài)位移特性及速度特性等動(dòng)態(tài)特性。并加以對(duì)比分析，得出最適合與條件反力配合的電磁鐵，從而達(dá)到高效省料的目的。

【關(guān)鍵詞】電磁鐵;脈沖性反力;仿真分析;動(dòng)態(tài)特性

Abstract：In this paper，aimed at a pulsed reaction force，three different types electromagnet were dynamically simulated by using Ansoft software，calculated the dynamic characteristics of the electromagnetic attractive force，displacement and speed under the same condition.And to be compared and analyzed to arrive at the most suitable electromagnet with the condition reaction force，so as to achieve efficient and material saving purpose.

Key words：electromagnet;pulsed reaction force;simulation analysis;dynamic characteristics

1.引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，低壓開關(guān)電器的用量日益增加，對(duì)其性能的要求越來越高。電磁系統(tǒng)作為低壓開關(guān)電器的重要組成部分，其特性直接影響電器整體的性能。常見的電磁機(jī)構(gòu)反力是呈階段性遞減的趨勢(shì)，反力特性曲線。但有些具有特殊用途設(shè)備的開關(guān)電磁機(jī)構(gòu)反力是具有脈沖性的，如瞬時(shí)脫扣機(jī)構(gòu)和具有起重性質(zhì)的負(fù)載反力特性等[1]，其反力特性為中間行程大，兩邊行程小，曲線如圖1所示。如何設(shè)計(jì)選擇合理的電磁系統(tǒng)，使其與脈沖性反力合理配合，達(dá)到開關(guān)的穩(wěn)定、可靠閉合是目前相關(guān)用戶的主要關(guān)注和需求點(diǎn)。本文采用U型、E型和螺管式三種不同形狀的電磁鐵分別作為相關(guān)開關(guān)的電磁系統(tǒng)部分，通過利用工程軟件Ansoft2D對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析與對(duì)比[2]。最終選出合閘速度快，可靠性高，節(jié)省材料的電磁鐵作為相關(guān)電器開關(guān)的電磁系統(tǒng)部分的元件。

圖1 具有脈沖性的反力特性曲線圖

2.電磁鐵的靜態(tài)吸力特性分析

電磁鐵的基本工作原理是根據(jù)電磁感應(yīng)定律，線圈通電后產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而在動(dòng)鐵心和靜鐵心之間產(chǎn)生電磁吸力使動(dòng)鐵心動(dòng)作達(dá)到控制開關(guān)轉(zhuǎn)換的要求[3-4]。

電磁鐵麥克斯韋吸力公式如下所示：

（1）

式中：F為電磁吸力，為氣隙磁通，為氣隙面積，為氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度，為空氣磁導(dǎo)系數(shù)。

由公式（1）可知，電磁吸力的大小與動(dòng)、靜鐵心的接觸面積有關(guān)。所以在相同材料和激勵(lì)下，選擇合理的電磁鐵結(jié)構(gòu)就顯得十分重要。

電磁鐵的結(jié)構(gòu)分類較多。本文針對(duì)同尺寸的U型、E型和螺管式三種結(jié)構(gòu)電磁鐵作為分析和比較的對(duì)象。

通過對(duì)行程中各個(gè)階段的電磁力計(jì)算，可得到如圖2所示的靜態(tài)吸力特性曲線圖。

圖2 靜態(tài)吸力特性曲線圖

將三種結(jié)構(gòu)的電磁鐵與反力特性相比較可知，雖然兩者在行程中有小于反力的部分，但由于吸力大于反力的行程大，動(dòng)鐵心可以依靠慣性沖過反力大于吸力的一段行程，并吸合到底，既可以快速閉合電路，又可以減輕機(jī)械沖擊。

3.動(dòng)態(tài)特性仿真與對(duì)比分析

本文采用Maxwell Ansoft2D電磁場(chǎng)瞬態(tài)求解器對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析[5]，電源部分為220V交流電經(jīng)過整流、濾波后給電容充電，充電后的電容通過放電為激勵(lì)線圈回路提供激勵(lì)電流。電磁鐵行程約為12mm，并選取動(dòng)鐵心吸合位移和吸合速度等動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行對(duì)比分析。

圖3 動(dòng)鐵心位移特性曲線

圖3所示為動(dòng)鐵心位移特性曲線，從圖中可以看出，U型和E型兩種形狀的電磁鐵的動(dòng)鐵心在約7.5ms處達(dá)到吸合位置，并且E型要比U型略快一些，但效果不明顯。而螺管式電磁鐵的吸合時(shí)間約為10ms，相對(duì)來說吸合速度要慢很多。

圖4所示為動(dòng)鐵心的速度特性曲線，從圖中可看出，在達(dá)到吸合位置之前U型和E型的瞬時(shí)速度相近，且二者遠(yuǎn)大于螺管式。E型略大于U型，但效果不明顯。然而，當(dāng)?shù)竭_(dá)吸合位置的瞬間，E型的速度要遠(yuǎn)大于U型，所以相同尺寸和材料下其動(dòng)鐵心的沖量要遠(yuǎn)大于U型，這樣會(huì)導(dǎo)致動(dòng)靜鐵心在吸合時(shí)鐵心之間的碰撞增大，縮短電磁系統(tǒng)的機(jī)械壽命。

圖4 動(dòng)鐵心速度特性曲線

4.結(jié)論

本文利用Ansoft2D對(duì)三種不同形狀的電磁鐵進(jìn)行有限元仿真分析，得到了各自的電磁吸力特性、位移特性和速度特性。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，得出以下結(jié)論：（1）所得特性中，U型和E型的電磁鐵均相似，且遠(yuǎn)優(yōu)于螺管式電磁鐵。（2）從電壽命角度看，U型要優(yōu)于E型。（3）從生產(chǎn)工藝角度看，U型要優(yōu)于E型。

以上結(jié)論為開關(guān)電器的研制生產(chǎn)可提供一定的參考價(jià)值。

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