電磁開關靜態特性仿真研究

鐘恩松，卞家勝，單紹平，李書營

電磁開關靜態特性仿真研究

鐘恩松，卞家勝，單紹平，李書營

（鄭州鐵路職業技術學院，河南 鄭州 450052）

采用Ansoft軟件對電磁開關的靜態吸力特性進行有限元建模仿真研究，并結合仿真結果與實驗數據進行對比，對誤差來源進行了總結分析，仿真結論可為工程上電磁開關的設計研究提供一定的參考。

電磁開關；靜態特性；電磁力；有限元

1 電磁開關概述

汽車起動機主要由直流起動電機、傳動機構、控制裝置三部分組成，它的作用是通過直流起動電機把蓄電池的電能轉化為機械能，再由傳動機構帶動發動機飛輪旋轉，以滿足點火條件，從而讓發動機起動，使汽車進入運行狀態。目前，汽車起動機的控制裝置普遍采用電磁操縱式，其核心部件是電磁開關，主要部件包括動鐵芯、靜鐵芯、吸拉線圈、保持線圈、殼體等。電磁開關作為汽車起動機的核心部件，其特性的優劣對其工作可靠性影響很大。電磁開關的特性主要包括靜態吸力特性和動態特性，其中靜態吸力特性是指動鐵芯與靜鐵芯靜止于特定工作氣隙處時電磁力隨工作氣隙變化的關系曲線[1]。目前，工程上普遍把靜態吸力特性作為校驗電磁開關設計可靠性的重要參考指標[2]。本文主要采用Ansoft有限元軟件建模的方法，對電磁開關的靜態吸力特性進行仿真研究。

2 電磁開關有限元建模

目前，應用的有限元分析軟件種類很多，本文采用的Ansoft軟件只是其中一種。這里采用Ansoft軟件對某型號汽車起動機電磁開關進行建模分析。

2.1 輸入參數設置

吸拉線圈匝數為128匝，保持線圈匝數為128匝，吸拉線圈電阻為0.249 Ω（實測為0.273 Ω）、保持線圈電阻為0.791 Ω（實測為0.865 Ω）。導磁體（動鐵芯、靜鐵芯、殼體）的使用材料為8號鋼，仿真采用軟件內置的8號鋼磁化曲線。靜態特性仿真采用的激勵為恒流源，第一行程雙線圈（吸拉線圈和保持線圈）通電，附加行程單線圈（保持線圈）通電。考慮到在后期進行靜態電磁吸力測量時，如果線圈電流過大，將使導線發熱很嚴重，影響實驗精度。綜合考慮，仿真參數選擇為吸拉線圈電流32.1 A、保持線圈電流10.1 A。

2.2 建立電磁開關的有限元仿真模型

根據電磁開關的組成結構和設計尺寸，在Ansoft軟件中建立電磁開關的仿真模型。由于電磁開關的內部組成結構比較復雜，因此在進行實體模型繪制時，靜鐵芯和殼體可以由電磁開關的三維設計圖直接導入，而動鐵芯、吸拉線圈、保持線圈需要在Ansoft軟件中重新繪制。實體模型繪制完成后進行材料和激勵給定、網格剖分、求解參數設定等環節[3]。

3 仿真與實驗數據對比

圖1為電磁開關測試臺架。

圖1 電磁開關測試臺架

運用電磁開關測試系統，對電磁開關的實際靜態吸力特性進行測定，當吸拉線圈和保持線圈同時通電時，電磁開關處于第一行程（2～10.45 mm），分別選取幾個第一行程內的工作氣隙點進行電磁力測試。只有保持線圈通電時，電磁開關位于附加行程（0～2 mm），分別選取附加行程內的幾個點進行電磁力測試。圖2為雙線圈通電工況時，電磁力的仿真與實驗曲線對比圖。圖3為單線圈通電工況時，電磁力的仿真與實驗曲線對比圖。

4 誤差來源分析

針對上述仿真與實驗結果進行了原因分析，具體情況如下，其中測量方式誤差和測量精度誤差為實驗測試誤差，線圈建模誤差和磁化曲線誤差為仿真建模誤差。

4.1 測量方式誤差

電磁力的測定對實驗設備的精度要求較高，而實驗過程中發現：電磁開關測試臺安裝卡槽與動鐵芯拉桿之間存在空隙，這對實驗測試結果影響較大，會導致電磁力實驗測試結果偏大。經測定，卡槽與拉桿之間的空隙約為0.4 mm。如果以此為依據對測量數據進行補償，則可得到更為理想的結果。經過補償后，實驗數據與仿真數據之間的誤差大大減小，誤差率可控制在5%以內。

圖2 電磁力仿真與實驗曲線（雙線圈通電工況）

圖3 電磁力仿真與實驗曲線（單線圈通電工況）

4.2 測量精度誤差

雙線圈通電工況時，實驗測試數據的一致性較理想，而在單線圈通電工況時，實驗數據的波動性顯著增大，一致性較差。因為雙線圈通電工況時，電磁開關處于第一行程，工作氣隙較大，電磁力變化較小；而單線圈通電工況時，電磁開關處于附加行程，工作氣隙大大減小，此時電磁力變化劇烈，測試結果對實驗條件的細微變化非常敏感，同時與設備本身的測量精度也有一定的關聯。

4.3 線圈建模誤差

實物電磁開關的吸拉線圈和保持線圈是由兩股線徑不同的漆包線并行繞制的，這樣的漏磁相對較小，并且兩個線圈的磁鏈大小基本是相同的。而在Ansoft仿真模型中，采用兩個圓環柱代替兩個線圈，并且由于軟件本身不允許部件之間交叉重疊，這樣使得兩個圓環柱在空間上必定存在間距。這樣的處理方式對仿真結果會有一定的影響。

4.4 磁化曲線誤差

電磁力的大小與磁路中磁通的大小成正比，而在磁勢一定的條件下，導磁材料的磁化曲線決定了磁通量[4]。本次仿真模型采用的是軟件內置的8號鋼B-H曲線，對仿真結果可能會有一定的影響。

5 研究結論

電磁開關處于第一行程（2～10 mm）時，仿真結果與實驗數據的最大誤差率為－11.02%，可以基本滿足設計要求。對實驗數據進行補償后，電磁開關位于第一行程時，仿真結果與實驗數據的最大誤差率降至3.88%。電磁開關處于附加行程（0～2 mm）時，仿真結果與實驗數據的最大誤差率為32.88%，該偏差主要來源于實驗誤差。

電磁開關仿真模型本身有線圈建模誤差和磁化曲線誤差兩個主要誤差來源。

［1］鐘恩松.基于有限元的汽車起動機電磁開關建模及其特性研究［D］.成都：西南交通大學，2016.

［2］夏利波.汽車起動機電磁開關的設計研究［D］.杭州：浙江大學，2011.

［3］田昊，趙禹任，候交義，等.基于電流調制的電磁開關閥開關特性研究［J］.液壓與起動，2019（5）：9-14.

［4］羅石，孫雷.汽車起動機電磁開關動態行程分析［J］.淮海工學院學報（自然科學版），2016（1）：11-15.

TH137.52

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.032

2095－6835（2019）17－0073－02

鐘恩松（1988—），男，江西贛州人，助教，研究方向為電力電子與電力傳動。

〔編輯：張思楠〕