基于Maxwell的交流接觸器電磁系統優化仿真

(廈門宏發開關設備有限公司，廈門 361021)

1 引言

接觸器是一種適用于遠距離頻繁接通和分斷交直流主電路及大容量控制電路的自動控制電器[1]。隨著新能源、電動汽車、工業自動化等行業的不斷發展，接觸器的使用量也日漸增長，對接觸器的要求也越來越高。接觸器運動過程的動態特性分析在研發過程中起著關鍵作用，快速準確計算其動態特性意義重大。

近年來，接觸器運動過程的仿真計算取得了快速的發展。早期的接觸器仿真大部分采用的是二維有限元靜態特性仿真和三維有限元靜態特性仿真[2-4]，近幾年得益于計算機的發展進行三維有限元動態特性分析的研究增多。文獻[5]利用Maxwell有限元軟件的3D Maxwell模塊對雙E型交流接觸器的動態特性進行了分析，分析對比了其電流動態特性、啟動時間特性，并探討了啟動相角和電壓對啟動時間、吸合時間、啟動電流的影響。文獻[6-7]采用對多體動力學分析軟件Adams進行二次開發，并將機械運動方程和電磁場及電路方程進行耦合迭代求解，對接觸器進行了動態特性研究。文獻[8]通過磁路法建立交流接觸器的動態運動方程，通過Labview進行交流接觸器的動態特性分析，利用該方法可以快速提高計算速度，節省計算時間。

本文運用ANSYS Electronics的Circuit模塊建立交流接觸器的外加激勵電路，再運用Maxwell 3D的瞬態仿真模塊建立交流接觸器電磁系統部分的三維仿真模型，通過耦合電磁系統和外加激勵電路實現對交流接觸器的動態特性的仿真計算，并通過試驗對仿真計算結果進行驗證。

2 建立交流接觸器有限元模型

本文研究對象為一款額定電流為25A的單E型鐵芯交流接觸器，線圈電壓為AC 220V-50Hz，線圈參數為線徑0.12mm，匝數6800匝。

利用Maxwell軟件建立交流接觸器的3D模型，模型包括動銜鐵、磁軛、短路環、線圈、空氣域、鐵芯運動域。模型如圖1所示，Maxwell中可通過建立一個運動域自定義鐵芯的運動行程。

圖1 仿真模型和電磁系統部分

2.1 添加零件材料

磁軛的材料為硅鋼片，銜鐵材料為電工純鐵，分別添加其BH曲線。短路環及線圈采用系統自帶的銅材料，空氣域及運動域材料屬性為空氣。

2.2 網格劃分及邊界條件設置

采用手工劃分網格，對網格尺寸進行限制，其中短路環網格單元最大尺寸為0.5mm，線圈最大為2mm，銜鐵及磁軛為4mm，空氣域和運動域為5mm。網格劃分結果如圖2所示。邊界條件采用系統默認的邊界條件，即零件交界面為自然邊界條件，外邊界為諾依曼邊界條件。

圖2 有限元模型

2.3 外加激勵電路設計及耦合

運用ANSYS Electronics的Circuit 模塊建立線圈外部激勵電路，電路如圖3所示，圖中V1為線圈電壓源，線圈電壓Un=220V,50Hz，合閘相角θ為0°。線圈線徑0.12mm， S|R為線圈電阻1235Ω，Lcoil為線圈截面等效模塊。電路中線圈導電截面等效模塊名稱需與Maxwell中的線圈截面導電部分名稱一致，線圈激勵電路通過Maxwell施加外加激勵電路與三維模型耦合一起。

圖3 線圈外部激勵電路

3 三維瞬態場計算原理

對于低頻瞬態磁場，麥克斯韋方程可以寫成:

(1)

在式(1)的基礎上可以構造出兩個恒等式:

(2)

其中：H—磁場強度；

σ—電導率；

B—磁通量密度。

在求解三維瞬態磁場時，其棱邊上的矢量位自由度采用一階元計算，而在節點的標量位自由度采用二階元計算。

在三維瞬態場中，線圈的激勵源可以為電流源或電壓源，導體類型可以為實體或繞組，本文采用的為外部施加電壓源繞組型線圈，默認繞組內電流密度是完全均勻的[9]。

三維瞬態場計算中包含了瞬態電磁過程和瞬態的機械過程。在處理瞬態機械過程中引入位移的離散計算：

(3)

其中：x—鐵芯位移。

4 仿真計算結果

4.1 短路環對電磁系統的影響

對于交流接觸器，不同的短路環材料、短路環厚度以及短路環長度對電磁系統的最小吸力具有顯著影響。本文分別對不同的短路環材料、長度、厚度進行仿真計算。

圖4 短路環及其尺寸

其中，a為長度尺寸，b為厚度尺寸。

如圖4所示，對短路環材料為銅材料、鋁材料，短路環長度尺寸a為9.5mm、10.5mm、12.5mm，厚度尺寸b為1.2mm、1.5mm、2.0mm分別進行仿真計算分析。計算線圈電壓為Un=220V，頻率為50Hz下電磁系統的最小吸力，結果如圖5、圖6所示。

圖5 短路環材料和長度對最小吸力影響

從圖5可知，短路環材料為銅材料的電磁吸力顯著大于鋁材料。短路環最小吸力在9.5～12.5mm長度中呈現先減小后增大的趨勢，但其最大值均小于長度在9.5mm的吸力值。即短路環長度與最小電磁吸力為小范圍內波動，整體趨于減小的特性。針對本文25A交流接觸器合適的短路環長度為9.5mm，材料為銅。

圖6 短路環材料和厚度對最小吸力影響

如圖6所示，短路環材料為銅材料的電磁吸力顯著大于鋁材料。短路環最小吸力在1.2～2.0mm厚度中呈現正相關特性，即厚度越大最小吸力越大。厚度2.0吸力最大值為6.75N。針對本文25A交流接觸器合適的短路環厚度為1.6mm，材料為銅。

4.2 銜鐵對電磁系統的影響

銜鐵是交流接觸器電磁系統的重要組成部件，對電磁系統具有顯著的影響。本文針對不同的對銜鐵厚度和銜鐵寬度尺寸進行仿真計算。

圖7 銜鐵及其尺寸

其中，c為銜鐵寬度尺寸，d為銜鐵厚度尺寸。

如圖7所示，對銜鐵寬度尺寸10mm、11.25mm、15mm,銜鐵厚度3mm、3.15mm、3.3mm進行仿真計算。計算線圈電壓為220V,頻率50Hz下的電磁系統最小吸力和最大吸力，結果如圖8、圖9所示。

從圖8可知，銜鐵厚度越大最小電磁吸力越小，3.3mm時候電磁吸力最小為4.81N。其最小值也大于反力彈簧最大值4.3N。銜鐵厚度越大最大電磁吸力越大，3.3mm時候電磁吸力最大為67.5N 。最大值范圍為64.97～67.5N之間，相對增加不大。

圖8 銜鐵厚度對電磁系統的影響

圖9 銜鐵寬度對電磁系統的影響

從圖9可知銜鐵寬度增大最小電磁吸力先增大后減小的趨勢。銜鐵寬度增大最大電磁吸力減小，負相關，最小為12.5mm時候60.47N，最大為10mm時候，64.8N。針對本文25A交流接觸器的銜鐵寬度為10-11.25之間。

4.3 磁軛對電磁系統的影響

本文對不同的磁軛底部尺寸進行仿真計。

圖10 磁軛及其尺寸

其中e為磁軛底部尺寸。

如圖10所示，對磁軛尺寸4mm、4.4mm、4.7mm、5.1mm、6.4mm進行仿真計算。計算線圈電壓為Un=220V，頻率為50Hz下電磁系統的最小吸力和最大電磁吸力，結果如圖11所示。

圖11 磁軛對電磁系統的影響

如圖11所示，磁軛底部尺寸對最小電磁吸力呈現小范圍波動，整體正相關的趨勢。磁軛底部尺寸對最大電磁吸力呈現小范圍波動，整體正相關的趨勢。最大值從63.5～65.85N之間，相對增加不大。針對本文25A交流接觸器合適的磁軛底部尺寸為4.4mm。

5 試驗驗證

利用合閘選相角裝置、激光位移傳感器、示波器三種設備，分別測試了電壓為Un=220V，頻率為50Hz，相角θ為30°電流特性曲線及鐵芯運動位移曲線，并與仿真結果進行對比，試驗驗證結果如圖8所示。

圖12 θ=30°時試驗驗證對比

通過圖12的試驗對比可知，仿真結果與試驗結果基本吻合。圖12(a)測試所得的總程最大值為3.5875mm，仿真最大值為3.52mm，誤差在10%以內。圖12(b)測試線圈電流最大值為0.485A，仿真最大值為0.494A，誤差在10%內。通過試驗驗證結果可知，仿真方法是準確有效的。

6 結語

本文利用ANSYS Electronics的Circuit模塊和Maxwell 3D的瞬態仿真模塊，建立交流接觸器的外加激勵電路，然后對交流接觸器進行動態特性仿真計算，仿真計算了短路環、銜鐵、磁軛對交流接觸器電磁系統的影響，最終通過試驗測試與仿真計算結果進行對比，結果表明仿真計算結果與試驗結果基本吻合，仿真誤差小于10%，交流接觸器的動態仿真計算方法是有效的。該仿真方法能為交流接觸器新品開發和優化設計提供一種快速、可行的虛擬樣機分析手段。