基于Maxwell 的继电器电磁激励力的研究

黄 宇

（沈阳特种设备检测研究院， 辽宁 沈阳 110035）

0 引言

电磁系统是直流接触器的动力来源， 缠绕在铁芯上的线圈通过电流产生电磁场，磁力线通过铁芯、空气气隙和动铁芯形成磁回路，对动铁芯产生磁力的吸引作用，使动铁芯与铁芯闭合， 同时动铁芯带动直流接触器触头系统运动，完成动、静触头的闭合。在触头分断过程中，电磁线圈断电，磁力线、磁回路和电磁吸力消失，动铁芯在弹簧反力的作用下与铁芯分离， 同时动铁芯带动直流接触器触头系统运动，完成动、静触头的分断。 直流接触器电磁系统的产生的电磁激励力，与继电器的使用寿命、分断速度和振动特性等性能息息相关。 对直流接触器振动特性进行研究应先对继电器的电磁系统进行研究。

1 高压直流电磁继电器电磁激励研究

1.1 建立电磁系统的模型

运用CATIA 软件建立经过简化后的电磁机构模型，并将CATIA 软件建立好的三维模型导入到Maxwell3D 中。高压直流电磁继电器电磁系统的结构参数，如表1 所示。

表1 高压直流继电器结构参数Tab.1 Structural parameters of HVDC relay

1.2 材料设置

利用Region 工具在模型为建立外空气层， 选择建立好的空气层设置空气层的边界条件，如图1 所示。

图1 外空气层边界设置示意图Fig.1 Schematic diagram of the outer air layer boundary setting

材料设置对于有限分析的准确性至关重要，因此，动铁心、 动铁芯和轭铁部分为电工纯 铁（DT4E），由于其为磁化曲线是非线性的， 因此需要根据测试出来的B-H 曲线设置。 空气层的相对磁导率为1.0。线圈材料为纯铜可以直接从材料库中设置设为CU。

1.3 网格划分

对于有限分析软件来说网格划分的质量对计算结果的准确性有着较大影响， 采用默认网格对模型进行划分，金属部分网格效果，见图2，外部空气层网格效果，见图3。

图2 电磁系统模型划分网格效果图Fig.2 Electromagnetic system model meshing effect diagram

图3 外部空气划分网格效果图Fig.3 External air division grid renderings

1.4 添加激励电流

该高压直流电磁电器的线圈是有多匝线圈组成，因此不可以添加简单电流激励需要将其近似看作带电流从线圈的截面均匀输入。可以在线圈三维模型的x-y 面上创建一截面并在截面添加电流源作为驱动，线圈产生磁感线方向可由“右手定则”得出。 如图4所示。

1.5 仿真设置

由于继电器运动过程中动铁芯向上运动，我们为了得到动铁芯向上运动时不同位置受到的电磁力， 需要在仿真之前编辑继电器的位置函数。将动铁芯沿运动方向移动一定位置后，将位移设为step 函数。 根据动铁芯的运动区间设置函数起止值和步长， 其中步长越小计算结果更精确。完成对模型的是之后检查模型无误后，设置求解器开始对模型进行仿真。

2 仿真结果分析

本节对模型不同位置的情况下进行仿真分析，得到的各位置的磁感应强度矢量云图，并记录下不同位置下的电磁力矩绘制转角与电磁转矩的曲线，根据云图和扭矩对高压直流电磁电磁继电器的电磁机构进行静态特性分析。

图4 电流激励方向示意图Fig.4 Schematic diagram of current excitation direction

2.1 不同位置电磁机构磁场分析

继电器电磁系统中动铁芯顶部距离轭铁板的距离为动铁芯的行程1.8～2mm。 由于动铁芯带动动触点向上运动是一个连续的动态过程， 工作气隙随时间不断变化， 设线圈电流源恒定时， 分别对工作气隙为0mm、0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm 五个位置进行仿真，得到五种工作气隙下的磁场强度、和磁矢量云图如下。

根据图像可知铁芯、金属壳、轭铁板和气隙构成的回路为电磁系统的主磁通， 其他位置磁力线和场强的变化均由漏磁产生，有仿真结果可知铁芯、金属壳之间和铁芯与轭铁板间的工作气隙出存在较多的漏磁，并且随着铁芯上表面距离轭铁板的距离增大，工作气隙间的漏磁变得更加严重，并且根据磁场变化可以推测出随着工作气隙的增大电磁吸力呈现减小的趋势。

图5 工作气隙为0mm 时磁感应强度矢量分布图及云图Fig.5 Vector distribution and cloud diagram of magnetic induction intensity when working air gap is 0mm

图6 工作气隙为0.5mm 时磁感应强度矢量分布图及云图Fig.6 vector distribution and cloud diagram of magnetic induction intensity when working air gap is 0.5mm

图7 工作气隙为1.0mm 时磁感应强度矢量分布图及云图Fig.7 Vector distribution and cloud diagram of magnetic induction intensity when working air gap is 1.0mm

图8 工作气隙为1.5mm 时磁感应强度矢量分布图及云图Fig.8 Vector distribution and cloud diagram of magnetic induction intensity when working air gap is 1.5mm

图9 工作气隙为2.0mm 时磁感应强度矢量分布图及云图Fig.9 vector distribution and cloud diagram of magnetic induction intensity when working air gap is 2.0mm

2.2 不同电流下电磁驱动力

采用参数化分析， 计算电磁系统在不同激励电流下转动过程中各个位置所受到的电磁， 分别计算继电器电磁吸力与施加在线圈上的电磁激励间的关系。 分别对安匝数为800、1000 和1200 的电磁机构进行仿真， 得到不同安匝下的电磁力曲线。

图10 不同安匝数对应电磁力曲线Fig.10 Electromagnetic force curves corresponding to different ampere-turns

为了得到不同工作气隙下的电磁力与继电器工作气隙时的电磁力大小，将各离散数据拟合呈电磁力曲线，图10 所示为不同安匝时不同工作气隙时铁芯受到的电磁力大小。 根据图像可知；当电流不变时，随着工作气隙的减小动铁芯所受到的电磁增大； 随着电流增大以及继电器线圈的安匝数增大，受到的电磁力也随之增大，但在工作气隙为0 时，1400 安匝和1200 安匝铁芯受到的力也随之增大，不过增大的幅度并不大，因为当电流为额定电流时， 电工纯铁基本趋于磁饱和，电流增加相同的幅度，磁链的变化幅度会很小，电磁力的变化也很小，所以在图中不同曲线在x 轴上的点基本是重合的。 只要吸力曲线与反力 曲线的正面积大于负面积，就是合理的，就能够正常地工作，而且差值越是趋近于0，消耗的电能就越少，越是节约能源。 该继电器电流波动范围内的合力都是大于0 的， 说明其电磁系统是合理的，是可以正常工作的。

3 总结

本章首先对电磁场分析理论和电磁场的有限元计算方法进行简要介绍， 再利用Ansoft Maxwell 对高压直流电磁继电器进行设置， 并对动铁芯运动过程中的五个位置进行仿真，研究动铁芯运动过程中不同磁间隙下线圈产生磁场的分布情况；并对不同安匝数下的动铁芯机构进行分析得到不同安匝时不同工作气隙时铁芯受到的电磁力大小。将动铁芯所受电磁力设为输出量， 可知动铁芯受到的电磁力随着工作气隙的减小而增大， 将曲线输出并作为后续仿真的驱动力。