一种研究带三气隙永磁接触器机构动态特性方法.docVIP

一种研究带三气隙的永磁接触器机构动态特性的方法 　　 　　摘要：永磁机构由于其结构简单、零部件数量少、可靠性高和机械寿命长等优点，在开关电器领域得到了越来越广泛的应用。动态特性是永磁机构优化设计中的关键问题之一，本文提出的方法是对多体动力学软件包ADAMS的二次开发，实现了对一种三气隙永磁接触器机构动态特性的仿真计算，为设计结构更合理的永磁机构提供了一种有效的方法。 　　 　　关键词：多体动力学；永磁机构；动态特性 　　1 引 言 　　永磁机构将电磁机构与永久磁铁有机的结合起来，利用永久磁铁的保持力使机构保持在分、合闸位置，因而具有结构简单、零部件数量少、可靠性高和机械寿命长等优点，在开关电器领域得到了越来越广泛的应用。永磁机构的静态特性分析是研究其动态特性的基础，永磁机构的动态特性决定了开关电器的分合闸性能，进行永磁机构静态磁场和???态特性的研究对于提高永磁机构的性能具有非常重要的意义。 　　图1所示为一种永磁式交流接触器的单线圈单稳态永磁机构的示意图。该永磁机构由接24V的直流线圈控制，线圈匝数为4200匝。这种永磁接触器具有三个工作气隙，如下图所示，自施耐德公司首先推出了这种带三气隙的永磁接触器，这种结构特殊的交流接触器受到了国际上的广泛重视。 　　 　　 　　该永磁机构的主要部件如图所示。接触器处于打开位置时，动铁心处于最上端，气隙3和气隙2分别为0.5mm和6.85mm，线圈中无电流，这时永磁体的保持力向上，跟弹簧反力共同作用使动铁心保持在打开位置。当吸合信号来到时，线圈通电流，吸合电流产生的磁场抵消掉永磁体磁场的作用，当产生的磁吸力大于弹簧的反力时，动铁心向下运动。由于永磁体对吸合位置的动铁心产生的磁吸力很小，因而动铁心仍需要线圈通电保持在吸合位置。而当要断开的时候，线圈断电，动铁心在反力弹簧的作用下将返回打开位置。 　　2 静态特性计算 　　这里使用有限元分析软件ANSYS 8.0对该永磁机构电磁场模型进行静态磁场分析。电磁场模型的建立和求解可以分为三个部分： 　　(1) 建立模型和剖分： 　　第一步定义单元类型，这里采用边界元法，使用SOLID117单元。 　　第二步定义材料属性：整个场域由动铁心、轭铁1、轭铁2、线圈、空气五个部分组成，分别定义五个部分对应的相对磁导率或B-H曲线。 　　第三步建立几何模型：图2所示为该永磁机构在ANSYS中的几何模型（打开位置）。 　　 　　 　　中的几何模型示意图（打开位置） （打开位置） 　　第四步定义体属性：完成几何模型创建后，就用对几何模型的不同区块定义相应的材质属性。 　　第五步几何模型剖分：完成几何模型创建和体属性定义后，接着对几何模型进行剖分。图3为永磁机构的有限元剖分图（不含周围空气）。 　　 (2) 定义边界条件、激励加载和求解： 　　第一步定义边界条件：边界条件要根据边界面的磁力线分布情况分别对待。对于磁力线平行于边界面的情况，需要定义平行边界条件；对于磁力线垂直于边界面的情况，由于在有限元方法中这种情况自然满足，所以无需定义；对于远场边界面，需定义零边界条件。 　　第二步加载激励：在静态分析中，需要求解静态条件下永磁机构的磁通分布，线圈部分电流恒定，因此给线圈部分加载环向的恒定电流密度。 　　第三步求解：定义静态分析，选择缺省求解器进行求解。 　　(3) 结果处理： 　　在永磁机构三维磁场求解完成后，就得到了磁通的空间分布，图4所示为线圈电流为永磁机构打开位置时磁场的空间分布，为了便于观看，只显示了机构模型中的磁场分布，周围空气中的没有显示。图中，矢量箭头的长短和颜色表示磁感应强度的大小。 　　 　　 　　图 4 带三气隙的永磁机构打开位置空间磁场分布图 　　通过计算不同吸合电流和不同下工作气隙时动静铁心所受电磁力、线圈匝链的磁链，可以得到关于动静铁心所受电磁力、线圈匝链的磁链的数据网格，为接下来的动态特性分析提供数据基础。 　　3 永磁接触器机构动态特性仿真 　　在ADAMS软件环境下，对该永磁式交流接触器机构进行建模，建模的图形如图5所示。 　　 　　 　　图5中，动触头固定在动板2上，静触头固定不动，动板1与动铁心相固定，动板1与动板2之间通过触头弹簧相连，动铁心底部与轭铁2底部还连接着反力弹簧。根据上一节的计算，动铁心处于打开位置时，通过永磁保持力和反力弹簧共同作用使它保持在打开位置，当线圈两端加上直流电压时，线圈中产生电流，电流大到一定程度时，动铁心所受电磁吸力将克服永磁保持力和反力弹簧反力使动铁心向下运动，同时与动铁心固定的动板1通过触头弹簧推动动板2，也就是推动动触头向下运动。当动静触头接触后，动铁心继续向下运动，此时触头弹簧和反力弹簧共同提供这时的弹簧反力，直至动