2 磁保持继电器的反力特性
因为该旋转式的磁保持继电器的电磁系统没有弹簧,其反力矩是由永久磁铁所提供的。也就是在电流为0的情况下,不同的角度对应的电磁力矩做成的曲线就是该旋转式磁保持继电器的反力特性曲线。曲线如图6所示,横坐标是旋转角度,单位是(°),该旋转式磁保持继电器的旋转角度的范围为[-7、7],纵坐标是衔铁组件的力矩,单位为N·m。不过在通过0°之后的力矩是负值,它有助于衔铁的运动,并不是阻碍的,因此再求解电磁转矩的时候直接求解合力矩,这样得到的结果更加精确。
3 静态仿真以及力矩的计算
旋转式磁保持继电器的静态磁仿真就是计算在给定电流和旋转角度下的电磁力矩以及磁感应强度的适量分布情况。文中计算的旋转式磁保持继电器额定电压是6V,线圈是单线圈,线圈电阻是36Ω,还有10%的误差,所以电阻范围为〔32.4Ω、38.6Ω],额定功率是1W,因此电流的峰值范围是[0. 155 A、0. 185 A]。该磁保持继电器给线圈施加的电压是脉冲电压,额定电压是6V,脉冲宽度要大于或等于60 m s,而该旋转式磁保持继电器的吸合时间和分断时间是20ms,远小于施加的脉冲电压,因此可以计算电流在峰值情况下的电磁转矩和磁感应强度,图7为不同角度、不同电流下的磁链曲线。利用求解力矩的命令流求解力矩,在ANSYS中设定显示结果的文件中查看force文件,里面可以显示求解合力矩的结果。施加电流为0. 167 A、旋转角度为7。时,求得合力矩为0. 913×10-3 N·m。施加电流为0. 167 A,角度为3°时的合力矩为3. 771×10-3 N.m。
通过衔铁组件、扼铁、铁芯和气隙的磁通是主磁通,其他位置的是漏磁通,由仿真结果可以得出铁芯和扼铁连接处的漏磁通最大,随着角度的减小漏磁通也逐渐增大,衔铁与轭铁连接处也有一定的漏磁通。随着衔铁组件的运动,永磁体提供的反力矩在逐渐减小,合力矩在逐渐增大,最终改变吸合状态,然后电压脉冲消失,永磁体使其保持现状不变,如果想改变吸合状态,就给线圈通入反向的电流脉冲,这样动作力矩和反力矩的方向都改变,运动过程就和吸合的过程相反。在求解完成后,为了方便数据的读取,需要通过以下命令流对求解出的电磁力矩和磁链值以文本文档的形式进行数据保存:
*cfopen、Result、txt,APPEND;
*vwrite();
*cfclose
这样运行完成后就可以在ANSYS自己指定的文件夹下的force文件中查看所求得的结果,方便记录保存。显示磁感应强度的矢量图,可以用GUI输出,从主菜单中选择Main-General-Plot Result-Vector Plot-Predefined,然后选择Mag flux densB确定后显示图像,可以添加以下命令流,用来显示磁感应强度图像:PLNSOL、B、Y/ui、copy、save、bmp. graph、color、reverse、portrait、yes。
4 绘制力矩的特性曲线
为了得到衔铁处于不同角度位置的电磁力矩,就要在施加电流峰值的情况下改变旋转角度,通过电磁力矩的命令流来计算不同角度的合力矩,并将其绘制成合力矩曲线,图8是不同电流时的各个角度的合力矩特性曲线,横坐标是衔铁组件转过的角度,纵坐标是不同角度下的合力矩。电流增大到0. 167 A时,电流增大,磁链随之增大,力矩也随之增大,当电流增大到0. 18A时,力矩也随之增大,不过增大的幅度并不大,因为该磁保持继电器的额定电流是0. 167 A,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,力矩变化也很小,所以在图中两条曲线基本是重合的。合力矩只要大于0就是合理的,就能够正常地工作,越是趋近于0,消耗的电能就越少,越是节约能源。该磁保持继电器电流波动范围内的的合力矩曲线都是大于0的,说明其电磁系统是合理的,是可以正常工作的。
5 结语
文中基于ANSYS有限元分析的方法对单相旋转式磁保持继电器进行了静态电磁系统的计算,计算出了不同电流和不同旋转角度下的合力矩,绘制出了合力矩的曲线图,并通过这些曲线图验证了其静态电磁系统参数的合理性,输出了在不同角度下的磁感应强度矢量图,通过对仿真结果的分析得出了各个部分的磁感应强度大小及漏磁通的分布,为继电器的优化设计提供了有效手段。这种方法能够快速准确的验证继电器的电磁系统是否合理,降低了计算成本,提高了经济效率。