籍海亮，遲長春，劉紅松，李化影

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 201306)

?

基于ANSYS的永磁接觸器溫度場分析

籍海亮，遲長春，劉紅松，李化影

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 201306)

基于ANSYS針對(duì)永磁接觸器的操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行了溫度場分析。先對(duì)永磁接觸器的操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行了熱力學(xué)理論分析；考慮到永磁接觸器與傳統(tǒng)的電磁接觸器的不同，基于ANSYS對(duì)永磁體進(jìn)行了溫度場分析；分析了溫度場對(duì)永磁接觸器動(dòng)態(tài)特性的影響。

永磁接觸器； 溫度場； 有限元分析； 動(dòng)態(tài)特性

相對(duì)于傳統(tǒng)的電磁式接觸器，永磁接觸器具有節(jié)能、降噪以及受電網(wǎng)影響較小等諸多特點(diǎn)，使永磁接觸器受到許多關(guān)注[1-2]。但永磁材料易受溫度的影響[3]；且當(dāng)永磁接觸器在閉合時(shí)，永磁體的溫度必然會(huì)有所升高，這將使永磁材料的性能發(fā)生變化，從而致使其操作機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性受到不可忽視的影響。

當(dāng)前，國內(nèi)、外學(xué)者對(duì)永磁接觸器的研究多集中于操作機(jī)構(gòu)的本體設(shè)計(jì)與優(yōu)化[4-6]、智能控制[7-9]等方面，而關(guān)于溫升方面的研究相對(duì)較少[10]；同時(shí)，雖然關(guān)于傳統(tǒng)的電磁式接觸器溫升的研究已經(jīng)取得了許多成果[11-16]，但是考慮到永磁接觸器與傳統(tǒng)的電磁式接觸器在結(jié)構(gòu)上存在本質(zhì)的不同，故對(duì)永磁接觸器溫升方面的研究是必要的。本文基于ANSYS有限元分析軟件著重對(duì)永磁接觸器操作機(jī)構(gòu)中的永磁體進(jìn)行了溫度場分析，并基于溫度場對(duì)永磁接觸器動(dòng)態(tài)特性的影響進(jìn)行了研究。

1　永磁接觸器操作機(jī)構(gòu)模型

本文的研究對(duì)象為18A的永磁接觸器，永磁體的材料為釹鐵硼。該操作機(jī)構(gòu)主要由動(dòng)鐵芯、靜鐵芯、電磁線圈、反力彈簧以及永磁體組成(見圖1)。其工作原理如下：當(dāng)永磁接觸器接收到合閘信號(hào)時(shí)，電磁線圈通電，并產(chǎn)生電磁吸力，然后在永磁體產(chǎn)生的吸力的共同作用下，使動(dòng)鐵芯克服接觸器反力彈簧的作用，向下運(yùn)動(dòng)。而在此過程中，該操作機(jī)構(gòu)必然會(huì)發(fā)熱，對(duì)接觸器的動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生影響。

圖1　永磁接觸器操作機(jī)構(gòu)模型Fig.1　Model of PM contactor operating mechanism

2　操作機(jī)構(gòu)溫度場分析

本文針對(duì)操作機(jī)構(gòu)的溫度場分析基于以下前提：接觸器處于無限大的空間；材料各向同性。

2.1熱力學(xué)分析

ANSYS有限元分析軟件可以針對(duì)溫度場進(jìn)行兩種熱分析，即穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱力學(xué)分析。鑒于本文主要針對(duì)永磁接觸器合閘過程的研究，故采用瞬態(tài)熱力學(xué)分析。瞬態(tài)熱力學(xué)有限元法的函數(shù)式為[17]

(1)

式中，K為傳導(dǎo)溫度剛度矩陣；N為變溫矩陣；T為溫度矩陣；R為載荷項(xiàng)。

2.2熱源分析

永磁接觸器合閘時(shí)，其操作機(jī)構(gòu)中的主要熱源由電磁線圈發(fā)熱產(chǎn)生。電磁線圈的發(fā)熱功率為

(2)

式中，Icoil為電磁線圈通電電流;Rcoil為電磁線圈電阻。

在ANSYS有限元仿真分析中，發(fā)熱功率是通過單位體積的熱生成進(jìn)行加載的，故電磁線圈熱生成的載荷為

Qcoil=Pcoil/Vcoil

(3)

式中，Vcoil為電磁線圈體積。

2.3散熱分析

操作機(jī)構(gòu)中可通過3種途徑進(jìn)行散熱，即熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流以及熱輻射。本文主要研究熱傳導(dǎo)及熱對(duì)流對(duì)操作機(jī)構(gòu)的影響。

2.3.1熱傳導(dǎo)當(dāng)操作機(jī)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)溫差時(shí)，熱量由高溫部分傳遞到低溫部分，其遵循傅里葉定律[17]：

(4)

式中，q為熱流密度；k為導(dǎo)熱系數(shù)。

2.3.2熱對(duì)流操作機(jī)構(gòu)中高溫部分表面附近的空氣受熱膨脹，向上流動(dòng)，密度較大的空氣向下流動(dòng)，形成熱量傳遞，其滿足牛頓冷卻方程[17]：

q=h(Ts-Tb)

(5)

式中,h為傳熱膜系數(shù)；Ts為固體表面溫度；Tb為周圍流體溫度。

3　仿真分析

本文利用ANSYS有限元分析軟件，分別對(duì)操作機(jī)構(gòu)中動(dòng)鐵芯位于不同位置、環(huán)境溫度時(shí)，永磁體的溫度變化，以及對(duì)永磁接觸器動(dòng)態(tài)特性的影響，進(jìn)行了仿真分析。

3.1不同動(dòng)鐵芯位置對(duì)永磁體溫度場的影響

在環(huán)境溫度為20℃時(shí)，永磁接觸器操作機(jī)構(gòu)中動(dòng)鐵芯分別處于分閘位置、超程位置以及合閘位置時(shí)，永磁體的溫度變化如圖2所示。由圖可見，當(dāng)動(dòng)鐵芯處于分閘位置和超程時(shí)，永磁體的溫度變化最大，其最大值可達(dá)43.576℃，這主要是由于此時(shí)動(dòng)、靜鐵芯之間有一定的距離，致使電磁

圖2　動(dòng)鐵芯在不同位置時(shí)，永磁體的溫度變化云圖Fig.2　Temperature change of PM in the different position of mover

線圈產(chǎn)生的熱量較多地傳出至永磁體上，使永磁體溫度較高；同時(shí)，由于永磁體底部與靜鐵芯相接觸，故其底部溫度最高。而隨著動(dòng)鐵芯逐漸接近靜鐵芯以及永磁體，永磁體的溫度開始下降。當(dāng)接觸器閉合，即動(dòng)鐵芯處于合閘位置時(shí)，動(dòng)、靜鐵芯相接觸，此時(shí)永磁體溫度下降到最低點(diǎn)，且永磁體呈現(xiàn)最低溫度在其中部。

3.2不同工作環(huán)境對(duì)永磁體溫度場的影響

永磁接觸器的工作溫度在-25～50℃范圍內(nèi)。當(dāng)永磁接觸器動(dòng)鐵芯處于分閘位置時(shí)，環(huán)境溫度t1分別取為-25℃、20℃、50℃時(shí)，永磁體溫度變化如圖3所示。由圖可見，環(huán)境溫度高時(shí)，永磁體的溫度變化較大；當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，永磁體的溫度變化相對(duì)較小，其性能更加趨于穩(wěn)定。

圖3　不同環(huán)境溫度時(shí)，永磁體的溫度變化云圖Fig.3　Temperature change of PM at different ambient temperature

3.3對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響

釹鐵硼永磁材料的溫度系數(shù)較高，Br的溫度系數(shù)達(dá)-1.3×10-3K-1，內(nèi)稟矯頑力Hci的溫度系數(shù)達(dá)-(0.6～0.7)K-1，導(dǎo)致永磁材料的磁性熱穩(wěn)定性較差[3]。當(dāng)工作于環(huán)境溫度20℃，取動(dòng)鐵芯處于分閘與合閘位置時(shí)的最大溫度，可計(jì)算得到動(dòng)鐵芯受到的電磁力變化如表1所示。當(dāng)永磁接觸器工作在不同環(huán)境溫度下時(shí)，永磁接觸器的動(dòng)鐵芯處于分閘位置與合閘位置受力情況如表2所示。

表1　永磁體不同溫度時(shí)，動(dòng)鐵芯受到的電磁力

表2　不同環(huán)境溫度時(shí)，動(dòng)鐵芯受到的電磁力

由表1可見，在同樣的環(huán)境溫度下，由于永磁體的溫度升高，導(dǎo)致其在分閘位置與合閘位置處受到的電磁力減小。

由表2可見，當(dāng)動(dòng)鐵芯處于分閘或合閘位置時(shí)，環(huán)境溫度越低，動(dòng)鐵芯受到的電磁吸力越大。

永磁接觸器在吸合過程中，滿足達(dá)郎貝爾機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程，得

(6)

式中，F(xiàn)mag為線圈和永磁體產(chǎn)生的電磁吸力；G為可移動(dòng)部分的重力，包含動(dòng)鐵芯、支柱、動(dòng)觸頭、以及觸頭彈簧等；Fs為彈簧反力，當(dāng)動(dòng)鐵芯在分閘位置時(shí)主要是反力彈簧的作用，超過超程位置時(shí)，由反力彈簧與觸頭彈簧共同作用；m為可移動(dòng)部分的質(zhì)量；x為可移動(dòng)部分的位移。

由式(6)結(jié)合表1和表2數(shù)據(jù)可知，當(dāng)永磁體承受的溫度較高時(shí)，動(dòng)鐵芯受到的電磁吸力減小，將導(dǎo)致接觸器在吸合過程中加速度以及末速度減少；而永磁體承受的溫度較低時(shí)，動(dòng)鐵芯受到的電磁吸力增大，相應(yīng)地會(huì)增加其加速度及末速度。因此，在設(shè)計(jì)永磁接觸器時(shí)，應(yīng)該考慮到永磁體受環(huán)境溫度以及線圈導(dǎo)熱因素的影響，尤其是動(dòng)鐵芯處于分閘位置時(shí)，可能由于永磁體溫度過高，使動(dòng)鐵芯產(chǎn)生的吸力減小，從而無法克服反力彈簧的作用，致使永磁接觸器無法實(shí)現(xiàn)閉合；或由于永磁體溫度過低，致使出現(xiàn)不該閉合時(shí)發(fā)生閉合的現(xiàn)象；且當(dāng)動(dòng)鐵芯處于超程位置時(shí)，由于要克服觸頭彈簧和反力彈簧的共同作用，也可能發(fā)生誤操作。

4　結(jié)　論

本文基于ANSYS有限元分析軟件建立了永磁接觸器的操作機(jī)構(gòu)分析模型，基于電磁熱耦合進(jìn)行了永磁體的溫度場仿真與分析。

并針對(duì)永磁體不同溫度和不同環(huán)境溫度時(shí)，對(duì)動(dòng)鐵芯受到的電磁吸力進(jìn)行了研究。仿真結(jié)果表明：① 永磁體受環(huán)境溫度影響較大，且隨著動(dòng)鐵芯與靜鐵芯的間距減小，永磁體所受到的溫度影響也相應(yīng)地減小。② 當(dāng)溫度較高時(shí)，動(dòng)鐵芯承受的力度較小，且在永磁接觸器吸合過程中，動(dòng)鐵芯處于分閘位置時(shí)，所受影響較大。因此設(shè)計(jì)永磁接觸器時(shí)，應(yīng)充分考慮溫度場對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響。

[1]汪先兵，林鶴云，房淑華，等.永磁接觸器的發(fā)展與研究綜述[J].低壓電器，2009(7)：4-9.

[2]房淑華，林鶴云，蔡彬，等.永磁接觸器磁場有限元分析及控制單元設(shè)計(jì)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(22)：162-166.

[3]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996：28-31.

[4]汪先兵，費(fèi)樹岷，王祥傲，等.基于遺傳算法的雙E型永磁接觸器仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].低壓電器，2013(8)：11-16.

[5]符郁林，朱翔鷗.帶分閘脈沖故障保護(hù)的永磁機(jī)構(gòu)接觸器的研究[J].電器與能效管理技術(shù)，2015(20)：16-19，71.

[6]LIN Heyun，WANG Xianbing，F(xiàn)ANG Shuhua，et al.Design，Optimization，and intelligent control of permanent-magnet contactor[J].IEEE Transactions on Industryal Electronics，2013，60(11)：5148-5159.

[7]汪先兵，林鶴云，房淑華，等.無位置傳感器的智能永磁接觸器弱磁控制及合閘動(dòng)態(tài)特性分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(18)：93-99.

[8]汪先兵，倪受春.智能型雙線圈雙穩(wěn)態(tài)永磁式接觸器的設(shè)計(jì)[J].電氣應(yīng)用，2015，34(3)：94-99.

[9]汪先兵.智能調(diào)節(jié)型永磁接觸器合閘過程動(dòng)態(tài)特性仿真與實(shí)驗(yàn)分析[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2014，26(6)：1331-1336.

[10]蔣春榮，周建華，林鶴云.不同溫度條件下永磁接觸器動(dòng)作特性仿真分析[J].低壓電器，2009(3)：14-17.

[11]胡方，楊文英，趙瑞平，等.大功率直流接觸器溫度場仿真及影響因素分析[J].低壓電器，2011(23)：1-6.

[12]紐春萍，陳德桂，劉穎異，等.計(jì)及主回路和電磁系統(tǒng)發(fā)熱的交流接觸器數(shù)值熱分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(15)：53-58.

[13]黃世澤，郭其一，李凡璋，等.基于Ansys的電磁系統(tǒng)溫度場仿真技術(shù)研究[J].電器與能效管理技術(shù)，2015(2)：32-37.

[14]夏浩瑄，劉子胥，王景芹，等.交流接觸器溫度場仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40(10)：127-130.

[15]王立潮.交流接觸器溫度場仿真及影響因素的解析[J].電子技術(shù)與軟件工程，2013(20)：177.

[16]周亮，舒亮，吳桂初，等.智能交流接觸器溫度補(bǔ)償控制策略研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(7)：74-77.

[17]黃志新，劉成柱.ANSYS Workbench 14.0超級(jí)學(xué)習(xí)手冊[M].北京：人民郵電出版社，2013：314-315.

Thermal Analysis of Permanent Magnet Contactor Using ANSYS

JI Hailiang，CHI Changchun，LIU Hongsong，LI Huaying

(School of Electrical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

In this paper, a thermal analysis of the operating mechanism of permanent magnet(PM)contactor is carried out using ANSYS.Firstly, a theoretical thermodynamic analysis of the operating mechanism of PM contactor is made.Considering difference between the PM contactor and the traditional electromagnetic contactor, the temperature field of PM is analyzed using ANSYS.Finally, the influence of the temperature field on the dynamic characteristics of the PM contactor is analyzed.

permanent magnet(PM)contactor; temperature field; finite element analysis; dynamic characteristics

2016-05-15

籍海亮(1990-)，男，碩士生，主要研究方向?yàn)殡姍C(jī)與智能電器，E-mail：jihailiang2011@163.com

2095-0020(2016)04-0211-05

TM 572

A