永磁接触器的有限元分析及结构优化

　1 引言

　　永磁接触器由于将永磁应用于操作机构，使永磁接触器可以不需要通电实现合分闸自保持，相对于传统接触器，永磁接触器运行期间，只有很小的电容泄漏电流，耗能甚微;触头不会因为电压降低而产生噪声。目前，国内外永磁接触器的研发工作仍处于起步阶段，文献[1]研究了永磁操动机构在低压接触器应用的可能性，文献[2-3]运用分析软件 ADAMS 和 ANSYS 分别对永磁接触器的机构动力学特性及动触头动态特性进行了仿真分析。目前永磁接触器产品尚未广泛应用，如果能进一步提高其工作可靠性，并降低成本，该产品将会具有很强的竞争力。为此在进行永磁接触器设计之前需要研究永磁操动机构的特性。本文针对圆柱型永磁操动机构，采用有限元法计算了双稳态永磁操动机构的静态磁场分布，分析了该结构的保持力大小与永磁材料的结构、布置方式以及尺寸的关系，为永磁接触器操动机构的设计提供参考。

　　2 永磁接触器模型建立与分析

　　2.1 永磁接触器的结构模型

　　根据永磁机构在终端位置的保持方式，永磁操动机构可以分为双稳态和单稳态两种形式，本文设计的永磁接触器采用圆形结构双稳态永磁机构，其结构截面简图如图 1 所示。

　　由于采用永磁保持，其磁场为静磁场，故铁心采用 Q235 钢替代传统电磁式接触器中的硅钢片。永久磁钢采用高磁能积钕铁硼材料，较小体积的一片磁钢即可维持永磁接触器的吸合状态。磁钢是先充磁后安装，用粘胶剂粘合到静铁心上。当接触器处于合闸或分闸位置时，线圈中无电流通过，动铁心由永磁力保持在上下极限位置，而不需要任何机械锁扣。当有动作信号时，合闸和分闸线圈中的电流产生磁势，动、静铁心中由线圈产生的磁场与永磁体产生的磁场发生叠加，动铁心连同固定在上面的驱动杆，在合成磁场力的作用下，在规定的时间内以规定的速度驱动本体完成开合任务。

　　2.2 有限元网格自动剖分

　　由于机构为轴对称结构，为减少计算量，将永磁接触器简化为二维轴对称模型，并进一步忽略涡流和磁滞效应。实践表明，这样大大降低了计算工作量，而对设计计算的精度影响不大。为了仿真计算永磁接触器的动态特性，需要计算不同动铁心位置的电磁力，因此采用了ANSYS 的参数化编程语言 APDL 进行建模。图 2为有限元网格剖分图。网格单元数为 21180，节点数为 64133。

　　2.3 磁场分析与电磁力计算

　　对永磁机构磁场的计算可采用下述的麦克斯韦方程[4]：

　　通过有限元法求解方程式(1)、式(2)及式(3)，可以计算出双稳态永磁机构的静态磁场。图 3 为永磁体单独作用，机构线圈中无电流通过时动铁心处于行程中不同位置时的磁场分布。从图中可以看出，由于采用了上下对称的结构，机构中的磁场也呈对称分布。