基于ANSYS的永磁接触器温度场分析

籍海亮，迟长春，刘红松，李化影

(上海电机学院 电气学院，上海 201306)



基于ANSYS的永磁接触器温度场分析

籍海亮，迟长春，刘红松，李化影

(上海电机学院 电气学院，上海 201306)

基于ANSYS针对永磁接触器的操作机构进行了温度场分析。先对永磁接触器的操作机构进行了热力学理论分析；考虑到永磁接触器与传统的电磁接触器的不同，基于ANSYS对永磁体进行了温度场分析；分析了温度场对永磁接触器动态特性的影响。

永磁接触器； 温度场； 有限元分析； 动态特性

相对于传统的电磁式接触器，永磁接触器具有节能、降噪以及受电网影响较小等诸多特点，使永磁接触器受到许多关注[1-2]。但永磁材料易受温度的影响[3]；且当永磁接触器在闭合时，永磁体的温度必然会有所升高，这将使永磁材料的性能发生变化，从而致使其操作机构的动态特性受到不可忽视的影响。

当前，国内、外学者对永磁接触器的研究多集中于操作机构的本体设计与优化[4-6]、智能控制[7-9]等方面，而关于温升方面的研究相对较少[10]；同时，虽然关于传统的电磁式接触器温升的研究已经取得了许多成果[11-16]，但是考虑到永磁接触器与传统的电磁式接触器在结构上存在本质的不同，故对永磁接触器温升方面的研究是必要的。本文基于ANSYS有限元分析软件着重对永磁接触器操作机构中的永磁体进行了温度场分析，并基于温度场对永磁接触器动态特性的影响进行了研究。

1　永磁接触器操作机构模型

本文的研究对象为18A的永磁接触器，永磁体的材料为钕铁硼。该操作机构主要由动铁芯、静铁芯、电磁线圈、反力弹簧以及永磁体组成(见图1)。其工作原理如下：当永磁接触器接收到合闸信号时，电磁线圈通电，并产生电磁吸力，然后在永磁体产生的吸力的共同作用下，使动铁芯克服接触器反力弹簧的作用，向下运动。而在此过程中，该操作机构必然会发热，对接触器的动态特性产生影响。

图1　永磁接触器操作机构模型Fig.1　Model of PM contactor operating mechanism

2　操作机构温度场分析

本文针对操作机构的温度场分析基于以下前提：接触器处于无限大的空间；材料各向同性。

2.1热力学分析

ANSYS有限元分析软件可以针对温度场进行两种热分析，即稳态和瞬态热力学分析。鉴于本文主要针对永磁接触器合闸过程的研究，故采用瞬态热力学分析。瞬态热力学有限元法的函数式为[17]

(1)

式中，K为传导温度刚度矩阵；N为变温矩阵；T为温度矩阵；R为载荷项。

2.2热源分析

永磁接触器合闸时，其操作机构中的主要热源由电磁线圈发热产生。电磁线圈的发热功率为

(2)

式中，Icoil为电磁线圈通电电流;Rcoil为电磁线圈电阻。

在ANSYS有限元仿真分析中，发热功率是通过单位体积的热生成进行加载的，故电磁线圈热生成的载荷为

Qcoil=Pcoil/Vcoil

(3)

式中，Vcoil为电磁线圈体积。

2.3散热分析

操作机构中可通过3种途径进行散热，即热传导、热对流以及热辐射。本文主要研究热传导及热对流对操作机构的影响。

2.3.1热传导当操作机构内部出现温差时，热量由高温部分传递到低温部分，其遵循傅里叶定律[17]：

(4)

式中，q为热流密度；k为导热系数。

2.3.2热对流操作机构中高温部分表面附近的空气受热膨胀，向上流动，密度较大的空气向下流动，形成热量传递，其满足牛顿冷却方程[17]：

q=h(Ts-Tb)

(5)

式中,h为传热膜系数；Ts为固体表面温度；Tb为周围流体温度。

3　仿真分析

本文利用ANSYS有限元分析软件，分别对操作机构中动铁芯位于不同位置、环境温度时，永磁体的温度变化，以及对永磁接触器动态特性的影响，进行了仿真分析。

3.1不同动铁芯位置对永磁体温度场的影响

在环境温度为20℃时，永磁接触器操作机构中动铁芯分别处于分闸位置、超程位置以及合闸位置时，永磁体的温度变化如图2所示。由图可见，当动铁芯处于分闸位置和超程时，永磁体的温度变化最大，其最大值可达43.576℃，这主要是由于此时动、静铁芯之间有一定的距离，致使电磁

图2　动铁芯在不同位置时，永磁体的温度变化云图Fig.2　Temperature change of PM in the different position of mover

线圈产生的热量较多地传出至永磁体上，使永磁体温度较高；同时，由于永磁体底部与静铁芯相接触，故其底部温度最高。而随着动铁芯逐渐接近静铁芯以及永磁体，永磁体的温度开始下降。当接触器闭合，即动铁芯处于合闸位置时，动、静铁芯相接触，此时永磁体温度下降到最低点，且永磁体呈现最低温度在其中部。

3.2不同工作环境对永磁体温度场的影响

永磁接触器的工作温度在-25～50℃范围内。当永磁接触器动铁芯处于分闸位置时，环境温度t1分别取为-25℃、20℃、50℃时，永磁体温度变化如图3所示。由图可见，环境温度高时，永磁体的温度变化较大；当环境温度较低时，永磁体的温度变化相对较小，其性能更加趋于稳定。

图3　不同环境温度时，永磁体的温度变化云图Fig.3　Temperature change of PM at different ambient temperature

3.3对动态特性的影响

钕铁硼永磁材料的温度系数较高，Br的温度系数达-1.3×10-3K-1，内禀矫顽力Hci的温度系数达-(0.6～0.7)K-1，导致永磁材料的磁性热稳定性较差[3]。当工作于环境温度20℃，取动铁芯处于分闸与合闸位置时的最大温度，可计算得到动铁芯受到的电磁力变化如表1所示。当永磁接触器工作在不同环境温度下时，永磁接触器的动铁芯处于分闸位置与合闸位置受力情况如表2所示。

表1　永磁体不同温度时，动铁芯受到的电磁力

表2　不同环境温度时，动铁芯受到的电磁力

由表1可见，在同样的环境温度下，由于永磁体的温度升高，导致其在分闸位置与合闸位置处受到的电磁力减小。

由表2可见，当动铁芯处于分闸或合闸位置时，环境温度越低，动铁芯受到的电磁吸力越大。

永磁接触器在吸合过程中，满足达郎贝尔机械运动方程，得

(6)

式中，Fmag为线圈和永磁体产生的电磁吸力；G为可移动部分的重力，包含动铁芯、支柱、动触头、以及触头弹簧等；Fs为弹簧反力，当动铁芯在分闸位置时主要是反力弹簧的作用，超过超程位置时，由反力弹簧与触头弹簧共同作用；m为可移动部分的质量；x为可移动部分的位移。

由式(6)结合表1和表2数据可知，当永磁体承受的温度较高时，动铁芯受到的电磁吸力减小，将导致接触器在吸合过程中加速度以及末速度减少；而永磁体承受的温度较低时，动铁芯受到的电磁吸力增大，相应地会增加其加速度及末速度。因此，在设计永磁接触器时，应该考虑到永磁体受环境温度以及线圈导热因素的影响，尤其是动铁芯处于分闸位置时，可能由于永磁体温度过高，使动铁芯产生的吸力减小，从而无法克服反力弹簧的作用，致使永磁接触器无法实现闭合；或由于永磁体温度过低，致使出现不该闭合时发生闭合的现象；且当动铁芯处于超程位置时，由于要克服触头弹簧和反力弹簧的共同作用，也可能发生误操作。

4　结　论

本文基于ANSYS有限元分析软件建立了永磁接触器的操作机构分析模型，基于电磁热耦合进行了永磁体的温度场仿真与分析。

并针对永磁体不同温度和不同环境温度时，对动铁芯受到的电磁吸力进行了研究。仿真结果表明：① 永磁体受环境温度影响较大，且随着动铁芯与静铁芯的间距减小，永磁体所受到的温度影响也相应地减小。② 当温度较高时，动铁芯承受的力度较小，且在永磁接触器吸合过程中，动铁芯处于分闸位置时，所受影响较大。因此设计永磁接触器时，应充分考虑温度场对其动态特性的影响。

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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，硕士生，主要研究方向为电机与智能电器，E-mail：jihailiang2011@163.com

2095-0020(2016)04-0211-05

TM 572

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