三气隙永磁接触器工作原理和静特性分析.doc

三气隙永磁接触器工作原理和静特性分析?研究与分析?低压电器(2010No23)三气隙永磁接触器工作原理和静特性分析陈德桂,李兴文,刘颖异,曾闻(西安交通大学,电气工程学院,陕西西安710049)摘要:三气隙永磁接触器是一种新型节能接触器,与现有永磁接触器相比较,没有线圈断电时的失压保护要求.介绍了这种接触器的结构和工作原理,用三维有限元方法计算了这种接触器的磁系统的磁场分布和静态吸力特性,分析了几何参数对其静特性的影响,提出了这种永磁接触器的特点.关键词:节能;三气隙永磁接触器;静态特性-9磁场分布中图分类号:TM572.2文献标志码:A文章编号:1001-5531(2010)23-0021-04陈德桂(1933一),男,教授,博士生导师,研究方向为新型低压电器的研究与分析.AnalysisofOperatingPrincipleandStaticCharacteristicforThreeGapsPermanentMagnetContactorCHENDegui,LIXingwen,LIUYingyi,ZENGWen(InstituteElectricalEngineering,XianJiaotongUniversity,Xian710049,China)Abstract:Threegapspermanentmagnetcontactorwasanewtypeofenergysavingcontactor,comparingwiththeexistingpermanentmagnetcontactor,itdidntrequireprotectionWhenwindinglosesthevoltage.Theconfigurationandprincipleofthepermanentmagnetcontactorwasintroduced,themagneticfieldandthestaticcharacteristiccalculatedbyusing3Dfiniteelementmethod.Theeffectofthegeometricparaneteronstaticcharacteristicwasanalyzed,andthespecificfeaturewasproposedforthispermanentmagneteontaetoraswel1.Keywords:energysave;threegapspermanentmanetcontactor;staticcharacteristic;magnetfield0引言当前节能减排是保卫环境的头等大事,根据统计,国内电能消耗的一半左右是电动机系统,而作为电动机控制的主要电器元件的接触器也是耗能大户,1台接触器需要耗能几W到几十w,而1台电动机往往要多台接触器来控制,因而节能接触器受到国内外重视,永磁操作的节能接触器由于在操作电磁铁吸合后,依靠永磁保持力,可不需要或仅需少量电能输入,而有显着节能效果.目前,国内外都在开发各种结构的永磁接触器.但传统永磁接触器存在失压保护问题,需要附带专门的控制电路,使结构复杂,成本提高,并且带来不可靠因素,并且即使附加了失压保护电路,但还不能解决因内部线圈断线而造成的失压问题.目前,一种不存在失压保护问题的三气隙永磁接触器开始在国内外推广使用,但对它的报导和特性分析尚少,YoshihioKawase等人用三维有限元方法对这种电磁铁的动态特性作了仿真J,但缺乏对其基本静态特性的分析,本文采用三维有限元方法计算了三气隙永磁接触器的磁场分布和静态吸力特性,分析了几何参数对其静特性的影响,提出这种永磁接触器的特点.1三气隙永磁接触器的结构与工作原理三气隙永磁接触器如图1所示,图1(a)为其外形图,图1(b)为其磁系统结构.此种永磁接触器具有三个工作气隙,工作气隙1,工作气隙2以及工作气隙3,在接触器的吸合过程中,工作气隙李兴文(1978一),男,教授,博士生导师,研究方向为新型低压电器的研究与开发.刘颖异(1980一),女,博士研究生,研究方向为智能电器.一21低压电器(2010No23)?研究与分析?1和2减小,工作气隙3增大.工作气隙3对动铁心产生的是竖直向上的力,而工作气隙1,2产生的是竖直向下的力.由于接触器吸合时,动铁心是向下运动,因此工作气隙1和工作气隙2对动铁心产生的是使动铁心吸合的吸力,而工作气隙3产生的是阻止动铁心吸合的反力.其工作原理可由图2来解释,图2(a)为当线圈无电流时的磁通走向,这时磁路中的磁通全部由永磁体产生,分成两条路径,用虚线表示的磁路A,通过磁轭,工作气隙3,动铁心,工作气隙和静铁心形成回路,而由点划线表示的磁路B通过磁轭,工作气隙3,动铁心,工作气隙2和静铁心形成回路,由于回路A和回路B都通过工作气隙3,因而工作气隙3产生的力较大,而工作气隙3产生的力对动铁心来说是反力,因而它与反力弹簧一起使接触器保持动铁心在打开位置,图2(b)为线圈有电流时的磁通走向,这时通过动铁心的回路发生了变化,变为回路A,它通过静铁心,工作气隙1,动铁心和工作气隙2形成回路,由永磁体产生的磁通路径B保持不变,由图2(b)可看出,此时通过工作气隙2的磁通由磁路A和B共同产生,因而吸力大增,而工作气隙1中由永磁产生的磁通被线圈磁通抵消并反向增大,这时工作气隙2和1产生的吸力大于工作气隙3和反力弹簧产生的反力,动铁心开始向下动作.静触隙工静铁心线圈一22一工作气隙2(a)外形图动铁心反力弹簧工作气隙2(b)结构简图图1三气隙永磁接触器心铁磁路A磁路A(a)线圈无电流时(b)线圈有电流时图2三气隙永磁接触器工作原理2用三维有限元方法计算三气隙永磁电磁铁的磁场采用有限元分析软件Ansys计算此种三气隙接触器的磁通分布以及静态特性,研究对象的三气隙永磁接触器的额定电压为24V,额定电流为32A,控制功率为5.5kW.由于此种接触器结构的对称性,只建立其1/4模型.图3为其剖分图.磁场计算的基本方程如式(1)所示,其中磁感应强度曰由电流密度.,激励产生,为磁导率,A为矢量磁位.frotfAl:J,tx,LlJB=rotA励磁电流密度t,除由线圈产生的电流密度,还包括永磁体矫顽力产生的对应励磁,用软件Ansys针算磁场时,可在输入永磁体特性时,计人该因素,计算时要同时输入2个参数,一个是矫顽力另一个是永磁体的磁化曲线,后者用于考虑永磁体的磁阻,可把永磁材料的去磁曲线沿横座标向前移动日位置来获得,如图4所示.口t,f图4把去磁曲线向前移动.位置通过有限元计算,求得各种条件下三气隙永磁电磁铁的磁场分布,其中图5,6分别是接触器在打开位置,线圈电流为0.1A时,有和无永磁体两种情况下的磁场分布,动铁心和其他导磁-研究与分析?低压电器(2010No23)图5线圈电流为0.1A,接触器在打开位置时的磁通分布图(不含空气)图6线圈电流为0.1A,无永磁体,接触器在打开位置时的磁通分布图(不含空气)体部分的磁通密度都较无永磁体时低,这可由图2的磁通路径解释,由图2可知,线圈电流产生的磁通在动铁心和其他大部分导磁体中与永磁产生的磁通流向相反,即永磁体产生的磁通削弱了动铁心及大部份导磁体的磁通密度,因而可减小导磁体的尺寸,图7,8分别为线圈电流0.133A时动铁心和静铁心上部平均磁通密度在有永磁和无永磁情况下的比较,可见有了永磁后铁心中磁通密度降低.磁轭的作用主要有:其下部与动铁心下部构成工作气隙3;其上部为静铁心侧上部提供磁通的并联支路,减小静铁心侧上部的磁通密度图7动铁心上部磁通密度在有,无永磁情况下的比较2468气隙2/mm图8静铁心上部磁通密度在有永磁和无永磁情况下的比较3三气隙永磁接触器静态吸力特性的计算与分析图9为有限元计算线圈电流为零时动铁心所受的电磁力与工作气隙2的关系.由图可知,永磁体使动铁心在打开位置,即工作气隙3最小和工作气隙2最大时受到阻止其运动的反力,使动铁心保持在打开位置,而在工作气隙3较大时受到使其闭合的吸力,由此可知永磁一方面起到了释放位置保持力的作用,可使反力弹簧力减小,同时由于闭合时永磁体的存在增加了吸力,另一方面可起到节能的作用.这两方面特点,可进一步节能和减小铁心尺寸.一00一0一0一l一11图9线圈电流为0时磁场力与工作气隙2的关系图10为不同电流下的吸力特性曲线.由图可知,随着电流的增大,动铁心所受的吸力逐渐增大.当电流增加到某一值时,动铁心在任何工作气隙下都受到吸力的作用.产生这种现象的主要原因为:在打开状态(工作气隙3为0.5mm),当电流较小时,由于工作气隙1和2的磁通较小,因此,它们产生的吸力远小于工作气隙3产生的反力,动铁心表现为受反力的作用;随着线圈电流的增加,工作气隙1和3的磁通一234208642Oll0OOO,露雠稍赠帮3333322603O8024680粥啷盯协,.刚勰钙卯%nnn枷伽册肺00OOOO低压电器(2010No23)?研究与分析?图1O不同电流下的吸力特性曲线先减弱再反向增大,工作气隙2的磁通同向增大,三处工作气隙的合力也逐渐由反力转化吸力.工作气隙3主要用于产生动铁心在打开位置时的保持力,研究对象原设计在动铁心打开位置时的工作气隙3为0.5mm,为了分析工作气隙3对保持力的影响,在动铁心打开位置向上和向下移动动铁心一个很小的距离,以改变工作气隙3,仿真计算结果如图11所示,可见改变工作气隙3可改变这种电磁铁在打开位置的保持力.较.由图可以看出,线圈两端电压为14V时动铁心所受电磁吸力与反力配合情况符合刚吸电压的条件,与试验结果相符.另外,由弹簧反力曲线可看出,反力弹簧始终产生作用力,在吸合过程后端,触头弹簧也产生作用,触头弹簧能够在线圈断电后给动铁心提供更大的反力.4结语(1)三气隙永磁接触器气隙3在动铁心打开位置产生保持力可协助反力弹簧保持动铁心处于打开位置,有利于减轻电磁铁的负担,在动铁心行程的后半段,它变反力为吸力,帮助动铁心吸合,因而三气隙永磁接触器有节能作用.(2)三气隙永磁接触器依靠反力弹簧使动铁心返回,因而没有传统永磁接触器失压保护问题.(3)三气隙永磁电磁铁励磁线圈产生的磁通在大部份导磁体中被永磁产生的磁通削弱,因而有利于减小导磁体尺寸.(4)当线圈通以足够电流时,永磁在动铁心打开位置的反力作用被抵消,电磁铁的吸力特性与无永磁情况类似.改变工作气隙3,可改变动铁心打开位置的保持力.【参考文献】图11工作气隙3对打开位置动铁心保持力的影响【1j研究对象的反力特性如图12所示,其中反力,弹簧始终作用,而触头弹簧在动铁心吸合行程的后端产生作用.通过试验可以测得,当直流线圈两端电压小于14V时,接触器无法动作,达到14V时,接触器可以吸合,即可得接触器的刚吸电f3压是l4V.图12动铁心在不同位置时的吸力反力特性图12是线圈两端电压为24,14V时,由有限元算法得到的动铁心所受电磁吸力与弹簧反力的比一24一45陈德桂.低压电器智能化的新技术J.低压电器,2008(1):1-5.KAWASEY.YAMAGUCHIT,IWASHITAK.eta1.3-DfiniteelementanalysisofdynamiccharacteristicsofelectromagnetwithpermanentmagnetsJ.IEEETransonMagnetics,2006,42(4):13391342.CHENDG,LIUYY,JIL,et.Simulationofanalysisforapermanentcontactorwithandwithoutcurrentfeed-backstemCIEICETechnicalReport,November1516,2O08,1O8(296),Sendal,Jap