CN107423522A - 一种高效仿真分析电磁开关性能的方法 - Google Patents

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苗晓丹
潘颖
冯翰林
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Abstract

本发明公开了一种高效仿真分析电磁开关性能的方法，其包括如下步骤：a)建立电磁开关的1/4有限元模型；b)采用建模宏的方法，建立多匝跑道型线圈；c)分析电磁开关在通电情况下的输出性能及内部磁场强度分布情况；d)根据分析结果，对电磁开关的结构进行优化。通过本发明方法可仿真分析所设计的电磁开关性能，进而为电磁开关结构优化与设计提供依据，对电磁开关的性能监测具有重要价值。

Description

一种高效仿真分析电磁开关性能的方法
技术领域
本发明是涉及一种高效仿真分析电磁开关性能的方法，属于仿真分析技术领域。
背景技术
电磁开关以其驱动电压低，响应速度快，输出力以及良好的环境适应性易与微电子兼容，在通信领域、生物医学、自动控制等领域具有巨大的应用潜力。电磁开关中含有电磁系统和触头系统，电磁系统是电磁开关的感测机构，其工作过程是将电能转化为磁能，再将磁能转化为机械能，由电磁系统运动带动开关执行部件—触头系统的动作。传统交流电磁系统稳定工作时存在功率损耗大、线圈过热、振动噪声等一系列问题；触头系统闭合过程中存在一次、二次弹跳，分断时存在电弧侵蚀现象，均会引起电磨损和熔焊等现象，这些都是降低电磁开关电寿命和可靠性的主要原因。
电磁开关在运行中存在着电、磁、光、热、力等非线性能量转换，这些能量随着时间、气隙的变化而产生变化，形成一个复杂的动态过程。传统电磁开关分析设计方法大都以静态设计、近似计算、经验参数为主，导致产品开发周期长、资金投入大，且设计计算参数与产品实际性能差距较大，需要通过反复试验修正才能得到满意结果，远远无法满足高品质、高效率的设计需求。随着计算机仿真技术及有限元软件性能的不断提高，工程领域中的机构动力学分析、结构分析、电磁场分析、热分析等仿真技术日益成熟，为电磁开关分析与设计提供了良好的基础。为了设计高性能、高可靠性的电磁开关以适应市场发展需求，本领域急需一种能对设计的电磁开关性能进行仿真分析的方法，以提高设计效率、降低开发成本。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题和需求，本发明的目的是提供一种高效仿真分析电磁开关性能的方法，为设计高性能、高可靠性的电磁开关提供依据。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高效仿真分析电磁开关性能的方法，包括如下步骤：
a)建立电磁开关的1/4有限元模型；
b)采用建模宏(即：race宏)的方法，建立多匝跑道型线圈；
c)分析电磁开关在通电情况下的输出性能及内部磁场强度分布情况；
d)根据分析结果，对电磁开关的结构进行优化。
作为一种优选方案，步骤a)包括如下操作步骤：
①创建电磁开关的三维几何模型并设置材料属性和网格划分单元类型；
②对创建的三维几何模型进行网格划分；
③对进行网格划分的模型施加边界条件和约束。
作为进一步优选方案，步骤①设置SOLID 96作为网格划分单元类型。
作为进一步优选方案，步骤②采用自由(free)划分网格方式进行网格划分。
作为进一步优选方案，步骤③对模型施加与磁通量平行的边界条件，在模型1/4截面施加对称边界条件，并对进行网格划分的模型底部整个面上施加6个自由度的边界条件约束。
本发明中所述的电磁开关包括电磁驱动器和设置在其顶部的磁性平台及其两者之间的气隙。
作为一种优选方案，所述的电磁驱动器由平面线圈及磁轭构成，所述的磁性平台位于平面线圈的上方，所述的磁轭分布于平面线圈的中央、边缘和底部。
作为进一步优选方案，所述的平面线圈由铜电镀而成。
作为进一步优选方案，所述的磁轭由铁镍材料电镀而成。
作为进一步优选方案，所述的磁性平台由铁镍材料电镀而成。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种高效仿真分析电磁开关性能的方法，通过本发明方法可仿真分析所设计的电磁开关性能，进而为电磁开关结构优化与设计提供依据，对电磁开关的性能监测具有重要价值。
附图说明
图1是本发明所述的电磁开关的结构示意图。
图中：1、电磁驱动器；11、平面线圈；12、磁轭；2、磁性平台；3、气隙。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细阐述：
如图1所示：本发明所述的电磁开关包括电磁驱动器1和设置在其顶部的磁性平台2及其两者之间的气隙3，所述的电磁驱动器1由平面线圈11及磁轭12构成，所述的磁性平台2位于平面线圈11的上方，所述的磁轭12分布于平面线圈11的中央、边缘和底部；所述的平面线圈11由铜电镀而成，所述的磁轭12由铁镍材料电镀而成，所述的磁性平台也由铁镍材料电镀而成。
本发明所述的高效仿真分析电磁开关性能的方法，包括如下步骤：
a)建立电磁开关的1/4有限元模型：
①创建电磁开关的三维几何模型并设置材料属性和网格划分单元类型；
②对创建的三维几何模型进行网格划分；
③对进行网格划分的模型施加边界条件和约束；
b)采用建模宏(即：race宏)的方法，建立多匝跑道型线圈；
c)分析电磁开关在通电情况下的输出性能及内部磁场强度分布情况；
d)根据分析结果，对电磁开关的结构进行优化。
作为一种优选方案，步骤①设置SOLID96作为网格划分单元类型，步骤②采用自由(free)划分网格方式进行网格划分，步骤③对模型施加与磁通量平行的边界条件，在模型1/4截面施加对称边界条件，并对进行网格划分的模型底部整个面上施加6个自由度的边界条件约束。
实施例
采用Ansys软件对本发明所述的电磁开关进行仿真分析：
步骤一：建立电磁开关的1/4有限元模型；
1、创建电磁开关的三维几何模型，并设置材料属性和网格划分单元类型采用的铁镍材料。
2、对创建的三维几何模型进行网格划分
网格划分方式通常有free及map两种，选择不同的方式将对求解的结果及计算精度产生决定性的影响，由于本发明中电磁开关的结构形状不复杂，本发明采用自由(free)划分网格方式来进行网格划分。
3、对进行网格划分的模型施加边界条件和约束
本发明对电磁开关施加与磁通量平行的边界条件，并在电磁开关1/4截面施加对称边界条件，并对进行网格划分的电磁开关底部整个面上施加6个自由度的边界条件约束。
步骤二：采用建模宏(即：race宏)的方法，建立多匝跑道型线圈；
步骤三：分析电磁开关在通电情况下产生的电磁力大小及内部磁场强度分布；
首先对电磁开关的整体实行施加电流激励，然后通过后处理查看电磁开关内部所产生的应力大小及磁场强度分布情况。
由电磁开关磁场强度分布图可得知：集成平面线圈中央处磁场强度最大。
步骤四：根据分析结果，对电磁开关的结构进行优化；
根据步骤三的分析结果可以得知：集成平面线圈中央处磁场强度最大，因此，该结构设计可以作为最优结构。有了此分析结果，本领域的技术人员就有了对电磁开关进行结构优化的设计依据。
最后有必要在此指出的是，上述说明只用于对本发明的技术方案作进一步详细说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高效仿真分析电磁开关性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)建立电磁开关的1/4有限元模型；
b)采用建模宏的方法，建立多匝跑道型线圈；
c)分析电磁开关在通电情况下的输出性能及内部磁场强度分布情况；
d)根据分析结果，对电磁开关的结构进行优化。
2.根据权利要求1所述的高效仿真分析电磁开关性能的方法，其特征在于，步骤a)包括如下操作步骤：
①创建电磁开关的三维几何模型并设置材料属性和网格划分单元类型；
②对创建的三维几何模型进行网格划分；
③对进行网格划分的模型施加边界条件和约束。
3.根据权利要求2所述的高效仿真分析电磁开关性能的方法，其特征在于：步骤①设置SOLID 96作为网格划分单元类型。
4.根据权利要求2所述的高效仿真分析电磁开关性能的方法，其特征在于：步骤②采用自由(free)划分网格方式进行网格划分。
5.根据权利要求2所述的高效仿真分析电磁开关性能的方法，其特征在于：步骤③对模型施加与磁通量平行的边界条件，在模型1/4截面施加对称边界条件，并对进行网格划分的模型底部整个面上施加6个自由度的边界条件约束。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的高效仿真分析电磁开关性能的方法，其特征在于：所述的电磁开关包括电磁驱动器和设置在其顶部的磁性平台及其两者之间的气隙。
7.根据权利要求6所述的高效仿真分析电磁开关性能的方法，其特征在于：所述的电磁驱动器由平面线圈及磁轭构成，所述的磁性平台位于平面线圈的上方，所述的磁轭分布于平面线圈的中央、边缘和底部。
8.根据权利要求6所述的高效仿真分析电磁开关性能的方法，其特征在于：所述的平面线圈由铜电镀而成。
9.根据权利要求6所述的高效仿真分析电磁开关性能的方法，其特征在于：所述的磁轭由铁镍材料电镀而成。
10.根据权利要求6所述的高效仿真分析电磁开关性能的方法，其特征在于：所述的磁性平台由铁镍材料电镀而成。
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