CJ2040交流接觸器改進報告DOC

1、人民電器集團CJ20-40接觸器電磁鐵優(yōu)化設(shè)計報告負責(zé)人：曹旭人民電器集團 浙江人民電器有限公司技術(shù)部2007.8目 錄一、電磁鐵的優(yōu)化設(shè)計方法1、仿真與計算方法2、優(yōu)化設(shè)計目的及方法二、CJ2040原樣機的研究分析1、研究對象2、原樣機尺寸參數(shù)及吸力特性三、優(yōu)化方案1分析1、優(yōu)化方案1尺寸參數(shù)2、優(yōu)化方案1吸力特性3、溫升分析及優(yōu)化目標(biāo)四、優(yōu)化方案2分析1、優(yōu)化方案2尺寸參數(shù)2、優(yōu)化方案2吸力特性3、溫升分析一 電磁鐵的優(yōu)化設(shè)計方法1、仿真與計算方法為了對電磁鐵進行優(yōu)化設(shè)計，首先必須計算電磁鐵的靜態(tài)吸力特性，電磁鐵靜特性是在給定線圈電壓下，電磁吸力F與工作氣隙的關(guān)系F=f()。對于交流電磁鐵

2、來說，若忽略鐵芯的渦流損耗，則線圈電壓與電流的關(guān)系可用下式表示U=(E2+(IR)2)1/2 (1)式中U為線圈外施電壓，E為線圈反電勢，I為線圈電流，R為線圈電阻，用向量圖可表示它們之間關(guān)系.其中感應(yīng)電勢E4.44fm (2)式中f電源頻率；m線圈磁鏈的幅值。其中，線圈磁鏈?zhǔn)蔷€圈電流和氣隙的非線性函數(shù)，即mf（i,） (3)它可由給定電流和氣隙值時，由磁場計算求得。商品電磁鐵分析軟件，只能在給定線圈電流和工作氣隙時計算電磁吸力F和磁鏈，交流電磁鐵的靜態(tài)吸力特性是在給定外施電壓下計算電磁電磁吸力和磁鏈，因而必須在商品軟件條件下，進行二次開發(fā)才能完成計算任務(wù)。為了在給定氣隙下計算吸力值，首先必須

3、聯(lián)立求解非線性方程組（1）和（3），當(dāng)在給定氣隙和線圈電壓下，通過解聯(lián)立方程求得線圈電流I，在就可通過商品軟件計算電磁吸力F。我們采用以下方法來求解非線性方程組（1）和（3）。首先假設(shè)一初始電流值I0，由此依次演算出電磁鐵磁系統(tǒng)的磁場能量、線圈磁鏈、線圈感應(yīng)電勢，最終得到線圈端電壓，將計算得到的端電壓與實際給定的線圈電壓相比較，如不能滿足精度要求，則校正電流值，重復(fù)以上的計算，直至精度達到要求。在二次開發(fā)程序編寫中，充分利用ANSYS軟件的尋優(yōu)功能，即把電流值設(shè)定為自變量，前后兩次計算的電流差值作為約束條件，計算的電壓值和給定電壓的差值作為目標(biāo)函數(shù)，當(dāng)滿足尋優(yōu)目標(biāo)，則獲得的電流值即為方程組（1

4、）和（3）的解。2優(yōu)化設(shè)計目的及方法 根據(jù)經(jīng)驗，將電磁鐵的動鐵芯高度增加，會增加電磁吸力；將磁鐵兩端端面積增大會降低溫升。本設(shè)計方案目的是在保證電磁鐵在吸上電壓能夠可靠吸合的同時，盡量減少額定工作電壓（220V）吸持階段下的溫升。因此所采用的方法是通過多組不同尺寸樣機和線圈參數(shù)的改變，計算各自的吸力特性和220V，小氣隙（0.2mm）下的功率值與原樣機相比較。使電磁鐵在吸上電壓（140145V）能保證可靠吸合的基礎(chǔ)上，功率降低。 需要說明的是：由于改進的優(yōu)化方案在分磁環(huán)設(shè)計和端面面積與原樣機都有不同，即使是消耗相同的功率，溫升未必相同。所以本設(shè)計僅以功率作為反映溫升的參照。需要根據(jù)設(shè)計方案制作

5、樣機并進行溫升試驗后才能得到驗證。二 CJ2040原樣機的研究分析1、研究對象：人民電器集團CJ2040交流接觸器2、原樣機尺寸參數(shù)及吸力特性圖1：原樣機鐵芯尺寸圖 圖2：原樣機線圈尺寸俯視圖 原樣機線圈尺寸參數(shù)（m）：線圈內(nèi)寬度24e-3 線圈外寬度45.5e-3 線圈內(nèi)長度=23e-3 線圈外長度44.5e-3 線圈截面高度26e-3 線圈線徑0.23e-3 線圈匝數(shù)=2820匝 線圈電阻=139.4線圈底部與電磁鐵的間隙=9e-3 原樣機仿真吸力結(jié)果： 表1 CJ2040原樣機電流、吸力仿真結(jié)果反力特性140v吸力特性氣隙(mm)反力(N)氣隙(mm)吸力(N)電流(A)028.4129

6、.1780.1842088072.322.1220.2020.2926594422.312.08314.4570.3602298652.711.637411.73980.4248503212.710.9559.36820.4646409484.69.0567.60980.4978068574.68.077.35.88560.5299254257.35.67 圖3 原樣機140V吸力特性與反力特性配合曲線三、優(yōu)化方案1分析1、優(yōu)化方案尺寸參數(shù)圖4 優(yōu)化方案鐵芯尺寸圖圖5 優(yōu)化方案安裝分磁環(huán)的靜鐵心俯視圖圖6 分磁環(huán)尺寸圖圖7 原優(yōu)化方案線圈尺寸俯視圖優(yōu)化方案線圈尺寸參數(shù)（m）：線圈內(nèi)寬度28.5

7、1e-3 線圈外寬度44.91e-3 線圈內(nèi)長度=23.29e-3 線圈外長度39.69e-3 線圈截面高度H=23e-3 線圈線徑=0.20e-3 線圈匝數(shù)=2850 匝 線圈電阻=186.1線圈底部與電磁鐵的間隙=3.5e-3 與原樣機比較：原樣機：鐵心重量380克， 線圈160克， 鐵心線圈540克；采用新方案后：鐵心計算重量341克， 線圈計算質(zhì)量107.72克。省鐵量： 10.3%省銅量： 32.67%總質(zhì)量節(jié)?。?91.28克2、優(yōu)化方案吸力特性 表2 原優(yōu)化方案電流、吸力仿真結(jié)果反力特性140v吸力特性氣隙(mm)反力(N)氣隙(mm)吸力(N)電流(A)028.4128.20.

8、18462.322.1220.000.28422.312.08314.680.35652.711.637412.10.40322.710.9559.820.44384.69.0568.30.47454.68.077.36.720.50667.35.67 圖8 優(yōu)化方案140V吸力特性與反力特性配合曲線 3、溫升分析及優(yōu)化目標(biāo)由于線圈的溫升主要由線圈發(fā)熱產(chǎn)生，主要由電磁鐵工作在吸持階段消耗的功率和散熱條件決定。在散熱條件基本一定的情況下，能夠降低功率是降低線圈溫升，保證接觸器可靠工作的有效途徑。通過ANSYS計算得到額定工作電壓（220V）下吸持階段的工作電流I，這里計算線圈工作電壓220V、氣

9、隙值為0.2mm情況下的電流值。為了計算穩(wěn)定溫升下電阻值, 假定線圈最終溫度為100出等效電阻Rm，就會得到線圈額定電壓下等效的消耗功率。 T020 R0139.4Tm取100 aw1/254（/） 線圈電阻溫度系數(shù)額定電壓下消耗等效功率為 PI2Rm依此計算原樣機和原優(yōu)化方案下電流及功率如下表， 表3 原樣機和原優(yōu)化方案下電流優(yōu)化及功率表 樣機線圈電流(mA)線圈消耗功率(W)原樣機80.151.156優(yōu)化方案189.91.598 由上表可見，在額定電壓220V吸持工作階段下，優(yōu)化方案1消耗功率較大，溫升也會變高。四、優(yōu)化方案2分析通過對多組不同鐵芯尺寸、線圈參數(shù)等改變后的樣機進行優(yōu)化計算，

10、最終選取以下優(yōu)化方案2。1、優(yōu)化方案2尺寸參數(shù) 圖9 優(yōu)化方案2鐵芯尺寸圖分磁環(huán)安裝及尺寸圖，線圈尺寸俯視圖同圖5、圖6、圖7。現(xiàn)優(yōu)化方案線圈尺寸參數(shù)（m）：線圈內(nèi)寬度28.51e-3 線圈外寬度44.91e-3 線圈內(nèi)長度=23.29e-3 線圈外長度39.69e-3 線圈截面高度H=23e-3 線圈線徑=0.21e-3 線圈匝數(shù)=3150匝 線圈電阻=186.5線圈底部與電磁鐵的間隙3.5e-3 與原樣機比較：德力西原樣機：鐵心重量380克， 線圈160克， 鐵心線圈540克；采用新方案一后：鐵心計算重量371.15克， 線圈質(zhì)量131.27克；省鐵量： 2.33%省銅量： 18.0%總質(zhì)

11、量節(jié)?。?37.58克2、優(yōu)化方案吸力特性仿真結(jié)果表4 優(yōu)化方案電流、吸力反力特性140v吸力特性氣隙(mm)反力(N)氣隙(mm)吸力(N)電流(A)028.4123.47180.14442.322.12.315.84500.25162.312.082.714.62750.27792.711.637411.26830.34212.710.954.610.35530.36904.69.0559.75130.38364.68.0768.46390.41667.35.677.36.84880.4433 圖10 優(yōu)化方案2 140V吸力特性與反力特性配合曲線由圖10可以看出優(yōu)化方案2在140V吸上電壓時能保證電磁鐵的吸合，但是裕度較小。3、溫升分析表5給出原樣機、優(yōu)化方案1、優(yōu)化方案2三種情況下在220V，0.2mm氣隙下的電流計算值和消耗功率?？梢妰?yōu)化方案2消耗的功率是最小的。表5 原樣機、優(yōu)化方案1、優(yōu)化方案2電流及功率樣機線圈電流(mA)線圈消耗功率(W)原樣機80.151.156優(yōu)化方案189.91.598優(yōu)化方案269.17