CJ2040交流接触器改进报告DOC

1、人民电器集团CJ20-40接触器电磁铁优化设计报告负责人：曹旭人民电器集团 浙江人民电器有限公司技术部2007.8目 录一、电磁铁的优化设计方法1、仿真与计算方法2、优化设计目的及方法二、CJ2040原样机的研究分析1、研究对象2、原样机尺寸参数及吸力特性三、优化方案1分析1、优化方案1尺寸参数2、优化方案1吸力特性3、温升分析及优化目标四、优化方案2分析1、优化方案2尺寸参数2、优化方案2吸力特性3、温升分析一 电磁铁的优化设计方法1、仿真与计算方法为了对电磁铁进行优化设计，首先必须计算电磁铁的静态吸力特性，电磁铁静特性是在给定线圈电压下，电磁吸力F与工作气隙的关系F=f()。对于交流电磁铁

2、来说，若忽略铁芯的涡流损耗，则线圈电压与电流的关系可用下式表示U=(E2+(IR)2)1/2 (1)式中U为线圈外施电压，E为线圈反电势，I为线圈电流，R为线圈电阻，用向量图可表示它们之间关系.其中感应电势E4.44fm (2)式中f电源频率；m线圈磁链的幅值。其中，线圈磁链是线圈电流和气隙的非线性函数，即mf（i,） (3)它可由给定电流和气隙值时，由磁场计算求得。商品电磁铁分析软件，只能在给定线圈电流和工作气隙时计算电磁吸力F和磁链，交流电磁铁的静态吸力特性是在给定外施电压下计算电磁电磁吸力和磁链，因而必须在商品软件条件下，进行二次开发才能完成计算任务。为了在给定气隙下计算吸力值，首先必须

3、联立求解非线性方程组（1）和（3），当在给定气隙和线圈电压下，通过解联立方程求得线圈电流I，在就可通过商品软件计算电磁吸力F。我们采用以下方法来求解非线性方程组（1）和（3）。首先假设一初始电流值I0，由此依次演算出电磁铁磁系统的磁场能量、线圈磁链、线圈感应电势，最终得到线圈端电压，将计算得到的端电压与实际给定的线圈电压相比较，如不能满足精度要求，则校正电流值，重复以上的计算，直至精度达到要求。在二次开发程序编写中，充分利用ANSYS软件的寻优功能，即把电流值设定为自变量，前后两次计算的电流差值作为约束条件，计算的电压值和给定电压的差值作为目标函数，当满足寻优目标，则获得的电流值即为方程组（1

4、）和（3）的解。2优化设计目的及方法 根据经验，将电磁铁的动铁芯高度增加，会增加电磁吸力；将磁铁两端端面积增大会降低温升。本设计方案目的是在保证电磁铁在吸上电压能够可靠吸合的同时，尽量减少额定工作电压（220V）吸持阶段下的温升。因此所采用的方法是通过多组不同尺寸样机和线圈参数的改变，计算各自的吸力特性和220V，小气隙（0.2mm）下的功率值与原样机相比较。使电磁铁在吸上电压（140145V）能保证可靠吸合的基础上，功率降低。 需要说明的是：由于改进的优化方案在分磁环设计和端面面积与原样机都有不同，即使是消耗相同的功率，温升未必相同。所以本设计仅以功率作为反映温升的参照。需要根据设计方案制作

5、样机并进行温升试验后才能得到验证。二 CJ2040原样机的研究分析1、研究对象：人民电器集团CJ2040交流接触器2、原样机尺寸参数及吸力特性图1：原样机铁芯尺寸图 图2：原样机线圈尺寸俯视图 原样机线圈尺寸参数（m）：线圈内宽度24e-3 线圈外宽度45.5e-3 线圈内长度=23e-3 线圈外长度44.5e-3 线圈截面高度26e-3 线圈线径0.23e-3 线圈匝数=2820匝 线圈电阻=139.4线圈底部与电磁铁的间隙=9e-3 原样机仿真吸力结果： 表1 CJ2040原样机电流、吸力仿真结果反力特性140v吸力特性气隙(mm)反力(N)气隙(mm)吸力(N)电流(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 图3 原样机140V吸力特性与反力特性配合曲线三、优化方案1分析1、优化方案尺寸参数图4 优化方案铁芯尺寸图图5 优化方案安装分磁环的静铁心俯视图图6 分磁环尺寸图图7 原优化方案线圈尺寸俯视图优化方案线圈尺寸参数（m）：线圈内宽度28.5

7、1e-3 线圈外宽度44.91e-3 线圈内长度=23.29e-3 线圈外长度39.69e-3 线圈截面高度H=23e-3 线圈线径=0.20e-3 线圈匝数=2850 匝 线圈电阻=186.1线圈底部与电磁铁的间隙=3.5e-3 与原样机比较：原样机：铁心重量380克， 线圈160克， 铁心线圈540克；采用新方案后：铁心计算重量341克， 线圈计算质量107.72克。省铁量： 10.3%省铜量： 32.67%总质量节省： 91.28克2、优化方案吸力特性 表2 原优化方案电流、吸力仿真结果反力特性140v吸力特性气隙(mm)反力(N)气隙(mm)吸力(N)电流(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 图8 优化方案140V吸力特性与反力特性配合曲线 3、温升分析及优化目标由于线圈的温升主要由线圈发热产生，主要由电磁铁工作在吸持阶段消耗的功率和散热条件决定。在散热条件基本一定的情况下，能够降低功率是降低线圈温升，保证接触器可靠工作的有效途径。通过ANSYS计算得到额定工作电压（220V）下吸持阶段的工作电流I，这里计算线圈工作电压220V、气

9、隙值为0.2mm情况下的电流值。为了计算稳定温升下电阻值, 假定线圈最终温度为100出等效电阻Rm，就会得到线圈额定电压下等效的消耗功率。 T020 R0139.4Tm取100 aw1/254（/） 线圈电阻温度系数额定电压下消耗等效功率为 PI2Rm依此计算原样机和原优化方案下电流及功率如下表， 表3 原样机和原优化方案下电流优化及功率表 样机线圈电流(mA)线圈消耗功率(W)原样机80.151.156优化方案189.91.598 由上表可见，在额定电压220V吸持工作阶段下，优化方案1消耗功率较大，温升也会变高。四、优化方案2分析通过对多组不同铁芯尺寸、线圈参数等改变后的样机进行优化计算，

10、最终选取以下优化方案2。1、优化方案2尺寸参数 图9 优化方案2铁芯尺寸图分磁环安装及尺寸图，线圈尺寸俯视图同图5、图6、图7。现优化方案线圈尺寸参数（m）：线圈内宽度28.51e-3 线圈外宽度44.91e-3 线圈内长度=23.29e-3 线圈外长度39.69e-3 线圈截面高度H=23e-3 线圈线径=0.21e-3 线圈匝数=3150匝 线圈电阻=186.5线圈底部与电磁铁的间隙3.5e-3 与原样机比较：德力西原样机：铁心重量380克， 线圈160克， 铁心线圈540克；采用新方案一后：铁心计算重量371.15克， 线圈质量131.27克；省铁量： 2.33%省铜量： 18.0%总质

11、量节省： 37.58克2、优化方案吸力特性仿真结果表4 优化方案电流、吸力反力特性140v吸力特性气隙(mm)反力(N)气隙(mm)吸力(N)电流(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 图10 优化方案2 140V吸力特性与反力特性配合曲线由图10可以看出优化方案2在140V吸上电压时能保证电磁铁的吸合，但是裕度较小。3、温升分析表5给出原样机、优化方案1、优化方案2三种情况下在220V，0.2mm气隙下的电流计算值和消耗功率。可见优化方案2消耗的功率是最小的。表5 原样机、优化方案1、优化方案2电流及功率样机线圈电流(mA)线圈消耗功率(W)原样机80.151.156优化方案189.91.598优化方案269.17