基于ANSOFT的電磁繼電器磁路鉚接設(shè)計(jì)

(廈門宏發(fā)電聲股份有限公司，福建廈門，361021)

1 引言

電磁繼電器的磁路的裝配方式多種多樣，常用的有旋鉚和壓鉚。壓鉚又按鉚跡分為錐鉚、劈鉚、花鉚。從鉚頭加工工藝性上考慮，十字花鉚是一種加工較簡(jiǎn)單的花鉚形式，如圖1。

磁路鉚接的判定標(biāo)準(zhǔn)一般通過(guò)鉚接強(qiáng)度、鉚接擴(kuò)張度、鉚接深度等來(lái)量化評(píng)價(jià)鉚接可靠性，另外還可以用金相切片的方式分析軛鐵與鐵芯的貼合尺寸來(lái)評(píng)價(jià)鉚接質(zhì)量。

圖1 十字花鉚外觀

金相分析時(shí)，較常出現(xiàn)的磁路鉚接缺陷如圖2所示。圖2(a)中鐵芯未能完全漲緊貼合軛鐵面，鐵芯與軛鐵截面位置貼合尺寸t≈0.4mm<70%T(T為軛鐵厚度1.0mm)。圖2(b)中鐵芯臺(tái)階面與軛鐵不貼平存在δ=0.181mm軸向空隙。

圖2(a)，在各類鉚接工藝中均可能出現(xiàn)，特別是旋鉚工藝，鐵芯受力不足，導(dǎo)致鐵芯與軛鐵貼合深度不足。圖2(b)產(chǎn)生的原因主要有鐵芯與線圈、軛鐵尺寸不匹配，或者鐵芯受較大的鉚接力影響產(chǎn)生變形，導(dǎo)致鐵芯被墩矮、墩粗等。

(a) (b)圖2 磁路金相示圖

本文要討論的是，磁路鉚接金相分析中的鐵芯與軛鐵鉚接后存在的縫隙對(duì)電磁吸力的影響。文中，根據(jù)十字花鉚、旋鉚、錐鉚等組裝方式將鐵芯與軛鐵的配合間隙按不同形狀和程度進(jìn)行模擬仿真并對(duì)結(jié)論用樣品進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。同時(shí)借此提出相適應(yīng)的十字花鉚的鉚頭設(shè)計(jì)尺寸要求。以減少產(chǎn)品在裝配時(shí)反復(fù)的調(diào)整及金相分析驗(yàn)證。

根據(jù)金相分析的典型圖片，我們?cè)诖颂岢龃怕枫T接的兩個(gè)過(guò)程參數(shù)K1、K2：

鐵芯接觸面積比K1=鐵芯與軛鐵鉚后貼合面積S1/(鐵芯周長(zhǎng)C×軛鐵厚度T)

鐵芯受力面積比K2=鐵芯被鉚壓面積S2/鐵芯截面積S

其中，K1將鉚接縫隙量化為鐵芯與軛鐵接觸面積的百分比，做為電磁吸力仿真的參數(shù)。K2量化的是鐵芯受力變形的影響程度，以金相分析、鉚接強(qiáng)度等進(jìn)行驗(yàn)證。

2 仿真分析

2.1 仿真模型

仿真分析的模型，我們選擇典型的拍合式繼電器的簡(jiǎn)化磁路建立去參數(shù)的ANSYS仿真模型[1]，如圖3所示。設(shè)定鐵芯尾部為圓柱形，鐵芯尾部與軛鐵孔的配合間隙設(shè)為零件尺寸公差0.1mm。

圖3中，0#模型的K1=100%，軛鐵厚度T=1.0mm。磁路落差0.05mm。

圖3 簡(jiǎn)化模型圖示

2.2 仿真分析對(duì)象

通過(guò)調(diào)整鐵芯鉚接位置尺寸，將K1量化為80%、65%、50%、35%、20%，見表1。并根據(jù)不同的裝配氣隙將仿真模型分3組。

1) A組為旋鉚、錐鉚等產(chǎn)生的環(huán)形配合間隙，且鐵芯臺(tái)階面與軛鐵的軸向間隙為δ=0。受鉚接力影響，鐵芯臺(tái)階根部的位置存在不同程度的配合間隙。

A組中，鐵芯接觸面積比K1=(鐵芯周長(zhǎng)C×鐵芯與軛鐵貼合高度t)/(鐵芯周長(zhǎng)C×軛鐵厚度T)=t/T。見圖4。

2) B組即為本文所提出的十字花鉚方案形成的配合間隙，見圖5。鐵芯臺(tái)階面與軛鐵的軸向間隙為δ=0。

鐵芯接觸面積比K1=(鐵芯被鉚壓弧長(zhǎng)C1×厚度T)/(鐵芯周長(zhǎng)C×厚度T)=(c1-1×4)/C

3) C組分為在K1=50%的情況下，鐵芯臺(tái)階面在鉚接區(qū)域存在軸向上0.1mm的配合間隙C1組，見圖6。以及鐵芯臺(tái)階面與軛鐵面存在軸向間隙δ的C2組，示意見圖7。

將各仿真模型的按K1參數(shù)對(duì)比，見表1：

圖4 A組模型局部放大圖

圖6 C1組模型局部放大圖

圖5 B組模型鐵芯橫截面(圖3 A向視圖)

圖7 C2組模型局部放大圖

接觸面積比K1模型編號(hào)A組B組接觸面積比K1模型編號(hào)C組備注80%1#11#65%2#12#50%3#13#35%4#14#20%5#———50%C121#十字花鉚22#錐鉚C223#δ=0.02mm24#δ=0.05mm25#δ=0.10mm

將各模型導(dǎo)入Ansoft仿真分析軟件，根據(jù)各零件材料賦予相應(yīng)的材料屬性，如軛鐵、鐵芯、銜鐵均為電工純鐵DT4E；線圈繞組選擇銅copper。在給線圈額定安匝以及70%額定安匝激勵(lì)條件下分別計(jì)算銜鐵從閉合位置(0°)至釋放位置(2.5°)的過(guò)程中受到的吸力矩以及磁感應(yīng)強(qiáng)度B的分布云圖。

2.3 仿真分析結(jié)果

通過(guò)仿真分析可計(jì)算得到各模型的吸力值。排序圖見圖8、圖9。

從圖中可以看出，鐵芯接觸面積比K1≥20%，不論是十字花鉚間隙還是環(huán)形間隙，其吸力曲線與0#模型吸力曲線基本重合，達(dá)到0#模型吸力的99.2%以上。鉚接區(qū)域范圍內(nèi)的軸向間隙可以接受。但鐵芯臺(tái)階面存在軸向間隙δ時(shí)，其吸力下降明顯，見23#、24#、25#曲線，δ越大，吸力下降越明顯。

圖8 70%額定安匝激勵(lì)下吸力對(duì)比

圖9 額定安匝激勵(lì)下吸力對(duì)比

3 仿真分析驗(yàn)證

根據(jù)分析結(jié)果，我們進(jìn)行樣品裝配。其中，K1值采用金相切片方式確認(rèn)。

3.1 吸力值驗(yàn)證

吸力值測(cè)試采用我司自制的吸反力測(cè)試裝置[2]。得到的吸力實(shí)測(cè)曲線與仿真曲線見圖10、圖11。

圖10 70%IN激勵(lì)下仿真值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖11 額定IN激勵(lì)下仿真值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)曲線存在的差異與工程參數(shù)相關(guān)，我們認(rèn)為仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本吻合。

綜上，可以認(rèn)為當(dāng)鐵芯接觸面積比K1≥20%，吸力變化不顯著，過(guò)程中可以接受。

3.2 鉚接質(zhì)量驗(yàn)證

從圖5中，我們可以通過(guò)計(jì)算得到B組十字花鉚的K2值：

鐵芯受力面積比K2=鐵芯被鉚壓面積S2/鐵芯截面積S=(s2-1×4)/S。

從大量的金相分析及鉚接強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果來(lái)看，K2值太大，例如，K2≥40%時(shí)，鐵芯臺(tái)階面的軸向間隙δ無(wú)法控制，將導(dǎo)致產(chǎn)品吸力下降，影響產(chǎn)品性能。同樣，K2值太小，例如，K2<10%時(shí)則存在鉚跡不清晰，無(wú)法量化測(cè)量且鉚接強(qiáng)度不足等問(wèn)題。

本文認(rèn)為，在K2值適當(dāng)?shù)那闆r下，可以令鐵芯局部受壓變形，在該區(qū)域內(nèi)易于達(dá)到鐵芯100%貼平并漲緊軛鐵的效果。而在鐵芯未受力區(qū)域則為零件公差產(chǎn)生的配合間隙，即，K1值可控。

通過(guò)前面的仿真分析及樣品驗(yàn)證，我們得到K1≥20%的結(jié)論，而受到工件強(qiáng)度等的影響，我們一般選擇K1≥35%；此時(shí)K2≥10%。

下面，通過(guò)不同規(guī)格鐵芯的金相分析及實(shí)際強(qiáng)度測(cè)試等評(píng)價(jià)來(lái)選擇合適的K2值。因各規(guī)格鐵芯的鉚接強(qiáng)度等要求差異，本文對(duì)鉚接質(zhì)量及金相分析結(jié)果采用5分制進(jìn)行評(píng)分，見表2。

表2 K2值與鉚接質(zhì)量評(píng)價(jià)表

301.8113.553555K2 / %鉚接質(zhì)量金相分析結(jié)論122.32.0 204.0 3.3 303.7 3.0

從表2的評(píng)價(jià)結(jié)果看，K2值在20%時(shí)評(píng)價(jià)最好，鐵芯尾部直徑大于Φ3.5時(shí)，K2值可以放寬至30%。綜合考慮，K2在20%～30%區(qū)間選擇較恰當(dāng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

以典型的拍合式直流電磁繼電器產(chǎn)品為模型進(jìn)行磁路吸力矩仿真分析的結(jié)果是：在接觸面積比K1≥20%，鐵芯軛鐵配合間隙≤0.1mm的情況下，十字花鉚或錐鉚、旋鉚等鉚接方案對(duì)磁路吸力無(wú)顯著影響，鉚接區(qū)域范圍內(nèi)鐵芯臺(tái)階位置的軸向間隙對(duì)吸力影響不顯著，需要完全杜絕的是鐵芯臺(tái)階面與軛鐵完全不貼平的軸向間隙δ。

從驗(yàn)證效果上看，十字花鉚方案可通過(guò)鐵芯受力面積比K2的調(diào)整，保證鉚接區(qū)域鐵芯與軛鐵貼緊無(wú)縫隙，令鉚接金相分析、鉚接強(qiáng)度等達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

采用十字花鉚時(shí)，可以將鉚頭尺寸設(shè)計(jì)為令鐵芯接觸面積比K1≥35%，受力面積比K2=20%～30%，鉚頭的直徑達(dá)到110%鐵芯尾部直徑，鉚花的深度可設(shè)定為當(dāng)工裝閉模時(shí)與軛鐵下表面貼平。

以上的結(jié)論將在今后的工作中進(jìn)一步確認(rèn)及優(yōu)化。